解析平行链：实现过程、技术难点、未来发展方向等

• 平行链是如何从研究论文，变成代码实现的？
• 平行线程、嵌套中继链等，未来将如何发展？
• 平行链可扩展性的极限在哪里？

在 2021 Polkadot Decoded 的圆桌讨论 “解析平行链：谁做了平行链？平行链是什么？为什么要有平行链？” 中，研究员 Jeff、代码实现者 Rob 和主持人 Joe 一起讨论了一些对于平行链发展很重要的问题。PolkaWorld 在本文中总结了该圆桌主要内容。

Jeff： Jeff Burdges，W3F 密码学研究员，做了很多平行链开发方面的研究

Rob： Robert Habermeier，波卡联合创始人/Parity 核心开发者，带领实现团队让平行链能够在实际中运行起来

Joe： Joe Petrowski，W3F 技术集成负责人，本场圆桌主持人

Joe：大约一年半以前，Jeff 带领着一个团队发表了一篇关于可用性和有效性的论文。在实现时，这个方案已经改变了很多。Jeff，你可以简单谈一谈这篇论文的想法是如何产生的吗？

Jeff： 我们从以太坊生态那里获得了一些想法，比如使用纠删码的想法。但是围绕这些想法的一些具体的东西，比如如何优化分片，都没有正式确定下来。

在 2019 年末，我们决定要把这些想法正式化，提出更精确的方法。一般来说，我们设计复杂协议的方式是，我会写下所有可能的设计选项，然后用排除法。

在 2020 年初，我写下了这个设计，并且和大家讨论，我们注意到了一些问题，我想出了一个叫 “Two-phase inclusion” 的技巧。也就是说在真正开始之前，平行链中继链必须知道一个区块，验证人必须说这个区块是有效的。

之后我们开始做纠删码，然后开始做真正的检查它的工作。这样做的好处之一是，因为有人在这个过程中投入了很多切身利益，从而会限制其可以尝试的次数。从而做到如果你要攻击它，那么你也会毁掉你自己。它不是加密学安全性，而是分布式系统安全性，但是是合理的。

Joe： 对于不熟悉分片的人来说刚刚说的可能有点抽象。其实就是，我们有一千个验证人，当你想要包含这些平行链区块中的一个时，你其实需要把数据块发给所有验证人，涉及到费用、复杂性、网络、存储等，让所有人都得处理这个消息，所以你想要真正确保这些消息是有效消息，而且是有理由的。

Jeff： 是的。纠删码其实挺老了，有不同类型的纠删码。不过一般来说当如果你用密码学的话，一般是使用一些基于拉格朗日插值法或者里德-所罗门码之类的。原因是它的阈值很陡峭，所以我们可以从任何三分之一的碎片，来恢复全貌。

那我们怎么做呢？我们有平行链区块，叫做候选区块，我们有 3f+1 个验证人。那么我们把这些东西纠删码为 3f+1 个碎片，你只要有了任何的 f+1 个碎片，就可以重构原始区块。也就是说只要比 1/3 多一点点的碎片，你就可以重构原始区块。

这是一种很古老的数学方法，实际上是让我们的速度更快。根据我们目前的验证人数量，我们必须找到一些比较新的论文，来进行优化。这就是我们今年做的事 —— 去大大优化纠删码。我们让它的运行速度快了 400 倍，渐进地看其实更快。从 O(N²) 算法到了 O(log n) 算法。这让计算变得没有那么的有负担。之后我们可能还会做得更好。这是我们最近的一个突破，当然了如果我们能在更早就解决的话就好了哈哈哈。

Joe：把这些研究变成代码，其实也是很大的挑战。我们去年年中上线了 Rococo 测试网，Rob 可以谈谈这个协议的实现早期遇到的一些挑战吗？

Rob： 我记得第一次跟平行链相关的代码提交是在 2018 年下半年，2019 年中有了我们所说的 V0 协议的初稿，在最初的几年中，我们更多地投入在 BABE、GRANDPA 共识上，也就是出块和区块确认方面，那时候其实还没有真的深入研究平行链的东西，因为平行链的部分更复杂，需要更多的开发时间。

从 2019 年中后期到 2020 年初左右，事情有了很大的进展，就像刚刚 Jeff 提到的，研究团队开始真正把协议确定下来了，像是可用性确保了平行链区块仍然存在，以便其他人可以检查它们，来进行额外的检查，从而确保安全性。

我觉得实现所有的这些研究其实非常困难。如果你在构建任何类型的系统，那么你每向系统添加一点额外的复杂性，那么创建该系统所需的时间就会指数级增加。这个规则也同样适用于代码，因为一旦你达到了一定的代码量，其实真的很难再添加更多的东西，因为新的东西一定会扰乱、破坏之前做好的一些东西。

所以说有一个好的设计和规划是很重要的，在我们迭代协议的时候，我们肯定会来来回回做一些研究。但是 2020 年的时候，我们把精力放在了《实现者指南》上，在那里面进行迭代，而不是在代码里。我可以和 Jeff 和 Al（Alistair） 通话，来讨论论文草案里的内容，然后写一个页面来说明 “我们会这样写代码”，而不是直接就去写代码，我们用这种方法节省了几周的时间，之后我可以把这些写代码的工作分配给很多个开发者。

所以我觉得在建设这样的系统的时候，有一个很好的计划很重要。还有就是有一个模块化的系统，这样的话你可以添加一个独立部分的代码，你可以把这些代码整理成小的包，而不是一整个系统，因为一个人很难搞定一整个庞杂的系统。

