波卡(Polkadot)研究报告

波卡背景

Web3基金会

Web3基金会是由Gavin 博士于于瑞士建立的基金会, 用于开发、部署和维护Web3.0, Web3基金会的资源丰富，它们通过资助优质项目实现资源的管理和利用，其中主要是资助构建去中心化网络基础设施的研究开发团队，主要集中Web3.0技术栈中，去中心化软件协议领域的技术研发和应用，这些资助对Web3.0生态系统产生了长期的积极影响。 目前Web3基金会已经资助了分布在20多个国家的共100多个项目，资助的这些项目都基于波卡substrate建立，经济模型设计也大多类似于波卡网络，可支持链上升级。

波卡的技术特点

异构分片区块链

所谓的异构，其实就是不同区块链的「联合」。相比之下，以太坊的分片是同构的，都是以太坊区块链的一部分。在波卡中，有一条中心链，它连接了所有的区块链，也就是「中继链」。而连接到「中继链」的则是平行链, 平行链是在波卡生态（Polkadot 和 Kusama 网络）中并行运行的各类单独的 Layer1 区块链。Layer1 区块链应用场景非常多, 目前包括：

• – DeFi
• – 游戏
• – 数字钱包
• – 凭证
• – 身份验证
• – Oracles 喂价
• – 智能合约
• – 物联网

这种中继链 + 平行链的架构是Polkadot可以获得可扩展性的原因，多条链可以并行处理交易，而不用在一条道路上排队等候处理。如此一来，相对于当前的以太坊， Polkadot可以有更高吞吐量，更快的速度以及更低的费用。当Polkadot 有了平行链之后，速度将扩展到每秒 10 万至 100 万笔交易。Polkadot 的跨链可组合性允许任何类型的数据或资产在平行链之间发送，从而允许更多新的用例和应用程序的出现。平行链还可以使用跨网络桥连接到比特币和以太坊等外部网络。Polkadot 被设计成一个 Layer0 的多链网络，这意味着中继链为目前多达几百个以平行炼形式连接到 Polkadot 的 Layer1 区块链提供来自 Layer0 中继链的安全和互操作性。

Substrate 区块链框架

Substrate 是一个创建加密货币和其他去中心化系统的区块链框架, 包含各种工具、各种支持的基础架构，是一种区块链编程框架，专门为构建区块链而设计。Substrate是 Polkadot 项目的重要组成部分, 目前而言每个创建新区块链的团队都需要从头开始实现所有网络和共识代码, 还需要密码学家、安全研究人员、网络工程师、开发人员等人才, 但使用Substrate 构建新项目时, 只需开发少量代码, 然后推出, 减少大量成本。其次使用Substrate开发后能够在项目发布后立即开始在 Polkadot 上运行, 从而可以利用 Polkadot 提供的共享安全性和互操作性, 当出现漏洞时, 由于Polkadot亦是由Substrate 构建, 因此能获得快速反馈。

目前而言Polkadot 生态系统中的大部分区块链是建立在 Substrate 上, Substrate 有一个 Wasm 智能合约平台, 因此可以使用任何兼容的语言构建智能合约。 使用Substrate作框架开发dApp能减低大量开发成本,而且兼容智能合约, 并且能在Polkadot生态上运行, 安全性共同分享, 当Polkadot生态愈大时, 使用Substrate作为开发的吸引力愈强烈。

共识机制

Polkadot的共识机制是 NPOS （提名权益证明）它混合了BABE和GRANDPA。在传统的PoW机制中，人们通过工作量证明来获得记账权，而PoS机制中，人们需要质押代币，质押者也是验证者，利益相关者，他们需要验证平行链的状态转换证明，需要根据这些证明的有效性生产中继区块。

BABE（Blind Assignment for Blockchain Extension）是运行在验证节点之间的区块生产机制，它确定新区块的生成者。在某种程度上，BABE可以跟Ouroboros Praos对比，不过在链选择规则和插槽时间调整上存在较大差异。BABE会根据质押代币量以及波卡随机周期为验证者分配生产区块的插槽。

GRANDPA（GHOST-based Recursive ANcestor Deriving Prefix Agreement）是波卡的“最终性工具”，服务于波卡的中继链。只要2/3的节点是诚实的，且在异步设置中可以处理1/5的拜占庭节点，它在部分同步的网络中就可以正常运作。GRANDPA在链上达成共识（相对于区块上），这里有利于其更快达成最终性，即便是面临长期的网络分区或其他网络故障情况。

验证者通过质押DOT代币来维持中继链的安全，他们验证来自Collator的证明，也与其他的验证者达成共识。为了防止验证者的合谋，基于验证者质押的DOT代币数量，他们是被随机选择出来的。如果他们如实报告所分配的平行链的状态变化，他们会获得DOT奖励；如果他们不诚实（被其他节点检查发现），他们的质押代币会被消减。

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