# Polkadot系列2-结构篇：波卡以“三足鼎立”之势推进架构以重构区块链，生产和调度全球共识资源，引领Web3创新发展 By [“平说”区块链](https://paragraph.com/@dancechange) · 2023-03-22 --- 全文超过1.6万字，阅读时长超过半小时，请先收藏，可根据目录选取阅读。 目录 1. 波卡以“三足鼎立”之势推进架构实现 2. 主体架构：中继链实现异构多链聚合 2.1、主体架构 2.2、系统特性 3. 通信机制：XCM/XCMP实现跨链融合 3.1、XCM/XCMP协议堆栈 3.2、跨共识消息格式XCM 3.3、跨链消息协议XCMP 3.4、应用场景及对生态的意义 4. 开发框架：面向未来区块链的Substrate 4.1、定义：什么是Substrate 4.2、原则：核心设计决策 4.3、实现：模块化的分层结构 4.4、特征：智慧的集合体 4.5、价值：生态及行业贡献 5. 产品交付：最有效的区块空间生产者 5.1、什么是区块空间 5.2、影响区块空间的主要因素 5.3、波卡是最有效的区块空间生产者 5.4、基于区块空间创造新叙事 6. 总结：波卡架构重构区块空间及区块链 1、波卡以“三足鼎立”之势推进架构实现 ------------------- 我们认为，波卡已经形成“三足鼎立”之势，以此构建完整的技术架构体系，推动多链异构生态聚合和跨链融合，构造和调度全球共识资源（区块空间），并表现出“可无限扩展、可无缝升级、可跨链互操作、安全且去中心化”等优越特性，以支持Web3应用创新和规模化发展，并取得长期成功。 ![图1-1：Polkadot整体架构示意图](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/f6c64d5dd4ed55a00b4f213b1d2b81c56b1f76daadd208eb6be45cfded024e74.png) 图1-1：Polkadot整体架构示意图 如图1-1所示，所谓“三足鼎立”的“三足”是指以Relay Chain（中继链）为核心的异构多链架构，核心通信机制XCM/XCMP，以及面向未来区块链的开发框架Substrate： ● **异构多链架构**：中继链是整个系统的基础底座，连接而聚合异构多链（不同共识的通信主体），形成一张区块链通信网络。中继链作为分布式账本为全网提供共识账本和共享安全。 ● **通信机制**：XCM/XCMP是跨共识消息格式和跨链通信协议，具有跨共识系统的能力，能够实现信息、资产跨链和链间互操作，推动资源流动和跨链组合，加速应用创新和生态融合。 ● **开发框架**：Substrate为开发者提供了灵活、高效的开发框架（工具），致力于上述二者及其他技术、去中心化应用以及Web3愿景实现。 通过“三足”，“鼎立”的则是波卡网络最终交付的产品--区块空间（Blockspace）。波卡在Web3中的目标并不是最大化区块链的数量，而是作为全球共识资源的区块空间，并将其高效分配给需要它的Web3应用。**异构多链架构是以区块空间为核心诉求和最终交付产品的架构，波卡网络是全球最有效的区块空间生产者**。 以上是“从结构到功能”的概要分析，是全文整体的分析框架。这个框架中还包含了一个很重要的分析模型，即是“通信网络的基本要素和相互关系”。波卡作为一个区块链通信网络，跟任何通信系统一样，需要具备三个基本要素，即通信主体、通信内容和通信机制，如图1-2所示。 ![图1-2 通信网络的基本要素和相互关系](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/aa1eab92b8a8147921ad4038c6df197926ce275ba5fe255b0616af6e050d0e92.png) 图1-2 通信网络的基本要素和相互关系 ● **通信主体**：即通信的参与对象，在波卡网络中主要有中继链、平行链、异构网络。 ● **通信机制**：或者说通信过程，由通信协议实现，定义了通信过程中的具体步骤，如通信如何发起，如何接受，如何验证等。波卡网络中采用的通信协议包括VMP、HRMP、XCMP，后面章节会具体介绍。 ●**通信内容**：即通信过程中传递的内容，在波卡中采用跨共识消息格式（XCM）来实现信息、资产的跨链和互操作。也就是说，XCM是波卡网络中不同共识系统的交流语言，即通信协议传递的内容是XCM。 我们将结合上述两个框架模型展开本文后续的分析。 2、主体架构：中继链实现异构多链聚合 ------------------ ### 2.1、主体架构 [波卡网络](https://polkadot.network/)（Polkadot Network）整体架构可以非常精炼地概括：**多链，一个网**。如果再具体一些，即是：以中继链聚合异构多链，形成区块链的互联网。这是一个怎样的架构呢？ 如图2-1所示，波卡网络的主体架构由三部分组成，即中继链、平行链和转接桥。 ![图2-1：Polkadot整体架构示意图](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/7296f87bdfeada207e9cee24d63aa3463c85d75de81939993600c3900c060acd.png) 图2-1：Polkadot整体架构示意图 **中继链**是波卡网络的核心，也称之为主网，其本质是以区块链技术构建的共识账本。**平行链**是基于Substrate构建的同构、独立区块链，其针对特定场景优化其功能，它通过短期购买平行线程或者长期租用插槽来实现与中继链的连接。**转接桥**是一种特殊的区块链，它允许Polkadot连接以太坊和比特币等外部网络并与之通信。 从通信网络角度来说，这三者构成了波卡网络的通信主体，其相关的通信机制和通信内容我们将在本文后面部分具体分析。 这里我们需要对中继链进行重点分析，关于平行链和转接桥连接的外部网络则放置在“生态篇”中具体展开。 我们可以从不同角度去解构中继链，这里提供三个重要视角： **一是中继链本质是一个分布式共识账本**。 为什么如此强调“中继链本质是一个分布式共识账本”？