平行鏈研究員和開發者談平行鏈實現過程、技術難點與發展方向_Kusama

波卡聯合創始人RobertHabermeier表示，當前目標是80至100條平行鏈，長期目標是3000條平行鏈。

原文標題：《解析平行鏈：實現過程、技術難點、未來發展方向等》

在2021PolkadotDecoded的圓桌討論「解析平行鏈：誰做了平行鏈？平行鏈是什么？為什么要有平行鏈？」中，研究員Jeff、代碼實現者Rob和主持人Joe一起討論了一些對于平行鏈發展很重要的問題。PolkaWorld在本文中總結了該圓桌主要內容。

Jeff：JeffBurdges，W3F密碼學研究員，做了很多平行鏈開發方面的研究

Rob：RobertHabermeier，波卡聯合創始人/Parity核心開發者，帶領實現團隊讓平行鏈能夠在實際中運行起來

Joe：JoePetrowski，W3F技術集成負責人，本場圓桌主持人

平行鏈是如何從研究論文，變成代碼實現的？

Joe：大約一年半以前，Jeff帶領著一個團隊發表了一篇關于可用性和有效性的論文。在實現時，這個方案已經改變了很多。Jeff，你可以簡單談一談這篇論文的想法是如何產生的嗎？

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Jeff：我們從以太坊生態那里獲得了一些想法，比如使用糾刪碼的想法。但是圍繞這些想法的一些具體的東西，比如如何優化分片，都沒有正式確定下來。

在2019年末，我們決定要把這些想法正式化，提出更精確的方法。一般來說，我們設計復雜協議的方式是，我會寫下所有可能的設計選項，然后用排除法。

在2020年初，我寫下了這個設計，并且和大家討論，我們注意到了一些問題，我想出了一個叫「Two-phaseinclusion」的技巧。也就是說在真正開始之前，平行鏈中繼鏈必須知道一個區塊，驗證人必須說這個區塊是有效的。

之后我們開始做糾刪碼，然后開始做真正的檢查它的工作。這樣做的好處之一是，因為有人在這個過程中投入了很多切身利益，從而會限制其可以嘗試的次數。從而做到如果你要攻擊它，那么你也會毀掉你自己。它不是加密學安全性，而是分布式系統安全性，但是是合理的。

Joe：對于不熟悉分片的人來說剛剛說的可能有點抽象。其實就是，我們有一千個驗證人，當你想要包含這些平行鏈區塊中的一個時，你其實需要把數據塊發給所有驗證人，涉及到費用、復雜性、網絡、存儲等，讓所有人都得處理這個消息，所以你想要真正確保這些消息是有效消息，而且是有理由的。

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Jeff：是的。糾刪碼其實挺老了，有不同類型的糾刪碼。不過一般來說當如果你用密碼學的話，一般是使用一些基于拉格朗日插值法或者里德-所羅門碼之類的。原因是它的閾值很陡峭，所以我們可以從任何三分之一的碎片，來恢復全貌。

那我們怎么做呢？我們有平行鏈區塊，叫做候選區塊，我們有3f+1個驗證人。那么我們把這些東西糾刪碼為3f+1個碎片，你只要有了任何的f+1個碎片，就可以重構原始區塊。也就是說只要比1/3多一點點的碎片，你就可以重構原始區塊。

這是一種很古老的數學方法，實際上是讓我們的速度更快。根據我們目前的驗證人數量，我們必須找到一些比較新的論文，來進行優化。這就是我們今年做的事——去大大優化糾刪碼。我們讓它的運行速度快了400倍，漸進地看其實更快。從O(N2)算法到了O(logn)算法。這讓計算變得沒有那么的有負擔。之后我們可能還會做得更好。這是我們最近的一個突破，當然了如果我們能在更早就解決的話就好了哈哈哈。

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Joe：把這些研究變成代碼，其實也是很大的挑戰。我們去年年中上線了Rococo測試網，Rob可以談談這個協議的實現早期遇到的一些挑戰嗎？

