解析平行链:实现过程、技术难点、未来发展方向等

PolkaWorld 阅读 4313 2021-6-8 15:32
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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

解析平行链:实现过程、技术难点、未来发展方向等

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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标签: 波卡 平行链
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