因为**所有区块链都是一个共识系统，共识过程及结果通过分布式账本得以表达和呈现，所有区块链系统则是基于分布式账本功能及特性而构建**。 这样的视角可以让我们更贴近分布式账本的本质——**从技术角度**讲是存证数据库，记录和存放着区块链系统运作中产生的各种证据-数据；**从经济角度讲**，分布式账本是数字账本，是加密数字经济体系的底层基础要素，记录着跟货币、金融和经济有关的各种数据；其重要性犹如资产负债表、利润表、现金流量表是现代企业健康运作所必须的基本要素一样。**无论是哪个角度，我们需要理解到这个账本的最根本且最擅长的能力-数据安全、状态一致、数据完整，而不是区块链最不擅长的计算能力**。 我们认为判断一个区块链优良程度的首要标准应该聚焦在这一点上，而**各个区块链系统的构建也需要最大程度的契合和发挥出分布式账本的这些优良特性**。 而中继链就是聚焦这些优良特性而构建。那么中继链在这方面是怎么做的，做得怎么样呢？我们可以从三个层面加以考察： ● 一是新区块如何产生？这关乎共识是如何形成的，即共识机制。不同的共识机制将影响区块链系统的功能特性、全网安全和运行方式。波卡采用的共识机制，使其构建的区块链具有可证明的最终性、安全性和去中心化。 ● 二是达成共识后形成的结果，即账本本身。区块里装的是什么？我们通过[波卡浏览器](https://polkadot.subscan.io/)可以查询链上数据，它们包括账号ID、身份、余额、交易ID、区块高度、交易哈希、结果状态等。这些都是作为区块链所具有的普遍链上数据，具有状态确定性、全网一致性、数据完整性，并且公开透明、防丢失、防篡改、可追溯，是可信任的数据。**借助账本中这些数据及其特性，可以迅速在全球范围内建立信任，共享账本数据，开展分布式协作和创新应用。这是一种新型的信任机制和协作方式**。 ● 三是账本的呈现形态，它对系统有什么影响？中继链是去中心化的账本，它并非由一家或少数几家实体创建和控制，而是由众多相互独立、随机动态选举的验证者集合共同创建、运行和维护，提高了集权控制的难度和成本，大大降低了系统作恶、恶意攻击的概率和集权风险。波卡当前有297个验证人，640个候选验证人，保持了高度去中心化、动态灵活性和活跃性，因而保证了波卡网络的健壮性、稳定性和安全性。 可以看出，上述三点都跟共识有关，中继链围绕此而构造，契合了分布式账本的本质，充分发挥其在共识、安全、去中心化方面的优良特性。我们将在“共识篇”中具体分析中继链是如何构建这套共识系统的，以及如何运作和维护。 **二是基于中继链这个分布式账本搭建起异构多链网络**。 中继链就是一个最小化功能的共识系统，负责共识和安全，其他功能都交给了平行链，这是通过异构多链架构来实现的。正因为基于中继链之上搭建了这样的异构多链网络，加上XCM/XCMP为核心的通信机制，中继链增加了一个核心功能，即跨链互操作。 这是一个怎样的区块链网络，为什么说中继链是核心主网？我们可以从架构和功能定位两个方面来理解： ●**在架构方面**，中继链连接了同构平行链和异构外部网络，允许它们并行处理交易，并在链之间交换数据，形成一个区块链的互联网。犹如城市之间的交通网络，有主干道和支分干道，主干道是交通枢纽，延展出各支分干道，从而形成四通八达的交通网络，为城市间的人员往来、物流运输和物资分配发挥着重要作用，放大了城市效能。中继链就是区块链网络中的枢纽，它打破BTC、以太坊旧有区块链单体系统架构，形成了模块化的异构多链架构。 ●**在功能定位方面**，中继链负责整个网络的安全、共识和跨链互操作，这是一个发达网络所必须的基础性功能。特别是“共享安全”，它为各个平行链提供了系统级别的安全保障，是共识和去信任化跨链互操作的基础，并使得异构网络在“黑暗森林”中亦可顺利运行。所以说，中继链的定位不是一个专业区块链或者说垂直集成产品堆栈，而是作为核心基础设施，为聚合的其它区块链提供“坚实的底座”。 **三是中继链及其多链异构网络带来的广泛可能性**。 当然，在波卡的技术架构中还有许多地方值得浓墨重彩，但我们认为上述两个方面对波卡网络体系乃至整个生态的影响是最为基础和全局性的，最能体现因“结构之美”带来广泛生态可能性。 正如我们在“[愿景篇](https://mp.weixin.qq.com/s/cWTlR-W6tLiudxerfphKsw)”的“波卡哲学”中提到，波卡遵循“最小、简单、通用、健壮”的构建原则，这样的原则意味着机会、创新、去中心化以及长期成功。 **机会**：波卡提供了一个开源、开放的“坚实底座”，并仅具最小功能，这将给到创建者参与生态建设的机会，充分发挥优势创建产品和提供服务，形成多样化生态。 **创新**：波卡是一个开放的生态系统，并不扮演“权威”，并且远离“官方实现”。参与者不会因为安全、扩展性、规模化等因素而做出妥协阻碍创新，反而可以灵活选择，针对特定场景进行创新和优化，提供多样化服务，从竞争中构建更好的产品，推动生态系统走得更远。 **去中心化**：波卡无意于构建犹如微软那样的垂直集成产品堆栈，从而赢得垄断市场的可能性。中继链不对平行链添加任何要求、约束或给出边界，只是提供基础功能，在保障安全的前提下，让其跨链可组合，创造更多可能性。这是生态去中心化的重要特征。 **长期成功**：上述几方面汇集起来，以共建共赢的方式、实用性地支持全球商业级别应用，致力于多样化的生态发展，推动长期目标实现，这就是Web3的愿景--构建全新的全球数字经济。 ### 2.2 系统特性 波卡网络模块化的异构多链架构，体现出不一样的系统特性： ● **可无限扩展**：中继链是一种原生的支持内核可扩展的可行性方法，实现了平行链的横向扩展，一条中继链可以承载多达100条平行链；还可以通过平行线程接入具有短期需求的同构区块链，通过转接桥接入外部网络；同时，随着未来出现更多的中继链，通过中继链嵌套可带来生态倍增。 ●**可灵活伸缩**：表达了在平行链可横向扩展和跨链组合的场景下，系统性能保持了灵活应对变化的能力，可按需扩展和收缩区块链，生产和调度区块空间，灵活满足Web3应用对共识资源的定制化需求。同时，异构网络架构允许并行处理多个交易，并随着互操作链的增长，网络整体吞吐量是无限的。 ●**可无缝升级**：波卡网络基于Substrate开发框架构建，Substrate具有这样的独特属性，其中运行时（状态转换函数）存储在区块链状态中，这意味着各节点默认更新自己，从而使得基于Substate构建的区块链可以实现自动升级，避免了硬分叉带来的风险。这种无分叉升级使开发人员能够更快地创新和发展，并避免了后顾之忧。 ●**可跨链互操作**：波卡网络承载着不同的共识系统，通过跨共识消息格式XCM和链间消息传输协议XCMP可以实现任意类型信息的跨链以及链间互操作，实现功能组合创新。 ●**共享安全**：成为波卡平行链，则无需开发自己的安全网络，波卡可以在不损害与其他所有链的情况下实现共享安全，使得各个平行链享有同一级别的安全保障。 ●**去中心化**：无论是共识机制，还是节点网络的部署和运行，以及后续篇章中将谈到的治理机制、代币经济模型等，都支持中继链作为共识账本的去中心化特征，并通过将来自多个专用区块链的最佳功能组合在一起，创造更多的可能性，Polkadot为新的去中心化市场的出现铺平道路。 ●**普适性**：波卡的普适性表现在多个方面。从网络连接上来说，可以连接基于Substrate构建的同构平行链，亦可连接非Substrate构建的异构外部网络；从通信网络的功能来说，可以在不同共识系统如区块链、智能合约、Substrate模块等之间进行任意类型的消息跨链传递和互操作；从支持的应用来说，可以灵活支持有着不同计算性能、区块空间资源、规模化程度等需求的真实世界商业级应用。 ● **超越不可能三角**：区块链分布式账本以高度去中心化最大化了共识和安全，削弱了计算能力及其扩展性，使其难以支持现实中规模化应用，自身发展因此受到局限，这是“区块链不可能三角”的具体表现。波卡网络将共识架构中一致性和有效性分离，“让共识的归共识，让计算的归计算”，形成了基于中继链聚合异构多链、高度扩展的架构，从而超越了“区块链不可能三角”，系统同时具有去中心化、安全和可扩展性。当其他公链还在忙于解决规模化发展需要的“可扩展性”时，波卡网络已经在支持真实世界规模化商业应用上表现卓著。 3、通信机制：XCM/XCMP实现跨链融合 --------------------- ### 3.1、XCM/XCMP协议堆栈 图3-1表达了波卡网络实现跨链互操作的协议堆栈，从下往上依次为异构多链构建的共识环境、以XCMP为核心的通信协议组、跨链通信语言XCM及其接口，最上面是协议堆栈支持实现的商业逻辑。 ![图3-1 波卡网络的跨链互操作协议堆栈](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/d86048a05f4a644788736fc88ccd29dfa762522e340cca57d59ee72b9c226709.png) 图3-1 波卡网络的跨链互操作协议堆栈 从通信网络来说，波卡网络基于中继链连接异构多链，聚合起通信网络中的通信主体，为其提供一致共识、共享安全；而跨共识消息格式XCM（跨链内容）及跨链消息协议XCMP（跨链通信协议）使得中继链聚合的各个“孤岛链”实现消息、资产等的安全跨链以及链间互操作。三者共同作用使得波卡成为一个完整的跨链通信网络。 ### 3.2 跨共识消息格式XCM 波卡跨链传递的内容是XCM（Cross-Consensus Message Format），**XCM是“跨共识”消息格式，是不同共识系统相互交流的语言，承载着波卡跨链通信中传递的内容，表达接受者应该如何理解，应该做什么**。它能在任何达成共识的数据结构，如在区块链、智能合约、转接桥、Substrate pallet（模块）之间传递任意类型的信息。 也就是说，通信参与者所基于的共识引擎可以完全不同, 但只需在通信中遵循一致的Polkadot跨链框架即可进行任意通信。 未来XCM也不会仅仅局限于波卡/Substrate 生态内, 而是成为任意不同共识系统之间的通用通信语言。**这种“跨共识”的通信解决方案, 是波卡区别于其它跨链解决方案的最特殊的地方**。 ### 3.3 跨链消息协议XCMP 但是，需要特别强调的是，**XCM只是一种语言，它自身并不能完成“跨链传递和跨链互操作”，这个动作是由跨链通信协议来完成的**。 Polkadot有三种跨链通信协议，用以在其组成链之间跨链传递XCM消息。它们分别是UMP、DMP和 XCMP： ● UMP（向上消息传递）：允许平行链向它们的中继链发送消息。 ● DMP（向下消息传递）：允许中继链将消息向下传递到其平行链。 ● XCMP （平行链间消息传递）：XCMP可能是其中最著名的，它允许平行链之间直接发送消息。 XCM可通过上述任意一个通道来进行传递，但有所区别。UMP和DMP统称为垂直消息传递协议（VMP），属于中继通信，即中继链与平行链之间的消息传递。而XCMP是我们关注的重点，它属于直接通信，即XCM消息在平行链之间直接传递。在XCMP协议执行过程中, 中继链仅仅将跨链交易相关元数据(metadata)以哈希的形式储存, 因此资源占用少、执行效率高。 但由于XCMP仍在开发中, 因此目前在Polkadot和Kusama中继链上, 使用的是水平中继路由消息传递协议（HRMP）作为暂时过渡。HRMP与XCMP使用相同的接口和功能, 但最大的区别在于HRMP将所有消息内容都储存在中继链中, 因此在资源占用和执行效率方面远远不如XCMP。当XCMP上线时，HRMP将“退出江湖”。 那么，XCMP是如何工作的呢？大家可以参考Parity制作的科普视频，详细描述了在两个平行链之间XCMP是如何实现XCM传递的。 链接分享：[https://www.youtube.com/watch？v=dyx-ePhuQRg](https://www.youtube.com/watch%EF%BC%9Fv=dyx-ePhuQRg)。限于篇幅，不再赘述。 从XCMP的工作原理可以看出，**XCMP就像电话系统**，主要在于建立通信通道和交互的方式，它是将消息从A链传递到B链的方法；**XCM则是电话中使用的语言**，如英语，目的是让A、B在共同的语境下能够畅通交流，达成理解，并进行对应操作，实现跨链操作和跨链组合。 ### 3.4 应用场景及对生态的意义 在波卡网中，基于XCM/XCMP实现的应用场景可以是这样的：假如一款元宇宙社交游戏，游戏可以运行在Bit.Country上，以Phala Network为其提供隐私增强的去中心化云计算服务，RMRK制作的NFT为其提供游戏角色，Litentry为其提供用户DID身份及聚合数据，并使用Acala、Moonbeam、Astar等DeFi平行链为其提供稳定币、流动池、抵押、组合挖矿或者Dex服务。 由于XCMP仍在开发中，目前在实际的应用场景中采用的是XCM+HRMP的方式。截止2022年底，一共开启了300个左右的HRMP的通道，其中包括Acala、Moonbeam、Astar、Zenlink、Bifrost等；在Polkadot及Kusama上发送了超过360,000 条XCM消息。**XCM的推出，开启了安全跨链互操作的新时代，当XCMP上线时，将吸引更多区块链应用加入波卡生态，有助于增强波卡网络效应，促进跨链融合的生态繁荣发展**。 总之，XCM/XCMP将实现跨链融合。届时，基于中继链聚合的的平行链不再是“松散集合”，而是可以为实现某个共同目标进行相互交流、相互理解，继而跨链操作和跨链组合，将大大提升执行效率和网络效应，形成一个“有机融合的生态系统”。可以说，**如果没有XCM/XCMP,异构多链网络犹如“形聚而神散”的团伙，但有了XCM/XCMP，异构多链网络则是“形神一体”、具有灵活作战能力的“特种部队”，可单兵作战，发挥各自所长，需要时亦可迅速调度优势兵力成为一体组团作战，释放更大效能**。 4、开发框架：面向未来区块链的Substrate ------------------------ Substrate为行业所认知，源于2018年柏林Web3峰会上的一个事件。在会议演示中，Gavin Wood利用Substrate在30分钟内，在一个原装出厂的笔记本电脑上开发出一条功能齐全的区块链。**该事件被业界赞为“一键发链”**。 前有以太坊的“一键发币”，并由ICO热潮推动一波“牛”，但因缺乏实际价值支撑，行业迅速转入深熊，变得沉寂。“一键发币”发行的是加密数字货币，撬动的是金融杠杆，引发的是投机资本带来的巨大泡沫，显然不可持续。(当然大浪淘沙之后亦留存下来许多蕴含珍珠的贝壳） 但很显然，Substrate的“一键发链”与此决然不同，“造链”相比“造币”，其难度非同日而语，非投机者所为。“一键发链”包含了资产、共识、智能合约、理事会、民主、质押等各个区块链模块，是针对“链”的快速、轻松构建和优化，以支持未来多样化的商业级应用，势将释放Builder们的创新活力，带来行业可持续发展。 那么，什么是Substrate？它有什么功能和特点？它对波卡生态和行业发展有何作用和意义？ ### 4.1 定义：什么是Substrate 正如[Substrate](https://substrate.io/)官网所述，Substrate由Parity团队打造，是一个基于Rust的免费且开源开发框架，是一套软件开发工具包 (SDK)，其以模块化、可扩展组件构建区块链应用程序，以支持多链块空间。或者说，Substrate是“**多链未来的区块链框架**”，以降低进入门槛，提升开发效率，使开发人员能够轻松快速地构建针对任何用例优化的面向未来的区块链。 ### 4.2、原则：核心设计决策 由Gavin Wood领导的Parity团队认识到“**今天做出的深思熟虑的选择很可能成为明天的错误。如果区块链依赖于某些特定的技术或假设，随着时间的推移，该技术或假设可能会阻碍并最终扼杀创新**。” 基于这种认识以及为多链未来提供工具的需求，导致了Substrate的开发，并形成了Substrate框架的核心设计决策： ● **编程语言**：以Rust作为代码库的核心编程语言。选择Rust是因为其在内存管理系统、代码占用空间、防攻击能力、抽象能力、执行效率等方面具有优良特性，Rust是当前可用的性能最佳的编程语言。 ● **执行环境**：以WebAssembly作为应用程序逻辑的执行环境。**为什么这样决策？重要原因之一是其中蕴含着“默认无缝升级”原理**——通过将区块链的应用程序逻辑（专用业务逻辑）编码为WebAssembly二进制文件，并将该二进制文件存储为区块链状态的一部分。如此，就像您执行交易来更改账户余额一样，您可以执行交易来更改WebAssembly代码，形成新的状态。在包含该交易的区块生成后，下一个区块反映了更新后的区块链状态。于是自然、优美地实现无分叉升级。 ● **编码实践**：广泛使用分层抽象、通用实现和灵活的应用程序编程接口作为主要编码实践，并将库分离为不同的体系结构组件。这体现出通用、灵活、可定制、可组合等特性和实践原则。 可以看出，Parity团队深谙“**工欲善其事，必先利其器**”之道。以上每一个设计决策都致力于将Substrate打造成区块链的“工程利器”，将在构建面向未来的区块链应用方面发挥着重要作用。 ### 4.3 实现：模块化的分层结构 **Substrate通过模块化的分层结构使得开发者可以在易用性和技术自由度之间做出灵活选择**。其分层结构分为三层，即Substrate Core、Substrate SRML(Runtime Module Library，运行时模块库)及Substrate Node。从下往上，技术自由度递增、技术抽象度递增、技术依附性递减。如图4-1所示。 ![图4-1 Substrate的分层及结构](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/c5ee454b91d35808cee7701a64c6be1bb126b6db7fc5f1f382225c8b9aa505a2.png) 图4-1 Substrate的分层及结构 **Substrate Core**：用于构建区块链的最小框架模块，虽然开发者不能由此得到一个完整的区块链，但比从头构建容易得多，因为Substrate Core提供了众多基础模块，比如存储、轻客户端、可拔插共识、交易队列和出块机制等。 **Substrate SRML**：开发者可以使用SRML现成的组件，将它们组合在一起，构建起一个特定应用逻辑的区块链。