Rob：我記得第一次跟平行鏈相關的代碼提交是在2018年下半年，2019年中有了我們所說的V0協議的初稿，在最初的幾年中，我們更多地投入在BABE、GRANDPA共識上，也就是出塊和區塊確認方面，那時候其實還沒有真的深入研究平行鏈的東西，因為平行鏈的部分更復雜，需要更多的開發時間。

從2019年中后期到2020年初左右，事情有了很大的進展，就像剛剛Jeff提到的，研究團隊開始真正把協議確定下來了，像是可用性確保了平行鏈區塊仍然存在，以便其他人可以檢查它們，來進行額外的檢查，從而確保安全性。

我覺得實現所有的這些研究其實非常困難。如果你在構建任何類型的系統，那么你每向系統添加一點額外的復雜性，那么創建該系統所需的時間就會指數級增加。這個規則也同樣適用于代碼，因為一旦你達到了一定的代碼量，其實真的很難再添加更多的東西，因為新的東西一定會擾亂、破壞之前做好的一些東西。

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所以說有一個好的設計和規劃是很重要的，在我們迭代協議的時候，我們肯定會來來回回做一些研究。但是2020年的時候，我們把精力放在了《實現者指南》上，在那里面進行迭代，而不是在代碼里。我可以和Jeff和Al通話，來討論論文草案里的內容，然后寫一個頁面來說明「我們會這樣寫代碼」，而不是直接就去寫代碼，我們用這種方法節省了幾周的時間，之后我可以把這些寫代碼的工作分配給很多個開發者。

所以我覺得在建設這樣的系統的時候，有一個很好的計劃很重要。還有就是有一個模塊化的系統，這樣的話你可以添加一個獨立部分的代碼，你可以把這些代碼整理成小的包，而不是一整個系統，因為一個人很難搞定一整個龐雜的系統。

平行線程、嵌套中繼鏈等，未來將如何發展？

Joe：說到目前的階段。現在Kusama已經上線了Shell空白鏈，Rococo上已經有了12條平行鏈，但是Kusama的出塊時間在12秒左右，我們正在解決這個問題。為了將出塊時間提高到6秒，并且在Kusama上上線更多的鏈，短期內我們面臨的挑戰是什么？

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Rob：我覺得這一切本質上說都歸結到網絡。Kusama有900個驗證人，這些驗證人都是一些擁有KSM的人，在全球部署了節點來同步鏈。這件事很酷，這可能是全球最大的驗證人集之一。

但是當你向這個網絡添加一些復雜性，比如添加平行鏈的時候，肯定就會增加很多負載。其實我們之前也在Rococo上用相同的參數測試過，但是在Kusama上的效果卻完全不同，因為在Kusama上驗證人節點在全球各地運行，所以最主要的挑戰就是讓網絡代碼盡可能平穩地運行。我們寫網絡代碼的時候，做了很多反作弊的機制，這種東西就是，如果沒人搗亂的時候你都注意不到它的存在，但是如果有人作惡，你就會發現這些防御機制非常重要。

Jeff：沒錯。當我們添加越來越多的平行鏈的時候，會出現更多的計算負載，我們會看看到時候會如何發展，我們會如何在這個過程中成長。其實觀察這些操作會如何影響網絡，也是一個漸進的學習過程。

Joe：這就是Kusama存在的意義，不是嗎？

Rob：沒錯。隨著平行鏈變多，驗證人的負載肯定會變多的。因為驗證人要驗證一個區塊，并且要把自己的幣抵押在區塊背后，其他的一些驗證人就會自我選擇去做檢查。平行鏈越多，你要做的計算就會越多，雖然計算量應該比平行鏈增加的數量慢，這也是為什么這個網絡是可擴展的，而不是像其他一些區塊鏈一樣不可擴展。但是作為驗證人，你可能還是需要在每秒內驗證幾十個區塊。

