導語：在上一篇文章中分析了Substrate框架的起源以及和ETH、IPFS的關係。本文將深度揭曉Substrate框架與跨鏈網絡Polkadot之間的技術架構，探尋爲何Polkadot被稱爲“跨鏈之王”的原因，並解析跨鏈通信和分佈式技術對於未來應用的重要性。
區塊鏈技術已經進入下一階段，由前以太坊CTO率領團隊開發的Substrate框架，允許開發者打造自己的區塊鏈，“一鍵發鏈”不再是夢想。基於該框架的Polkadot區塊鏈網絡成爲最受期待的跨鏈解決方案，Polkadot又被稱爲天王級項目。在互聯網科技的新一輪變革悄然開始的背景下，Substrate和Polkadot到底是什麼，其技術架構是否真的逆天？它們爲何出現又到底解決了哪些問題？與IPFS技術的集成又將讓區塊鏈技術如何演進？
從以太坊出走再創奇蹟
說起以太坊，很多人都會想到V神(Vitalik Buterin)。實際上，有一位纔是以太坊的靈魂人物——Gavin Wood（蓋文·伍德），是一名計算機科學博士，是現實世界中隱藏的大神。他和V神一起聯合創辦了以太坊項目，並擔任CTO技術總監。Gavin Wood發明了Solidity語言，用於編寫智能合約，這也是以太坊和比特幣的最大不同點，智能合約的引入讓太坊徹底爆發。
圖：Gavin Wood在Github上有一萬三千個關注者
離開以太坊，Gavin Wood帶着Jutta Steiner博士（擔任安全和審計總監）等夥伴共同創立了Parity Tech。他們開發了Substrate項目，一個強大的區塊鏈跨鏈開發框架，目的是幫助開發者使用下一代技術打造自己的區塊鏈。
現有區塊鏈技術遇到的關鍵問題
包括現有的三個主要的區塊鏈系統：比特幣、以太坊、EOS等，每個區塊鏈項目、用戶、礦工、DApp等形成了獨立的生態王國，彼此是割裂的。從某種意義上，它們違背了區塊鏈去中心化的承諾，將互聯網變得更加地封閉且孤立的形態，嚴重製約了區塊鏈技術的發展。
當前區塊鏈技術堆棧中的五個關鍵的問題：首先是可擴展性不足，缺乏互操作性和可開發性，DApp去中心化應用的開發受限，難以大規模應用。其次治理犧牲了大部分人的利益，算力壟斷和超級節點的權益壟斷，大部分分散的用戶/礦工的利益實際被摒棄。最後是區塊鏈網絡之間的孤立，且從一開始直到現在長久存在。
跨鏈打通區塊鏈價值交換通道
所謂跨鏈（Cross Chain）就是在不同的區塊鏈網絡進行價值交換的技術。爲什麼說區塊鏈網絡之間的互通如此重要？因爲它能打破現有網絡的孤立，建立多個網絡的鏈上資產交換。跨鏈就像是鑿開巴拿馬運河讓兩個陌生的海域迅速連通融合。
在許多方面，區塊鏈的互操作性和可擴展性的挑戰是相互關聯，跨鏈讓兩個區塊鏈網絡先後與作用，各平臺實現互操作性，並提升總的吞吐量來增強可擴展性。
看似美好，但跨鏈解決方案也有技術難點：
第一：如何保證跨鏈交易的原子性？
第二：如何確認另一條鏈的交易？
第三：跨鏈交易，如何保持總資產的不變量？
第四：如何保證兩個鏈的網絡安全？
第五：如何實現多鏈之間的跨鏈互連？
爲了解決上述技術難題，區塊鏈行業出現了許多解決方案。
1.交易原子性
HTLC（哈希時間鎖合同）是原子交換協議的一種實現，它通過哈希鎖定和時間鎖定機制保證事務的原子性。
2.交易確認
區塊鏈是封閉的、獨立的，沒有直接的溝通渠道。跨鏈交易如何確認發送鏈的交易確實發生並得到確認？答案是“中間人”，通過“中間人”的角色來交換信息，“中間人”可以是一個節點或一個組，可以是一個集中組織，也可以是一個分佈式組。現有解決方案主要包括以下內容：公證模式、中繼模式、側鏈模式。
▶公證模式：公證模式的“中間人”不僅收集數據，還確認和驗證交易。根據驗證事務的方式，它還可以分爲以下類型：集中公證方案，多信號公證方案和分佈式簽名公證方案。
▶中繼模式：中繼模式的“中間人”僅充當數據收集器並將收集的數據轉發到目標鏈。目標鏈基於收集的數據驗證交易。驗證方法根據系統結構而有所不同，例如依賴SPV認證，或依賴驗證節點的簽名數量等。中繼模式是一種相對分散且鬆散耦合的方式，它具有更高的可擴展性。中繼模式有許多跨鏈實現方案，如Cosmos Hub、Polkadot（下文將詳細講到）中的Relay鏈、BTC-Relayer中的Relayer等，它們都充當中繼作用。
▶ 側鏈模式：側鏈模式是一種強耦合設計。這兩個鏈通過“中間人”收集彼此的數據，並以某種方式直接將數據嵌入到他們自己的塊或存儲空間中。在跨鏈交易中，交易驗證可以直接通過存儲在其系統中的原始鏈數據來完成。
3.總資產保持不變
爲確保資產總額保持不變，有必要確保資產轉移過程在兩個鏈條上得到準確計算。也就是說，有必要保證：1）跨鏈交易的原子性，無論是否發生。2）跨鏈交易在兩個鏈上都是真實有效的，交易由整個網絡確認，並且fork的可能性很小。因此，在正常情況下，只要解決難度1和難度2，就解決了難度3。