这些模块包括账户和余额、资产、共识、智能合约、理事会、质押、国库等。比如你想创建一个权益证明智能合约区块链，则可使用Substrate Core并插入账户和余额、质押和智能合约模块。而且你还可以将其插入波卡中继链使其成为平行链而具有互操作性。 **Substrate Node**：在这一层，开发者具有最少的技术自由度，使用Substrate Node，开发人员只需配置并提供JSON文件即可在几分钟内启动区块链。 总之，利用Substrate模块化的分层结构，开发者可以根据各自需求和资源匹配状况做出权衡，选择使用哪一层以及使用哪些可组合模块，进行高度自由的定制开发。 ### 4.4 、特征：智慧的集合体 集合区块链行业先驱和资深人士，Parity团队创建了Substrate，所以Substrate是知识、技能、经验、创新和哲学智慧的集合体，是面向开发者最具技术自由度和易用性的区块链开发框架，具有灵活、开放、互操作和面向未来的优良特性。 **灵活：自由、快速、不特意设定边界** Substrate模块化的分层结构，给予了开发人员极大的自由度，而不是强迫他们在他人设计的决策边界范围内工作。开发者可以选择甚至热插拔组件，例如网络堆栈、共识、最终引擎等，不必陷入基础实现的复杂性，从而聚焦特定意图的用例，快速部署区块链网络。 **开放：免费开源、可定制架构、支持工具、贡献者社区** 前面我们已经谈到Substrate提供了开源且免费、模块化可定制的分层架构， 同时，Substrate还拥有全面、高质量的开发、调试和性能测试工具，帮助开发者简化流程，加快开发、部署和调试速度，提升开发体验、效率和质量。 非常重要的一点，Substrate有一个庞大、活跃且非常有帮助的构建者社区，其中包括150个项目正在Substrate上构建；Substrate Builders Program（Substrate建设者计划）通过将开发者与Parity的广泛资源联系起来直接为其提供支持，加速开发速度和提升项目水平；Square One介绍Substrate生态系统中可用的机会和计划，为开发者量身定制生态系统指南；另外，Substrate还开展黑客马拉松、提供Web3基金会捐助，让优秀的开发团队可以脱颖而出。 **跨链互操作：XCM/XCMP、共享安全** 前面我们已有大量篇幅介绍基于异构多链网络架构及XCM/XCMP通信机制为整体网络带来跨链互操作，这里不再赘述。而跨链互操作的基础是共享安全。 传统区块链全权负责其自身网络的安全性。这通常受到网络规模的限制：网络越小，就越容易受到攻击。Substrate平行链可以从中继链（如Polkadot或Kusama）获得无差别安全保障。由此，即使是一个小型的区块链网络、或者刚启动的平行链也可以获得数十亿美元的整体安全性。 **面向未来：可升级、可组合、适应性强** 传统区块链架构使得系统和应用面临两难的境地。升级系统基础部分，可能导致上层的应用不可用，如智能合约；而升级应用还需要去底层调整基础设施，这带来更大的难度。不得已采取的硬分叉已经带来看得见的分歧和社区分裂，比如BTC与BCH，ETH与ETC以及ETHW。 在可升级方面，Substrate采用自动无分叉升级，消除了“硬分叉顽疾”，具体见本文4.2部分。在可组合方面，开发人员可以从一长串pallet（模块、或者说托盘）中自由选择，来添加他们需要的特定功能。在适应性强方面，随着现有pallet的增强或新pallet的创建，基于Substrate的网络可以适应未来可能带来的任何情况。Substrate适应新技术出现的能力为开发人员提供了持续的竞争优势。 以上属性，使得基于Substrate构建的区块链可以轻松应对未来需求和技术的发展变化。 ### 4.4 价值：生态及行业贡献 以上主要从理念、技术实现和技术特征方面对Substrate进行了分析，接下来我们从生态及行业价值方面对Substrate进行概要总结，如图4-2所示。 ![图4-2 Substrate的价值三角](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/6e1ef9d719f0c716321ba6ab657495ce19ab54830e70fd14bbaef02740f3518f.png) 图4-2 Substrate的价值三角 **开发框架及明星项目**：Parity打造了Substrate这一最具技术自由度和易用性的开发框架，降低进入门槛，提升创新效率，有助于加速高质量区块链的构建。同时，基于Substrate构建并由Web3基金会倾力打造的明星项目Polkadot作为Web3应用的基础设施，通过异构多链聚合和跨链融合将引领Web3行业的发展。 **贡献者生态社区**：前面我们已经提到，Substrate在开发框架、模块化组件及支持工具方面为生态和行业贡献了深厚的技术沉淀，也因此吸引了大量开发者进入成为受益者、建设者和贡献者，月活高达2500名峰值，形成了最大的、开放的贡献者社区。同时Parity及Web3基金会还从Substrate建设者计划、Square One、黑客松、基金捐助等方面赋能生态社区的发展。 **多元商业级应用**：Substrate从开发框架及工具层面，波卡网络从网络基础层面，都是致力于推动Web3应用解锁真实世界商业级应用。众多平行链发展现状也正在印证这样的发展脉络，比如Astar与NTT Docomo以40亿美元合作推进Web3；Efinity与游戏巨头Square Enix的合作开发波卡赋能的NFT；Centrifuge以2.2亿美金引领迄今为止最大的现实资产进入链上投资；由 Manta推出，世界上最大的可信设置在Polkadot上的诞生等。 我们将上述三者概括为“**Substrate的价值三角**”，反映了Substrate从公共基础设施、生态社区以及商业级应用三个方面致力于对生态及行业做出贡献。总之，Substrate为价值而生，支持价值创造，势将加速行业生态建设和发展。**我们认为Substrate之于波卡乃至整个Web3行业的贡献，犹如当年Linux之于安卓，其价值已经开始呈现，并有待我们更深入的挖掘**。 