Joe：我們聊點更實際的吧，聊下接下來一年波卡和Kusama的計劃吧。我們有一個平行線程的規劃，其實現在在UI里面已經能看到了，因為鏈在升級為平行鏈之前，都是以平行線程的形式注冊的。但是之后我們會讓平行線程更加的實用，你們可以談談平行線程的設計、實現，為了實現它還剩下哪些工作待完成嗎？

Rob：平行線程跟平行鏈差不多，主要區別在于它被調度的方式不同。我們有一個調度程序，如果你是平行鏈，那么每個區塊都會被安排到；如果你是平行線程，那么你需要進行拍賣，平行線程收集人可以互相競爭，來獲得寫入區塊的的權利。這會帶來收集方面的網絡改變，當你是平行線程出塊人的時候，你需要讓驗證人知道你有區塊要提交。

所以總的來說挑戰有三點：調度程序、拍賣、網絡方面的改變。

Jeff：其實當時做平行線程有種設計，但是最后我們選擇了有拍賣的這個。因為這個設計可以更好地防止作弊，但是對于平行線程來說，如果它們出于某些原因無法提交區塊的話，它們可能會丟失資源。所以我們還得再看看一些經濟方面的問題。

平行線程、嵌套中繼鏈等，未來將如何發展？

Joe：我們說過會把一些核心功能從中繼鏈中釋放出來，下放到平行鏈中，來進一步實現可擴展性，和實現嵌套中繼鏈的想法。你們想談談為什么要這樣做嗎？

Jeff：其實相比「嵌套中繼鏈」的說法，我更愿意稱其為「中繼鏈分片」，因為嵌套中繼鏈聽起來像是某一條鏈是主導地位。

從某種意義上說，中繼鏈的分片比我們現在已經做到的還要簡單一些。不過我覺得可能會在超過3000個驗證人的時候來做這個事，我想告訴大家現在還不用急著去實現它。在這之前，我們希望能先讓中繼鏈的功能盡可能簡單，我覺得這樣對于開發者來說工作量是最小的。

Rob：目前來看，Staking和選舉模塊和一些治理功能其實是比較重的，會給中繼鏈帶來較大的負載。所有中繼鏈上發生的事，中繼鏈驗證人都需要去執行。而根據設計，發生在平行鏈上的事情只需要驗證人的子集來處理。所以這就是可擴展性的來源，把每個驗證人機器都需要執行的事變得盡可能少。

我覺得安全地去提煉出Staking和治理之類的東西其實挺難的。因為波卡有一些故障模式，比如一個機制是在進行爭議分析的時候的時候，鏈可能會被阻止出塊。你可能無法進行Slash交易，驗證人集無法更新交易等。這些都是很棘手的挑戰。

不過這個其實也不是很緊急。在這之前，我們應該會優化節點那邊，比如如何處理平行鏈和網絡消息，來獲得更高的擴展性，和運行更多的平行鏈。

Jeff：我覺得我們的目標應該是，雖然這個目標可能無法達到，但是目標應該是達到同等水平，讓每條平行鏈有一個驗證人。這個可能無法實現，但是當我們到達這個情況的時候，我們應該知道這個極限的存在，然后朝其他的方向努力。

平行鏈可擴展性的極限在哪里？

Joe：剛剛你說3000個驗證人，意味著3000條平行鏈。Rob你作為實現者，怎么評價這個目標？

Rob：暫時還做不到，這是肯定的。我覺得代碼經過一輪優化之后能運行80-100條平行鏈，我就很開心了，而且這對社區來說也綽綽有余了。

Jeff：是的。最終我們可能會到達一個點，用戶耗盡了，我們得開始說服更多的人來使用，所以我猜可能會有很多次這樣的爆發。

Rob：我想是的，我覺得這有點像波卡治理遇到的挑戰——拍賣計劃的長尾效應是什么？因為在某些時候，如果所有的技術進展順利，那么我們可能有能力運行更多的平行鏈，甚至可能超出市場對平行鏈的需求。但是我們也不希望平行鏈的資源被一些垃圾項目填滿，占用個兩年，當然之后社區的發展趕上來了，肯定會有這種來來回回的發展過程。

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