Joe：说到目前的阶段。现在 Kusama 已经上线了 Shell 空白链，Rococo 上已经有了 12 条平行链，但是 Kusama 的出块时间在 12 秒左右，我们正在解决这个问题。为了将出块时间提高到 6 秒，并且在 Kusama 上上线更多的链，短期内我们面临的挑战是什么？

Rob： 我觉得这一切本质上说都归结到网络。Kusama 有 900 个验证人，这些验证人都是一些拥有 KSM 的人，在全球部署了节点来同步链。这件事很酷，这可能是全球最大的验证人集之一。

但是当你向这个网络添加一些复杂性，比如添加平行链的时候，肯定就会增加很多负载。其实我们之前也在 Rococo 上用相同的参数测试过，但是在 Kusama 上的效果却完全不同，因为在 Kusama 上验证人节点在全球各地运行，所以最主要的挑战就是让网络代码尽可能平稳地运行。我们写网络代码的时候，做了很多反作弊的机制，这种东西就是，如果没人捣乱的时候你都注意不到它的存在，但是如果有人作恶，你就会发现这些防御机制非常重要。

Jeff： 没错。当我们添加越来越多的平行链的时候，会出现更多的计算负载，我们会看看到时候会如何发展，我们会如何在这个过程中成长。其实观察这些操作会如何影响网络，也是一个渐进的学习过程。

Joe： 这就是 Kusama 存在的意义，不是吗？

Rob： 没错。随着平行链变多，验证人的负载肯定会变多的。因为验证人要验证一个区块，并且要把自己的币抵押在区块背后，其他的一些验证人就会自我选择去做检查。平行链越多，你要做的计算就会越多，虽然计算量应该比平行链增加的数量慢，这也是为什么这个网络是可扩展的，而不是像其他一些区块链一样不可扩展。但是作为验证人，你可能还是需要在每秒内验证几十个区块。

Joe：我们聊点更实际的吧，聊下接下来一年波卡和 Kusama 的计划吧。我们有一个平行线程的规划，其实现在在 UI 里面已经能看到了，因为链在升级为平行链之前，都是以平行线程的形式注册的。但是之后我们会让平行线程更加的实用，你们可以谈谈平行线程的设计、实现，为了实现它还剩下哪些工作待完成吗？

Rob： 平行线程跟平行链差不多，主要区别在于它被调度的方式不同。我们有一个调度程序，如果你是平行链，那么每个区块都会被安排到；如果你是平行线程，那么你需要进行拍卖，平行线程收集人可以互相竞争，来获得写入区块的的权利。这会带来收集方面的网络改变，当你是平行线程出块人的时候，你需要让验证人知道你有区块要提交。

所以总的来说挑战有三点：调度程序、拍卖、网络方面的改变。

Jeff： 其实当时做平行线程有种设计，但是最后我们选择了有拍卖的这个。因为这个设计可以更好地防止作弊，但是对于平行线程来说，如果它们出于某些原因无法提交区块的话，它们可能会丢失资源。所以我们还得再看看一些经济方面的问题。

Joe：我们说过会把一些核心功能从中继链中释放出来，下放到平行链中，来进一步实现可扩展性，和实现嵌套中继链（Nested relaychain）的想法。你们想谈谈为什么要这样做吗？

Jeff： 其实相比 “嵌套中继链” 的说法，我更愿意称其为 “中继链分片”，因为嵌套中继链听起来像是某一条链是主导地位。

从某种意义上说，中继链的分片比我们现在已经做到的（平行链分片）还要简单一些。不过我觉得可能会在超过 3000 个验证人的时候来做这个事，我想告诉大家现在还不用急着去实现它。在这之前，我们希望能先让中继链的功能尽可能简单，我觉得这样对于开发者来说工作量是最小的。

Rob： 目前来看，Staking 和选举模块和一些治理功能其实是比较重的，会给中继链带来较大的负载。所有中继链上发生的事，中继链验证人都需要去执行。而根据设计，发生在平行链上的事情只需要验证人的子集来处理。所以这就是可扩展性的来源，把每个验证人机器都需要执行的事变得尽可能少。

我觉得安全地去提炼出 Staking 和治理之类的东西其实挺难的。因为波卡有一些故障模式，比如一个机制是在进行争议分析的时候的时候，链可能会被阻止出块。你可能无法进行 Slash 交易，验证人集无法更新交易等。这些都是很棘手的挑战。

不过这个其实也不是很紧急。在这之前，我们应该会优化节点那边，比如如何处理平行链和网络消息，来获得更高的扩展性，和运行更多的平行链。

Jeff： 我觉得我们的目标应该是，虽然这个目标可能无法达到，但是目标应该是达到同等水平，让每条平行链有一个验证人。这个可能无法实现，但是当我们到达这个情况的时候，我们应该知道这个极限的存在，然后朝其他的方向努力。

Joe： 刚刚你说 3000 个验证人，意味着 3000 条平行链。Rob 你作为实现者，怎么评价这个目标？

Rob： （笑）暂时还做不到，这是肯定的。我觉得代码经过一轮优化之后能运行 80-100 条平行链，我就很开心了，而且这对社区来说也绰绰有余了。

Jeff： 是的。最终我们可能会到达一个点，用户耗尽了，我们得开始说服更多的人来使用，所以我猜可能会有很多次这样的爆发。

Rob： 我想是的，我觉得这有点像波卡治理遇到的挑战 —— 拍卖计划的长尾效应是什么？因为在某些时候，如果所有的技术进展顺利，那么我们可能有能力运行更多的平行链，甚至可能超出市场对平行链的需求。但是我们也不希望平行链的资源被一些垃圾项目填满，占用个两年，当然之后社区的发展赶上来了（平行链的位子又会不够用），肯定会有这种来来回回的发展过程。

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