深度丨 Polkadot 能否挑战以太坊 2.0？

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Polkadot 和以太坊 2.0 都是分片式区块链协议。即它们通过在单独的分片中执行交易，并提供在分片之间发送消息的协议来提供可扩展性（scalability）。

模型

以太坊 2.0 中的分片都具有相同的状态转换函数（STF），即管理着区块链如何更改每个区块状态的规则。该 STF 提供了智能合约执行的界面。合约存在于单个分片上（并且可以在分片之间发送异步消息），因此可以通过并行执行分片来进行扩展。

同样，在 Polkadot 中，每个分片都承载核心逻辑，这些分片并行执行，并且 Polkadot 可以发送跨分片的异步消息。但是，协议中的每个分片都有唯一的 STF。通过组合逻辑，应用程序可以存在于单个分片中，也可以存在于多个分片中。Polkadot 使用 WebAssembly （Wasm）作为 “元协议”。分片的 STF 可以是抽象的，只要 Polkadot 上的验证人可以在 Wasm 环境中执行即可。

架构

以太坊 2.0

以太坊 2.0 的主链称为信标链（Beacon Chain）。信标链的主要负载是见证消息（attestations），这是对分片数据可用性和信标链有效性的投票。以太坊 2.0 中的每个分片都是具有 Ethereum Wasm （eWasm）接口的区块链。

以太坊 2.0 将仅通过信标链启动阶段 0。在第 1 阶段，它将以简单链的形式启动 64 个分片，以测试信标链的最终性。每个分片都向 “信标链” 提交 “交联（crosslinks）”，其中包含确定分片数据的信息。稍后，在阶段 2 中，分片将实现 eWasm 接口，最终使系统可用。[1]

该网络还将具有 “侧链” ，来与不在以太坊 2.0 最终性协议下的链进行交互。

Polkadot

像以太坊 2.0 一样，Polkadot 也有一个主链，称为中继链，带有许多分片，叫作 “平行链”。平行链不限于单个界面，例如 eWasm。取而代之的是，它们可以定义自己的逻辑和接口，只要将其 STF 提供给中继链验证人即可执行。

Polkadot 计划在启动时每个区块最多能够验证 100 个分片。除了计划在每个块中执行的平行链以外，Polkadot 还具有动态调度的平行线程。这让多条链可以共享分片插槽，就像多家小型航空公司可能在机场共享一个登机口一样。

为了与想要使用自己的最终过程的链进行交互（例如比特币），Polkadot 拥有转接桥平行链来提供双向兼容性。

共识

以太坊 2.0 和 Polkadot 都使用混合共识模型，其中出块和最终性都有各自的协议。最终性协议（以太坊 2.0 的 Casper FFG 和 Polkadot 的 GRANDPA）基于 GHOST，并且都可以在一轮中最终确定一批区块。对于出块，这两种协议都使用基于插槽的协议，该协议将验证人随机分配给插槽，并为未最终确定的区块提供分叉选择规则（以太坊 2.0 的 RandDAO/LMD 和 Polkadot 的 BABE）。

以太坊 2.0 和 Polkadot 的共识有两个主要区别：

1. 以太坊 2.0 根据称为 “epochs” 的时间段来最终确定一批区块。当前的计划是每个时期有 64 个块，并在一轮中全部完成。预计的区块时间为 12 秒，这意味着最终确定的预期时间为 6 分钟（最多 12 分钟）。[2] Polkadot 的最终协议 GRANDPA 根据可用性和有效性检查来最终确定一批区块，这些检查随着被提议的链增多而发生的。最终确定的时间随需要执行的检查次数而变化（无效性报告会导致协议要求额外的检查）。预期的最终确定时间为 12-60 秒。

2. 以太坊 2.0 每个分片需要大量验证人以提供强大的有效性保证。Polkadot 能够通过每个分片更少的验证人来提供更强大的保证。Polkadot 通过让验证人向系统中的所有验证人分发纠删码来实现此目的，从而使任何人（不仅是分片的验证人）都可以重建平行链的区块并测试其有效性。随机的平行链验证人分配算法，和由随机选出的验证人进行的二次检查，让每个平行链上的一小组验证人无法串通。