4.獨立安全
在不同的跨鏈實施方案中存在基本的安全性和獨立性考慮因素，一般每個方案都有所並一同。
5.跨鏈互連
這個問題包含兩個潛在的問題：第一，現有的區塊鏈系統如何實現互連和互操作性。第二，如何爲將來開發的區塊鏈的互連做好準備和鋪平道路。
一鍵發鏈的區塊鏈框架Substrate
Substrate是下一代區塊鏈技術框架。Gavin Wood曾說，“In the future, trusting an institution with our interests will be as archaic a concept as reckoning on an abacus is today.”其意義是“在未來，信任一個符合我們利益的機構，將成爲一個古老的概念，就像今天用算盤計算一樣。”如果要打破屏障，除舊佈新，建立跨鏈通信，強大的技術框架設計必不可少。
Substrate主要的技術特點如下：
●爲企業創建完美的自定義區塊鏈
○創建具有嚴格隱私級別的區塊鏈
○輕客戶端（Light Client）優先的設計，適用於移動應用和物聯網
○網絡幾乎不分叉，可升級
其中，Light Client（輕客戶端）允許以分散的方式訪問區塊鏈，並與網絡進行交互而無需同步完整的區塊鏈。其目的是簡化交易驗證，即不必下載每筆交易和每個塊，只需下載區塊頭等數據，如前一個區塊頭的hash值、時間戳、證明隨機數、根哈希值等。
●以下一代技術爲基礎
○在行業標準的WebAssembly架構上
○高度可擴展的Libp2p網絡
○基於Rust集成快速可靠特性
○支持Javascript二次開發
○用Rust編寫的Wasm WebAssembly解釋器
這裏有一個異常重要的技術：WebAssembly（縮寫爲Wasm）， 是一項由 Mozilla、谷歌、微軟及蘋果聯合開發的項目，可以使用非 JavaScript 編程語言編寫代碼並且能在瀏覽器上運行的技術方案，可以看做是對JavaScript的加強（暫未是替代），彌補JavaScript在執行效率上的缺陷。其通過Web執行低級二進制語法，把高級別的語言（C，C++和Rust）編譯爲WebAssembly，以便有機會在瀏覽器中運行。其特點是幾何級的性能提升、快速靈活、可移植。2015年，四大瀏覽器廠商（Chrome, Firefox, Edge, Safari）全部默認支持WebAssembly，這種技術隨後在前端高性能開發領域中大放異彩。
●安全和擴展性的突破
○WebAssembly智能合
○多級權限
○交易和狀態雙重加密
○限制異步調用選項
○帳戶級鎖定
○治理工具和方法（如投票系統）
●技術組件概覽
網絡 Libp2p
共識算法 混合PBFT / Aurand
隨機信標 Collective coin flipping
驗證算法 Edwards-Curve Ed25519
哈希算法 Blake2b
地址格式 Versioned Base-58 + Blake2b校驗
其中，Substrate有一個異常強大的算法——Blake2b哈希算法。它有什麼優勢？以前如比特幣等加密數字貨幣大多采用SHA-1哈希函數來作爲運行算法，但是這一算法被密碼學研究專家發現存在安全問題，所以之後加密貨幣逐漸開始使用blake2b算法來代替SHA-1算法。
BLAKE2 哈希算法速度對比
Blake2b被認爲是目前安全係數最高的哈希函數。該算法從2012年發佈，之後OpenSSL、WhatsApp 和 FreeBSD 的包管理器均在使用 BLAKE2哈希算法。
Polkadot：跨鏈之王
開源的Substrate本身是一個框架和平臺，人人均可用。爲了更好地支撐起區塊鏈網絡之間的連通，建設一個新的區塊鏈網絡就有必要了。Polkadot是一種旨在解決上述問題的跨鏈解決方案。它使用上文提到過的典型的跨鏈技術，即中繼技術。Polkadot是Gavin Wood帶領團隊基於Substrate框架開發的。
在Polkadot的架構中，組建技術主要分爲平行鏈、中繼鏈、轉接橋。
平行鏈：基於應用的定製鏈
平行鏈（Parachains）是平行於波卡網絡的區塊鏈，每個平行鏈都可以根據不同的業務需求獨立設計自己的架構。平項鍊也會用來併發交易提高擴展性，其通過連接中繼鏈保證其安全。
中繼鏈：連接並驗證平行鏈
中繼鏈（Relay chain）可以連接波卡網絡和平行鏈，並確保兩者之前的通信安全， 通信可以是交易或者任意形式的數據。
轉接橋：連接異構的外部鏈
轉接橋（Bridges）是一種特殊的平行鏈，它允許波卡網絡不通過中繼鏈的安全驗證而是使用外部鏈條自身的安全機制，與外部獨立的區塊鏈交流通信，例如 BTC、 ETH。
