平行鍊是如何從研究論文，變成代碼實現的？平行線程、嵌套中繼鍊等，未來將如何發展？平行鏈可擴展性的極限在哪裡？

在2021 Polkadot Decoded 的圓桌討論“解析平行鏈：誰做了平行鏈？平行鍊是什麼？為什麼要有平行鏈？” 中，研究員Jeff、代碼實現者Rob 和主持人Joe 一起討論了一些對於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：Jeff Burdges，W3F 密碼學研究員，做了很多平行鏈開發方面的研究

Rob：Robert Habermeier，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：Joe Petrowski，W3F 技術集成負責人，本場圓桌主持人

Joe：大約一年半以前，Jeff 帶領著一個團隊發表了一篇關於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？

Jeff：我們從以太坊生態那裡獲得了一些想法，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，我們設計複雜協議的方式是，我會寫下所有可能的設計選項，然後用排除法。

在2020 年初，我寫下了這個設計，並且和大家討論，我們注意到了一些問題，我想出了一個叫“Two-phase inclusion” 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。

之後我們開始做糾刪碼，然後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，那麼你也會毀掉你自己。它不是加密學安全性，而是分佈式系統安全性，但是是合理的。

Joe：對於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、複雜性、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。

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，一般是使用一些基於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。

那我們怎麼做呢？我們有平行鏈區塊，叫做候選區塊，我們有3f+1 個驗證人。那麼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(log n) 算法。這讓計算變得沒有那麼的有負擔。之後我們可能還會做得更好。這是我們最近的一個突破，當然瞭如果我們能在更早就解決的話就好了哈哈哈。

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複雜，需要更多的開發時間。

從2019 年中後期到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，那麼你每向系統添加一點額外的複雜性，那麼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於代碼，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。

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，在那裡面進行迭代，而不是在代碼裡。我可以和Jeff 和Al（Alistair） 通話，來討論論文草案裡的內容，然後寫一個頁面來說明“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週的時間，之後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。

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，並且在Kusama 上上線更多的鏈，短期內我們面臨的挑戰是什麼？

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複雜性，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，你就會發現這些防禦機制非常重要。

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，並且要把自己的幣抵押在區塊背後，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，這也是為什麼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 裡面已經能看到了，因為鏈在升級為平行鏈之前，都是以平行線程的形式註冊的。但是之後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，主要區別在於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，那麼每個區塊都會被安排到；如果你是平行線程，那麼你需要進行拍賣，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，但是最後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，但是對於平行線程來說，如果它們出於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。

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（Nested relaychain）的想法。你們想談談為什麼要這樣做嗎？

Jeff：其實相比“嵌套中繼鏈” 的說法，我更願意稱其為“中繼鏈分片”，因為嵌套中繼鏈聽起來像是某一條鍊是主導地位。

從某種意義上說，中繼鏈的分片比我們現在已經做到的（平行鏈分片）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，我覺得這樣對於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，比如如何處理平行鍊和網絡消息，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，然後朝其他的方向努力。

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，怎麼評價這個目標？

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

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麼？因為在某些時候，如果所有的技術進展順利，那麼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，佔用個兩年，當然之後社區的發展趕上來了（平行鏈的位子又會不夠用），肯定會有這種來來回回的發展過程。

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