深入了解 Polkadot 架构、运作机制和发展历史 （上）

撰文：Coin Bureau

Coin Bureau 发布了 2024 年波卡回顾报告，深入分析了波卡的发展历史、运行机制，并涵盖了 Coretime、Polkadot 2.0 等最新的波卡进展。

由于全文篇幅较长，本文仅翻译了该报告的前半部分，主要介绍了波卡的发展历史和 Polkadot 1.0 运行机制。后半部分会在近期发布在 PolkaWorld 公众号上，敬请期待。

2016 年，当波卡（Polkadot）的最初开发和概念验证（PoC）设计首次亮相时，这个项目在加密货币爱好者和机构投资者中还不太受关注，但后来事实证明它是一个值得关注的项目。

事实上，自 2016 年起，波卡已构建了一个声誉卓著的生态系统，拥有顶尖的开发者、架构师和项目领导者，制定了精密的未来发展路线图，并经历了指数级的增长，使其在 2021 年成为市值最高的十大加密货币之一。2021 年的 CoinShares 报告还强调，波卡是机构投资者最感兴趣的加密货币资产之一。

尽管 2021 年对波卡社区和生态系统来说非常光明，但 2022/2023 年对波卡以及更广泛的加密行业来说无疑是残酷的，因为我们经历了一段被证明是加密货币历史上最残酷的熊市。

但是，像许多区块链项目一样，波卡的建设者和贡献者 DAO 在熊市期间保持冷静并持续建设，带来了一些激动人心的发展。波卡在逆境中展现出了惊人的韧性，并准备好延续本次加密寒冬之前的发展势头。

社区提出了一些称号，试着描述波卡想要实现的雄心，如 「所有区块链之母」、「终极零层」，当然还有 「以太坊杀手」。这些称号中有些比其他的更准确，因为即使波卡的创始人也坚称波卡不是以太坊的竞争对手。正如我们将在本文中分析的那样，我们同意波卡并不是在寻求与以太坊竞争，但仍然可能永远改变区块链世界。

波卡的历史始于以太坊，特别是以太坊的联合创始人之一 Gavin Wood 博士（软件工程博士）。Wood 博士在加密领域内外拥有超过 20 年的软件开发经验。

Polkadot 和以太坊联合创始人 Gavin Wood 博士

图片来源：Parity

他编写了以太坊的第一个能够运作的版本，甚至撰写了以太坊的 「黄皮书」。然而，Wood 博士最为人所知的可能是创造了 Solidity，这是一种用于在以太坊上构建智能合约的编程语言。

2016 年 1 月，Wood 博士辞去了以太坊首席技术官和核心开发者的职位。关于他离职的确切原因有多种说法（有的甚至来自 Wood 博士本人），但可以概括为他对以太坊 2.0 发展缓慢感到沮丧。

2016 年下半年，Wood 博士开始开发一种新的加密货币，它将 「兑现以太坊未能实现的承诺」。波卡白皮书的初稿在 2016 年年底完成。

在 Gavin Wood 博士提出最初构想之后，波卡的旅程经历了多个重要的里程碑，该项目还涉及 Wood 以外的其他知名创始人。以下是一个简要概述：

• 白皮书和初始概念（2016 年）：波卡的白皮书由 Gavin Wood 在 2016 年发布，概述了其创新的多链框架。

   

• Web3 基金会成立（2017 年）：Web3 基金会成立，致力于促进功能齐全且用户友好的去中心化网络。它在资助和指导波卡的发展中发挥了关键作用。

   

• 筹资（2017 年）：波卡在 2017 年的 token 发行是当时最成功的发行之一，筹集了超过 1.4 亿美元。然而，由于 Parity 钱包中的漏洞，大部分资金被冻结。

   

• 发展里程碑（2018-2019 年）：波卡经历了各个阶段的测试和开发，推出了实验性的 「先行网」 Kusama。

   

• 主网上线（2020 年）：波卡主网在 2020 年启动了第一阶段，最初启动时功能有限。完整的功能在后续阶段推出，包括启用治理、质押和绑定功能。

   