Staking 机制

以太坊 2.0 将是一个权益证明（PoS）网络，每个验证人需要 32 ETH 来进行抵押。验证人将运行一个主要的 “信标链” 节点和多个验证人客户端（每个 32 ETH 一个客户端）。这些验证人被分配给 “委员会（committees）”，“委员会” 是随机选择的组，以验证网络中的分片。以太坊 2.0 依靠大型验证人集合来提供可用性和有效性保证：每个分片至少需要 111 个验证人才能运行网络，每个分片至少需要 256 个验证人才能一个 epoch 之内未最终确定所有分片。而 64 个分片就是 16,384 个验证人（每个分片提供 256 个验证人）。[3]

Polkadot 能够以更少的验证人来提供强大的确定性和可用性保证。因此，Polkadot 使用提名权益证明（NPoS）从较小的集合中选择验证人，从而使较小的持有者可以提名验证人来运行基础结构，同时仍然可以获得系统的收益，而无需运行自己的节点。Polkadot 计划在第一年拥有 1,000 个验证人，并且网络中每个平行链大约需要 10 个验证人。

分片

以太坊 2.0 中的每个分片都具有相同的 STF。在阶段 1 （预计 2021 [5]）中，分片将是简单的数据容器，提供与信标链的交联。在阶段 2 （预计 2023 年）中，他们将实现 eWasm 执行环境。EWasm 是 Wasm 的有限子集，用于以太坊中的合约。eWasm 界面提供了一组可用于合约的方法。eWasm 开发应该有类似的开发工具集，例如 Truffle 和 Ganache。[6]

Polkadot 中的每个分片都有一个基于 Wasm 的抽象 STF。只要逻辑编译为 Wasm，并且每个分片为 Polkadot 验证人提供 “执行区块” 功能，每个分片都可以公开自定义接口。Polkadot 具有 Substrate 开发框架，该框架拥有可配置、组合和扩展的模块，可以进行全方位的组合来开发链的 STF。

消息传递

以太坊 2.0 中的分片可以通过对方的交联和状态证明访问彼此的状态。在具有 64 个分片的 以太坊 2.0 模型中，每个分片在信标链中为每个块发布一个交联 [4] ，意味着分片可以包含一些逻辑，来执行基于另一个分片上的一笔交易的轻客户端证明。[7] 以太坊 2.0 尚未发布节点在分片之间传递消息的规范。

Polkadot 使用跨链消息传递 (XCMP) 来让平行链间相互发送任意消息。平行链彼此之间建立了开放的连接，并可以通过其建立的通道发送消息。如果两个平行链具有相同的全节点，则它们可以通过全节点 “八卦” 消息。否则，中继链验证人将处理消息传递。消息不通过中继链，只有发布和通道操作（打开，关闭等）的证明进入中继链。这一特性通过将数据保留在系统边缘来增强可扩展性。

Polkadot 具有称为 SPREE 的附加协议，该协议为跨链消息提供共享逻辑。使用 SPREE 发送的消息为接收链提供了关于来源和解释的其他保证。

治理

以太坊 2.0 治理仍未解决。以太坊目前使用链下治理程序，例如 Github 讨论、All Core Devs call 和 Ethereum Magicians 来制定有关该协议的决策。[8]

Polkadot 将链上治理与多系统一起使用。有几种途径可以通过议案，例如来自链上的理事会、技术委员会或公众。所有议案最终都要经过公投，公投的结果始终由多数代币控制。对于低投票率公投，Polkadot 使用自适应投票偏见设置通过阈值。公民投票可以包含各种议案，包括从链上财政库中分配资金。决策是在链上制定的，具有约束力和自主性。

升级

以太坊 2.0 的升级将遵循常规的硬分叉流程，要求验证人升级其节点以实现协议更改。

Polkadot 使用 Wasm 元协议，无需硬分叉就可以实施链升级和成功的提案。STF、交易队列或链下工作机中的所有对象都可以升级，而无需分叉。

结论

以太坊 2.0 和 Polkadot 都使用分片模型，其中分片链（以太坊 2.0 中的 “分片” 和 Polkadot 中的 “平行链 / 平行线程”）通过在主链区块中链接分片状态而受主链保护。这两个协议在几个主要方面有所不同。首先，以太坊 2.0 中的所有分片都具有相同的 STF，而 Polkadot 让分片具有抽象的 STF。其次，以太坊中的治理流程是链下的，需要协调和硬分叉才能执行治理决策，而在 Polkadot 中，决策是在链上自主颁布和执行的。第三，验证人选择机制不同，因为 Polkadot 可以在每个分片的验证人数量较少的情况下，提供强大的可用性和有效性保证。