5、产品交付：最有效的区块空间生产者 ------------------ ### 5.1、什么是区块空间 要理解区块空间的概念和内涵，需要搞明白区块和区块链的形成过程，以及跟哪些因素有关。 区块链是怎么形成的？ 大家可以想象，在一条向前的时间轴上，新的区块不断产生，并通过哈希指针连接，如此反复而“组装”出一条不断延展的区块链。可以看出，**区块链的最小构成单元就是每一个相对独立又相互连接的“区块”**。从后面的分析我们将明白，就是这个“区块”成为了“区块空间”概念及内涵的基础和来源。 区块是如何产生的？当用户进行转账、交易、抵押、点赞、转发等各种链上操作时，这些行为都被系统统称为一种交易（Transaction）。**当网络运作畅通时**，一定数量的交易被计算执行，实现了状态转换并形成新的结果状态。在该交易相关的账号ID、身份、余额、交易ID、区块高度、交易哈希、结果状态等数据被全网验证有效后，这些数据都作为“具有一致共识的账本数据”被封装进一个“区块”，于是新区块就被生产出来了，并被添加到区块链的末端。**但当网络繁忙引发交易拥堵时**，某些用户的操作可能不被分配计算资源和存储空间，从而无法被执行和打包上链。反映到DApps上来说，网络拥堵时，不是所有的DApp都能获得链上资源被及时响应并保持运行的连续性。于是“难产”带来“争夺区块共识资源”的问题。从以上分析可以看出，“**区块”是随着“链上经济活动”过程而产生，其主要作用就是运行代码和存储数据**。 那么，区块作为运行代码和存储数据的单元，其能力如何？跟哪些因素有关呢？理论上一个区块可以打包任意多的交易，但这样可能带来无限循环（如DDOS）攻击，造成恶意占用区块资源致使系统崩溃失效。所以区块链中，特意设定每笔交易都要耗费一定的Gas费，并且每个区块中设置了当前能够消耗的Gas总量（Gaslimit），二者相除就是当前区块中能够容纳的交易笔数，交易笔数除以区块的产生速度，就是每秒交易次数，即TPS。TPS主要反映了区块链处理交易的速度，是计算性能的衡量指标；而TPS能否提高以及提高到什么程度，则是反映计算性能的可扩展性。这也是当前大多区块链突破“区块链不可能三角”需要重点解决的问题。从以上分析看出，**区块运行代码的能力和存储数据的空间大小跟当前区块Gaslimit、每笔交易Gas费、出块速度以及TPS有关，但每个区块的计算资源和存储空间是有限的，所以区块的能力也受到限制**。那么在一条区块链上，有限的资源如何进行合理调度分配就变得格外重要，将反映出一条链的综合能力和经济效率。 **当谈到“经济效率”时，思考角度不应仅停留在系统架构及技术层面，需要切换到面向经济活动的应用层面**。某种程度上，“区块”和“区块空间”是一体两面： ● “区块”侧重于作为组件构建区块链角度，涉及数据账本及特征、计算执行效率、费用开销等因素； ● 而“区块空间”则是基于“区块”、面向应用而进行的抽象，更加强调其在经济活动中的经济要素定位，是各个区块链服务于经济活动所提供的“全球共识资源”。 ●**这个抽象和认知转变非常重要，有助于规避技术本位、闭门造车、为了“区块链而区块链”；有助于推动区块链及Web3面向真实世界提供有实际价值的产品和服务，满足人、组织、社会发展的各种需求**。 对于“区块空间”这一概念，我们以Gavin Wood的表达进行总结：“**区块空间是一个有用的抽象，它为链真正提供的产品提供了一个清晰的概念**。” ### 5.2 影响区块空间的主要因素 面向应用时，影响区块空间可用性的主要因素包括区块空间的供应、区块空间的质量以及区块空间的调度和分配。 **区块空间的供应**：包括区块空间如何被生产出来、生产效率及供求关系。应用执行需要的是当下的区块空间，区块空间供应数量和应用需求之间存在供求关系。过多未被利用，则造成共识资源浪费；过少则带来供不应求的负面效应，影响经济活动顺利开展，甚至无法开展。 **区块空间的质量**：我们可以把这个问题等同于区块的安全性，越安全，质量越高。这跟区块形成的共识机制、节点网络部署和经济安全量有关，是抵抗攻击、抗审查、高效稳定运行的基础。 **区块空间的调度和分配**：这是区块链运用“共识资源”的具体机制，它如何调度计算和存储资源，将每个区块内的块空间分配给各个经济活动对应的应用程序，如资金转移中的支付和结算、在Uniswap中进行资产交换和流动性做市等，并体现出灵活性、可用性和经济效率。在波卡网络中调度机制是基于独创的“执行内核”而构建（参见本文5.3部分）。区块空间的调度和分配也说明了，**区块空间是各个区块链最终的交付产品-可用共识资源，而各类应用则是区块空间的主要消费者**。 如果没有合理的区块空间生产供应，应用程序会遇到拥堵甚至停机，导致交易费用高企、交易执行效率低、用户体验差等问题。如果没有高质量的区块空间，容易受到51%攻击和毒性冲击，为系统及用户带来灾难性损失。如果没有合理的区块空间调度和分配，再厉害的应用程序和经济模型都难以释放其经济效率和价值，遑论满足数字经济的发展需求。 以上各个方面，为我们考察不同区块链关键区别提供了重要的参考依据，也让我们重新认识波卡的定位，以及异构多链架构及跨链通信机制所表现出来的技术优势和面向商业级应用的发展潜力。 ### 5.3 波卡是最有效的区块空间生产者 Polkadot联合创始人Robert曾在微博中分享观点：“**以区块空间为中心的架构将胜过以区块链为中心的架构**。”此观点表达了波卡网络的目标绝不是最大化区块链的数量，而是“**我们在Web3中的目标是最大化存在的区块空间数量，并确保将其分配给任何时候最需要它的状态机，或者说不断生成全球共识资源并将其分配给最需要它的人**。”在这些表述里表达了区块空间的供应机制和分配机制。那么，波卡是如何实现的呢？ **波卡网络高吞吐量高质量的区块空间供应机制** 波卡网络区块空间的供应跟系统的吞吐量、共享安全以及验证者机制有关，如图5-1所示： ![图5-1 区块空间供应机制的“三驾马车”](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/708180bf35a64e77856e25b111d6276d46e20dd7076138139c9eda7bf8a815d9.png) 图5-1 区块空间供应机制的“三驾马车” ●**可扩展性提升系统的吞吐量**：执行内核（Execution Core）是波卡中的独特创新，它是波卡系统的一个原语，是区块空间的生产引擎。