• 推出平行链（2021-2022 年）：平行链的引入是波卡的一个关键功能，从这些插槽的 auction 开始，标志着实现波卡多链架构的重要一步。

   

• Web3 基金会宣布 DOT 代币不再是证券（2022 年）：经过与美国证券交易委员会（SEC）多年的讨论，波卡自我声明 DOT 是软件，而不是证券。

   

• 波卡 2.0（2023 年）：最近的进展宣布了平行链插槽拍卖的结束，这是加密领域中最重要的事件之一，采用了更具活力的平行链市场。

   

• Cardano 宣布采用波卡技术（2023 年）：在 2023 年的 Cardano 峰会上，Hoskinson 宣布 Cardano 将在其合作伙伴链（partner chain）中使用 Polkadot SDK。

除了 Polkadot 发展的核心人物、以太坊联合创始人 Gavin Wood 之外，Polkadot 的创始团队还包括其他几位知名人士：

• Robert Habermeier：Rust 和区块链社区的重要贡献者。他一直积极参与波卡技术的开发和概念设计。

   

• Peter Czaban：Web3 基金会的前技术总监。他在指导基金会的使命和监督波卡的技术发展方面发挥了重要作用。

这些人都为该项目带来了独特的专业知识和愿景，为波卡的发展做出了贡献，使其成为一个可扩展、可互操作且安全的多链生态系统。他们的集体努力是 Polkadot 在区块链领域取得进步和持续发展的关键。

波卡是一个区块链项目，旨在推动互联网的去中心化未来（Web 3.0)。波卡通常被称为 Layer 0 区块链，与比特币、以太坊、Solana 等 Layer 1 区块链和 Arbitrum、闪电网络、Optimism 等 Layer 2 区块链形成对比。

Layer 0 提供共享的安全性和互操作性。其他属于 Layer 0 类别的著名项目包括 Avalanche 和 Cosmos。其中，波卡是唯一在整个生态系统中提供完全共享安全性的 Layer 0。

Layer 1 是以应用为重点的链。例如，比特币、以太坊、Solana 等主链。

Layer 2 最常指的是 Layer 1 上的可扩展性解决方案，著名的例子包括以太坊的 Arbitrum 和 Optimism，以及比特币的闪电网络。

波卡的核心功能是提供一个安全的、持续的通用计算基础。简而言之，波卡提供了共享安全性和安全的互操作性，能够支持多个并行运行的可互操作区块链。术语 「Layer 0」 是指 Polkadot 主链（中继链）将自身能力有意地限制为 「为第 1 层链提供安全性和最终性」，而 Layer 1 链则托管智能合约应用程序等。我曾听人形容波卡就像一个巨大的购物中心，为不同的商铺提供空间和安全保障。商铺彼此靠近，在同一建筑内可以轻松交流。

一个常见的误解是波卡能够直接连接像比特币和以太坊这样的多个网络，这不太准确。波卡通过使用可以在平行链上构建的桥实现互操作性。波卡不是连接独立的区块链网络，而是连接平行链，为它们提供必要的基础设施，使它们能够专注于应用和实用性。

平行链系统可以作为实用程序提供与其他网络的互操作性，并且预计这种互操作性会随着时间的推移而增加。实践中的一个例子是 Moonbeam 网络，这是一种与 EVM 兼容的平行链，支持与以太坊的跨链互操作性，允许其开发人员在 Moonbeam 上构建 Dapp 和 NFT。还有 Snowbridge，这是一个以太坊 - Polkadot 的桥平行链，可以实现两个网络之间的互操作性。

Polkadot 网络以及平行链如何实现互操作性的说明

图片来源：推特

波卡的平行链允许创建智能合约，中继链支持新的区块链（和代币），使得区块链之间能够交换信息。值得注意的是，Polkadot 无需硬分叉即可升级，并且该协议由持有 Polkadot 原生加密货币 DOT 的人进行管理。波卡升级到波卡 2.0 可能会在中继链上引入智能合约功能。

波卡是由 Web3 基金会发起的项目，Web3 基金会是一家总部位于瑞士加密谷（Zug）的非营利组织。Web3 基金会委托总部位于英国的 Parity Technologies 开发并维护波卡网络的初始实现，该网络现由波卡的链上治理系统维护。