平行鏈可以看做是 Polkadot 網絡中高擴展的解決方案，平行鏈沒有確認區塊的能力，需要藉助中繼鏈驗證。中繼鏈作爲信任代理，參與 polkadot 網絡和平行鏈之間的通信，確保通信安全，也能實現風險隔離。轉接橋是服務於其他擁有獨立安全驗證機制的外部區塊鏈網絡，這些鏈條擁有自己的共識和出塊機制，例如 BTC 或 ETH 網絡，通過轉接橋直接與 polkadot 網絡通信。
此外，Polkadot定義了協議運行所必須的幾種角色：
1.驗證者(Validator)：驗證以及最終化平行鏈候選區塊，將其加入中繼鏈的區塊中，並接受代幣獎勵;
2.收集者(Collators)：收集平行鏈交易，放入有效性證明的候選區塊中，並收取交易手續費;
3.釣魚人(Fishermen)：是充當監察員角色，在網絡中釣魚各種不當行爲，並且收取各種惡意操作者保證金的一部分作爲獎勵;
4.提名者(nominator)：擁有投票權，提名誰成爲驗證者，保證驗證者的安全性。
Polkadot是一個網絡協議，能夠傳遞任何 數據(不只限於代幣)到所有區塊鏈。這意味着它是一個真正的多鏈應用環境，使跨鏈註冊和跨鏈計算等類似操作成爲可能。Polkadot能傳遞數據到公共、開放、公開的區塊鏈和私有或聯盟鏈。使得構建從私有鏈獲得許可數據並在公有鏈上使用的應用程序成爲可能。
在Polkadot中，其中的Parachain（平行鏈）是關鍵的組建技術，它指的是使用鏈中繼來實現區塊鏈間的交互。Polkadot具有共享安全性，避免其它跨鏈中的雙花交易。平行鏈還具有通用性，它沒有不必要限制和約束。在這裏，由於平行鏈的作用，區塊鏈之間的就好比有了一個互聯網。
平行鏈Parachain的出現，被視爲下一代區塊鏈技術演進的方向。
Polkadot + IPFS = 無限的可能
俄國著名數學家馬爾科夫有一句名言:“任何一個進步的體系,也都是開放的。”世界上沒有孤立的技術，也沒有孤立的工程師。不然，就會喪失其發展的可能性。
Polkadot之所以在衆多解決方案中，成爲跨鏈之王，很大程度上和它的開放性分不開。其基礎的Substrate框架開源，在底層也應用到了下一代互聯網的協議——IPFS，星際文件系統是面向去中心網絡的、點對點的、分佈式超媒體傳輸協議。Polkadot網絡（及Substrate框架）使用IPFS底層核心Libp2p協議。
Libp2p是一個模塊化的p2p協議堆棧，定位爲未來去中心應用程序的標準，一種靈活的跨平臺網絡框架，用於點對點應用程序。可以處理Polkadot生態系統中的對等方的發現和通信。現在多個網絡都採用了Libp2p技術。如EOS、以太坊2.0（進行中）、Substrate（Polkadot）、Agoric、Filecoin（IPFS激勵層）。
對於科技發展而言，始終不能脫離具體的應用場景孤立地談技術。在IPFS應用檢索層中，IPSE網絡可集成應用Polkadot的Parachain平行鏈技術。IPSE主鏈基於DPos負責價值結算，而平行鏈主要負責價值交易。在平行鏈間所有交易可以立即執行，不用擔心產生衝突。
好比現在有10條平行鏈，可以獲得相同的安全，並能執行10倍的工作任務。IPSE是基於IPFS的搜索引擎，Filecoin是存儲層也是官方激勵層。IPSE主要負責搜索，而Filecoin負責存儲。兩者的底層的存儲依賴於IPFS星際文件系統。平行鏈引入，可讓IPSE在和Filecoin的數據存儲和事務操作上獲取最高效的方案。
Polkadot開發的願景是爲互操作性，安全性，可擴展性和創新提供最強大的平臺。根據官方的路線圖，該網絡將增加到大約100條平行鏈。IPFS作爲點對點的分佈式超媒體傳輸協議，其構建的Filecoin去中心化分佈式存儲網絡，預計將由全球的分佈式節點組成，其主網也將在Q2/Q3上線。兩者代表着跨鏈技術和點對點分佈式技術的最高峯，或許在將改變現有的區塊鏈技術和應用。
參考資料：
[2]Polkadot：A scalable, interoperable & secure network protocol for the next web
[3]Medium：Cross-chain Technology and Polkadot，by LongHash-Dot
[4]Polkadot Lightpaper：A scalable, interoperable & secure network protocol for the next web
[5]IPSE：A Distributed Search Engine Based on IPFS
[6]Filecoin：A Decentralized Storage Network
[7]Polkaworld：Polkadot裏的中繼鏈、平行鏈、橋是什麼？