**执行内核与在其上运行的区块链之间形成的架构至关重要，将影响到可扩展性、吞吐量和最大化区块空间**。波卡基于中继链搭建了异构多链架构，实现了平行链数量扩展，同时中继链嵌套将更多的区块链纳入生态，理论上可将平行链数量规模推至最大化。然而，可扩展性的目标并不是最大化区块链的数量，而是为去中心化网络可以做的工作量提供最大化吞吐量，区块空间的供应规模将与这个最大化的吞吐量相匹配。 ●**共享安全保障区块空间质量**：可扩展性满足了区块空间的供应需求，但这必须结合共享安全才能保障区块空间的有效性。共享安全是一种共识杠杆，让更多链可以用更少的资源达到更高的安全性。**用加密经济学的说法，质量等同于安全**。波卡网络基于共识协议、去中心化节点网络、权益抵押的经济安全量等为系统提供了安全保障，并为所有平行链提供同一级别的共享安全。这意味着所有平行链享有同等质量的区块空间。这在多链环境中互操作是常态的情况下，具有特别重大的意义。因为低质量的区块空间与高质量的区块空间混合会使应用程序变得脆弱易受攻击，并使用户面临灾难性风险。所以说，寻求将用户风险降至最低的应用程序应仅使用高安全性区块空间来交付最终产品，而波卡网络可以提供具有可预测且始终如一高质量的并行区块空间，可以满足应用程序开发者这一基本且必要的需求。 ●**验证者机制带来“活跃性驱动”**：作为区块空间生产者，Polkadot尽最大努力向尽可能多的应用开放其服务。“活跃性驱动”是指系统保持不间断、不停止，也没有人为干预，而是持续供应区块空间的能力，这涉及到波卡网络验证者的奖惩和运行机制。**奖惩机制**使得验证人不会作恶或“开小差”遭受惩罚，而是保持“活跃性”，坚持持续工作维护系统安全稳定运行，以获取长期持续奖励。**运行机制**使得验证人成为中立的纯粹服务提供商，他们不是根据自己的价值判断开展行为，而是按照市场指令提供服务——被分配到哪个内核，以及在该内核上安排相应区块链，在任何时候验证人无法自己选择在哪个区块链工作。 我们将上述三者称之为波卡网络“**区块空间供应机制的三驾马车**”，驱动满足多链时代多样化应用对区块空间的需求。**自此，区块链或将从“造币”、“造链”，将加速走向“造区块空间”时代，区块空间是各类去中心化应用的“造梦空间”**。 **波卡网络灵活高效的区块空间分配机制** 加密爱好者都有这样的经历，当行情起来时，或者某一个去中心化应用（如加密猫游戏）被用户蜂拥而入时，区块链网络将面临重负载和拥堵，区块空间供不应求；而在熊市中链上活动冷清，区块链则面临利用不足、共识资源浪费，但应用程序仍需为空块给验证人支付费用。以上两种情况都涉及到区块空间分配问题，显然存在不合理。**波卡以区块空间为中心的架构为此提供了灵活高效的解决方案**。 此方案跟执行内核有关，**执行内核是块空间的生产引擎，内核在各个区块链（状态机）之间的调度权为区块空间分配打开设计空间，以此构建不同类型的调度机制**。波卡网络类似一个去中心化的CPU,一个内核一次可以执行一个线程，也就是说一个内核一次可以从状态机执行一个区块。可以看出，执行内核的调度机制直接影响着某条链区块空间的分配。那么，如果同时存在多个内核，是不是一次就可以执行多个区块呢？ **波卡恰恰是这样一台多核多线程机器，在时间范围、内核数量和区块链选择上具有灵活、高效的分配和执行效率**。一方面，波卡网络在以验证人和抵押权益的形式利用其资源随时可以公开最大数量的内核，如此使得波卡可以进行灵活决策：在哪些时间，分配多少内核，在哪些区块链上执行区块。这种决策能力使得在同一时间内一条区块链获得多个内核支持变得可能。另一方面，一条链可以有效占用的内核数仅受其一次可以获取的内核数和链出块速率的限制。二者结合，Polkadot的架构就实现了为一条链同时分配多个内核，此时该区块链不再是一次推进1个区块，而是推进2或3个区块，从而获得灵活、高效的分配及执行。 具体来说，执行内核具有三种分配机制，如图5-2： ![图5-2 执行内核分配机制](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/a78290488969b9217678e09eff71b33b7fdfd46b23bb9803b7f0b379d7d83704.png) 图5-2 执行内核分配机制 ●**长期核心**：通过平行链插槽拍卖，获胜平行链通过质押一定数量的DOT或者KSM将获得6-24个月的批量区块空间保证的专用执行内核。 ●**随用随付核心**：临时平行链则通过现货价格采购平行线程获得短期区块空间保证的执行内核，随用随付。采购价格随着执行内核的供需关系进行波动。 ●**弹性扩展**：使用以上一种或结合两种方式，以在需要时动态地扩展区块链，并在用完后缩小回原状态。弹性扩展是一项关键计划：通过组合不同的分配机制，我们可以使链仅在需要时临时提高吞吐量，也解决了为空块支付验证人费用的问题。 ### 5.4 基于区块空间创造新叙事 波卡一直以其“波卡哲学”和“技术创新”引领Web3的发展，不断创造推动行业发展的新叙事。从最初的Web3.0概念和愿景、Substrate开发框架到异构多链和跨链互操作，以及从一开始就融入底层架构的“共享安全”，多年来一直被模仿，从未被超越。如今，波卡基于区块空间的构想和实践再次创造新叙事，打开新空间。 **以区块空间为中心的架构将胜过以区块链为中心的架构** 基于区块空间的供应机制及执行内核的调度机制，波卡构建了以区块空间为中心的架构，支持波卡网络的运行从粗大的“链”深入到精细的“区块空间”，“区块空间”成为互操作和可组合的基本单元。因此，波卡重新定义了区块空间，就像云架构重新定义了服务器空间。它使区块链更加聚焦于面向应用，以更精细和自适应的方式提供可用资源和执行能力的支持。Web3 基础层的以块空间为中心的架构将胜过以区块链为中心的架构。 **区块空间将在模块化架构中凸显优势** 从以“链”为中心到以“区块空间”为中心的转变，在当前模块化区块链成为不可逆趋势的情况下，将更具灵活性、扩展性和适用性。