Gavin Wood 博士是 Web3 基金会和 Parity Technologies 的联合创始人，并且目前仍然是波卡的首席架构师，与数百名开发者一起工作。波卡是使用 Substrate 构建的，这是 Parity Technologies 开发的区块链构建工具。

波卡无疑是现存的技术最先进的区块链之一。在 Coin Bureau，我们通常尽力以通俗易懂的方式解释区块链和加密货币，这是为读者提炼出复杂的区块链堆栈的又一次尝试。

波卡的白皮书将波卡网络称为可扩展的异构多链。比特币和以太坊等 Layer 1 区块链设计在单一层上执行所有区块链功能。这些功能大致分为三个类别：

1. 数据可检索性：区块链网络维护一个分布式账本，存储所有交易或数据条目的记录。数据可检索性是指该分类账应该可供网络中的所有参与者访问。在公链中，任何人都可以加入网络，下载整个区块链的副本，并验证交易。这确保了系统的透明性和信任，因为参与者可以独立验证数据的存在和完整性。

    

2. 共识：共识机制是使区块链参与者能够就交易的有效性和交易添加到区块链的顺序达成一致的协议。共识对于防止双花和维护区块链的完整性至关重要。常见的共识机制包括工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）等，这些机制在参与者之间达成一致的方式上有所不同。

    

3. 执行：执行是指在区块链上验证和执行智能合约或交易的过程。智能合约是自执行的合约，合同条款直接写入代码。当智能合约中指定的条件得到满足时，代码会自动执行合约的条款，无需中介。智能合约的执行是许多区块链平台（如以太坊）的关键功能。

这三个功能协同工作，创建了一个安全的、去中心化的、抗篡改的系统，在该系统中，数据可以可靠地记录，交易可以达成一致，智能合约可以自动执行。像以太坊这样的传统区块链网络使用单一的全局区块链网络来处理所有三个核心任务，这是其可扩展性问题的根源，因为网络节点可能因自行处理所有流程而过度劳累。

波卡是一个异构多链，它将这些功能抽象为两个独立的层，即中继链和平行链：

平行链是在波卡网络中并行运行的几个 Layer 1 网络。智能合约或交易的执行也由各个平行链处理。每个平行链可以有自己的一套规则、逻辑和执行环境，使平行链层面具有灵活性和创新性。平行链可以实现自己的共识机制和执行环境，如与以太坊兼容的执行环境来执行智能合约。与以太坊 Layer 1 不同，平行链没有共识的负担，使它们能够实现所需的可扩展性。所有平行链与波卡主网（中继链）共享必要的区块数据，以实现共识并继承其安全性和最终确定性。

中继链构成了波卡网络的基础。它负责在平行链之间达成共识，并确保整个网络的安全性和有效性。Polkadot 使用一种名为提名权益证明 (NPoS) 的独特共识机制来实现这一共识。中继链上的验证人负责生成区块并通过质押 DOT 代币来保障网络安全。

各个平行链的数据可用性主要由平行链本身负责。每个平行链都有自己的一组验证人，并维护自己的数据和状态。中继链通过协调网络和提供安全性间接地帮助确保数据可用性，但每个平行链的具体数据可用性是在该平行链的网络内管理的。

波卡架构图解

图片来源：substrate.stackexchange

波卡网络包含以下三个角色：

验证人是指参与中继链共识过程、确保波卡网络安全（包括平行链）的中继链的完整节点。需要注意的是，平行链只关注执行，并依赖中继链达成共识和最终确定性，这些是在验证人的帮助下实现的。

每个平行链都有一个验证人子组。这些子组接受平行链区块，并进行必要的有效性检查，以确保区块是根据平行链的共识规则构建的。一旦所有新的平行链区块都经过正确验证，验证人便将它们包含在中继链区块。现在，验证人需要验证中继链区块本身；他们通过处理中继链的所有交易并在区块中包含最终的平行链变更来完成这一工作。

成为验证人所需的 DOT 数量取决于网络参与度，并可能随时间而变化。这不仅取决于每个验证人背后投入的质押量，还取决于活跃验证人集的大小以及池中等待的验证人数量。此外，验证人列表每个时代（era，即每 24 小时）都会变化。

Polkadot.js 上显示验证人的质押仪表板

图片来源：Js.org

波卡起初开放了 20 个验证人位子，并逐渐增加。验证人数量的最终上限尚未确定，仅应受到点对点消息传递导致的网络带宽压力的限制，但波卡的最终目标是在其网络上拥有 1000 个验证交易的验证人。

当中继链上的验证人生成包含平行链交易的新区块时，20% 的区块奖励按照他们积累的 「时代分数」 分配给验证人。验证人负责一些用于网络维护的基础设施任务。他们执行的任务越多，获得的时代分数就越多。

提名人是网络参与者，他们将自己的 DOT 委托给验证人，以参与波卡共识。除了投入风险资本以表明他们信任某个验证人诚实地传播波卡网络外，他们没有其他额外角色。

验证人和提名者之间关系的示意图

图片来源：波卡

收集人通过构建平行链区块来协助验证人进行共识。收集人维护特定平行链的全节点和中继链的全节点。作为平行链全节点，它们保留构建平行链区块所需的所有信息，如交易数据、签名和状态转换。他们整理和执行平行链交易来创建平行链区块。他们向负责提议平行链区块的一个或多个验证者提供这些区块以及平行链交易有效性的零知识证明。

收集人在波卡网络中的位置示意图

图片来源：波卡 Wiki

波卡的中继链采用一种新颖的提名权益证明（NPoS）共识过程来保护其区块，旨在优化网络安全和效率。它的工作原理如下：

1. 角色：NPoS 涉及两个主要角色：

    

   a.验证人：负责验证交易和维护区块链。

   b.提名人：通过支持值得信赖的验证人并抵押代币，帮助保护网络。

    

2. 提名验证人：代币持有者可以提名他们信任的验证人。这个过程涉及抵押波卡的原生代币 DOT。

    

3. 验证人选举：有一个选举机制，从提名人池中选出验证人。这个过程考虑每个验证人背后质押的金额，以确保网络平衡和安全。

    

4. 质押奖励和风险：验证人和提名人都会根据他们质押的金额获得质押奖励。然而，他们也共同承担风险；任何验证人的恶意行为都可能导致削减（Slash），即抵押的 DOT 的一部分将会丢失。

    

5. 安全性和效率：NPoS 旨在最大化保护网络的质押金额，提高其安全性。由于经济利益的关系，验证人被激励以高效和诚实的方式行事。

总之，波卡的 NPoS 是一个复杂的共识模型，它协调了各种网络参与者的激励措施，以维护一个安全、高效和去中心化的生态系统。

在波卡生态系统中，XCM 代表跨共识消息传递。这是一个为波卡和 Kusama 网络内外的不同区块链（平行链）之间的通信设计的协议。XCM 使这些不同的区块链能够彼此发送消息，尽管它们可能具有不同的共识机制或状态转换功能。下面详细介绍一下 XCM 如何促进跨链通信：

1. 协议设计：XCM 是消息语言和格式。它被设计得尽可能通用和抽象，以适应广泛的潜在用例和区块链设计。

    

2. 消息发送和接收：一个平行链可以向另一个平行链发送 XCM 消息，而这些消息不需要存储在中继链上。

    

3. 跨共识兼容性：XCM 被设计为跨不同共识系统兼容。这意味着使用一种共识机制的区块链可以与使用不同机制的另一个区块链进行通信。

    

4. 使用案例：XCM 的用途多种多样，可以包括在平行链之间转移代币、对另一个平行链上的智能合约发起调用，或任何其他可能需要在多链环境中通信的信息或指令。

    

5. 去中心化和安全性：XCM 利用波卡的共享安全模型。这确保跨链通信和单个平行链的内部操作一样安全。

总之，波卡中的 XCM 是一个强大的工具，能够以安全、高效和去中心化的方式实现不同区块链之间的互操作功能，这是波卡理念的基石。XCMP 是传递 XCM 消息的传输层。它提供了传输方法和安全路线，但不提供约束协议的框架。