模块化区块链的优势在于每个模块的优化都会放大其他模块的优化，并可以根据特定用例需求进行优化组合，使整体大于局部之和。但跨模块化架构更难协调哪条链何时开始出块，对区块空间的质量、调度和分配提出了更高的要求。 调度与可扩展性同等重要或更重要，业界普遍过多地关注可扩展性，而对高效调度关注不够。而波卡网络作为“最有效的区块空间生产及调度分配者”，其以区块空间为中心的架构为此二者提供了全面的支持。 **区块链走向“造梦空间”新时代，激励应用构建者创造并捕获更多价值** 当我们认识到区块空间是一种经济资源时，它应当是应用导向和用户驱动的，用户和应用对区块空间的处理是最终创造价值的因素。也就是说，首先应当考虑区块空间被创造出来服务于什么样的应用场景，如何在应用场景中被使用和释放效能，服务于Web3美好愿景实现，并在此中形成新的价值捕获链条。 应用成为区块空间主要消费者，应用构建者将成为价值创造和捕获的核心环节，这将激励更加活跃、多样化创新。硬件及节点网络因为去中心化程度提高，无法主导应用掌握控制权，但作为网络基础设施通过竞争去获取出块奖励。 这种方式改变了传统计算机网络及应用之间的关系。比如现在火爆的chatGPT，它可以开放API供开发者进行二次开发，但微软也可以改变主意撤销访问权限。因为微软控制着软件运行的硬件网络，所以它最终控制着软件，从而可以约束应用创新并主导价值分配。这是中心化网络跟去中心化网络关键的差别。 自此，区块链发展从“造币”、“造链”，走向“造梦空间”新时代。 **作为商品其所有权和使用权分离，区块空间或将引领创新浪潮** 区块空间成为一种商品，可以被不同的主体生产、购买和消费，充分体现区块空间的供求关系，并且所有权和使用权的分离将为行为主体释放更多的价值，带来基于区块空间的应用创新，比如为新的launchpad和无token链开辟空间。 具体来说，波卡正在致力于创建区块空间的二次分配市场，平行链将能够相互交易额外容量并充当区块空间的转售商。需求低于或高于预期的链将能够相应地适应，甚至可能推测区块空间的未来需求。如此，更加强化了区块空间的“**商品属性**”，跟传统物理商品如大豆、小麦一样，围绕生产规模及需求匹配、市场效率的提高，以及未来风险的对冲，将衍生出非常重要的“**区块空间金融产品和交易市场**”。预计随着这个市场的成熟，波卡将引领区块空间的创新浪潮，我们对此充满期待。 6、总结：波卡架构重构区块空间及区块链 ------------------- 在文末，我们对全文思路和内容进行概要性总结。 首先，波卡以“三足鼎立”之势推动网络架构实现，这三足分别是主体架构、通信机制及开发框架。主体架构以中继链为核心最大化共识和安全，联接异构多链，聚合了通信主体，形成“多链，一个网”；XCM/XCMP通信机制实现了跨链互操作和跨链可组合，在通信主体互联的基础上实现了内容互通，我们称之为跨链融合；而Substrate作为开源、模块化、分层的开发框架，为上述二者提供高效的开发工具，并使得波卡网络架构具有可无限扩展、可灵活伸缩、可无缝升级等典型特征，并实现了一致共识、共享安全、跨链互操作核心基础功能。 其次波卡异构多链架构面向应用层“鼎立”交付的最终产品是区块空间，波卡本质是一个以区块空间为中心的架构，以无限可扩展性最大化区块空间供应，以共享安全保障区块空间质量，以执行内核的调度机制最大化区块空间分配效率和经济效率，并结合共享安全和XCM/XCMP来解锁区块空间跨链和可组合的巨大价值和创新空间。 结合“[愿景篇](https://mp.weixin.qq.com/s/cWTlR-W6tLiudxerfphKsw)”我们认为，截止目前波卡已在多方面为为区块链的发展做出重大贡献： ● 提出Web3.0概念及其愿景，成为行业共识，并以始为终，其架构及最终交付产品支持愿景实现； ● 异构多链架构、共享安全、XCM/XCMP等是突破性技术创新，也闪耀着哲学思想的光芒； ● 开发框架Substrate是群体智慧的结晶，有助于加速推动波卡乃至整个Web3行业高质量发展； ● 波卡以区块空间为中心的架构，让区块空间为应用提供最终交付产品，区块空间成为“商品”，解锁新价值，打开新空间，引领Web3创新发展。 总之，波卡重构了区块链架构，重新定义了区块空间，也将重构区块链的意义。 **参考资料** 1.[https://substrate.io/](https://substrate.io/) 2.[https://www.youtube.com/watch?v=ccR0dJd9Aoc](https://www.youtube.com/watch?v=ccR0dJd9Aoc) 3.[https://medium.com/polkadot-network/xcm-the-cross-consensus-message-format-3b77b1373392](https://medium.com/polkadot-network/xcm-the-cross-consensus-message-format-3b77b1373392) 4.[https://medium.com/web3foundation/polkadots-messaging-scheme-b1ec560908b7](https://medium.com/web3foundation/polkadots-messaging-scheme-b1ec560908b7) 5.[https://www.rob.tech/polkadot-blockspace-over-blockchains/](https://www.rob.tech/polkadot-blockspace-over-blockchains/) 6.[https://twitter.com/rphmeier/status/1631467728555974658](https://twitter.com/rphmeier/status/1631467728555974658) --- *Originally published on [“平说”区块链](https://paragraph.com/@dancechange/polkadot-2-web3)*