在波卡中，使用 XCM 格式的跨链消息涉及多个步骤。以下是详细分解：

1. 消息创建：平行链上的用户或应用程序发起跨链操作，创建一个 XCM 消息。这个消息被格式化，以便在具有不同共识机制和状态转换函数的不同平行链之间被普遍理解。

    

2. 提交到本地平行链：XCM 消息首先被提交到本地平行链。在这里，它根据平行链的规则进行处理，并准备传输到另一个平行链。

    

3. 中继链的参与：本地平行链将 XCM 消息转发到波卡中继链。中继链在波卡架构中扮演着核心角色，连接所有平行链并促进它们之间的通信。

    

4. 消息路由：然后，中继链将消息路由到目标平行链。这个路由基于 XCM 消息中包含的信息，它指定了目标平行链和预期操作。

    

5. 目标平行链接收：目标平行链从中继链接收 XCM 消息。它根据自己的逻辑解释消息并执行请求的操作。

    

6. 执行和响应：目标平行链执行 XCM 消息中请求的操作。这可能涉及代币转移、智能合约执行或其他区块链操作。

    

7. 反馈循环（如果适用）：根据跨链操作的性质，目标平行链可能会生成响应或确认，并使用相同的 XCM 协议将其发送回原始平行链。

    

8. 最终确定：操作完成，并在来源平行链和目标平行链上最终确定所有更改。

在整个过程中，波卡的安全性和共识机制确保跨链通信安全可靠。XCM 协议的设计作为一个通用和抽象的消息格式，允许在波卡生态系统内进行各种跨链互动。

以太坊网络是完全无需许可的，这意味着只要遵循以太坊协议的共识过程，任何人都可以在网络上进行任何操作。因此，开发人员可以完全自主地在以太坊主网上部署他们想要的任何智能合约，包括智能合约 rollups。

波卡网络的工作原理略有不同。该项目的最初愿景只是希望让高质量且开发效率高的平行链连接到中继链，并从其安全性中受益。因此，波卡引入了插槽拍卖，以调控波卡上平行链的数量。以下是波卡 2.0 升级之前拍卖的工作方式。

1. 目的：插槽拍卖用于确定哪些平行链将连接到波卡中继链。连接到中继链使平行链能够从波卡的共享安全性和互操作性特征中受益。

    

2. 平行链插槽：中继链上可供平行链连接的可用位置。每个插槽都有一个有限的持续时间，通常从几个月到几年不等。

    

3. 拍卖过程：

    

1. 蜡烛拍卖形式：波卡使用蜡烛拍卖的一个版本，这是一种历史上用于卖船的机制。拍卖的结束是在拍卖结束后追溯性确定的，因此很难通过最后一刻的出价来欺骗系统。

2. 竞标：项目通过锁定 DOT 代币来出价竞标插槽。锁定的 DOT 数量和租赁期限是竞标过程中的因素。

3. 随机结束：拍卖的确切结束时间对参与者来说是未知的，这阻止了最后一刻出价策略。

    

4. 赢得拍卖：

    

1. 确定获胜者：获胜者是在拍卖随机选定的结束点出价最高的项目。

2. 租赁插槽：获胜的项目可以在其投标的时间段内租赁平行链插槽。在此期间，他们的平行链将连接到中继链。

    

5. 锁定 DOT：在拍卖中出价的 DOT 代币在插槽租赁期间被锁定。它们没有被花掉，而是作为一种保证金，确保平行链在中继链上的位置。

    

6. Crowdloan：

    

1. 为了筹集足够的 DOT 进行竞标，项目通常使用 Crowdloan，即从社区中筹集 DOT。

2. 如果竞标成功，Crowdloan 的贡献者可能会从项目中获得奖励，如代币或项目份额。

    

7. 租赁结束：一旦租赁期结束，平行链插槽将再次拍卖，而锁定的 DOT 将归还给项目或其 Crowdloan 贡献者。

插槽拍卖是波卡治理和经济模型的基本组成部分，确保在网络中分配有限资源（平行链插槽）的过程公平透明。