Substrate

• Parity 开发的区块链基础框架

• 开发者可以定制一个区块链的各个模块，自定义开发主要关注 State Machine，Substrate 中称之为 Runtime

• Polkadot 的 Relay Chain 和 Parachain 都是基于 Substrate 框架开发的

Full node 全节点

• 同步和保存所有区块数据

Light node 轻节点

• 仅同步和保存区块头数据

Relay Chain 中继链

• 类似 ETH 2.0 的信标链或 Cosmos 的 Hub

• 块中记录的是各个 Parachain 的 Candidate Receipts 和 Erasure Coding

• 基于 NPoS 共识

• 为 Parachain 提供安全保证

• 提供 Parachain 之间消息通信的可靠性凭证

Parachain 平行链

• 也叫应用链

• 数量 10-100

• 基于 Substrate 开发的 runtime

• 需要通过拍卖的方式获得插槽 Slot 才能成为 Parachain，如果未获得插槽则可以用 Parathread 方式的方式接入 Relay Chain

• 需要组建 Collator

Collator 收集人

• Parachain 的 Full node、Relay Chain 的 Light node

• 哪个 Collator 生成块，由 Parachain 自定义，可以通过类似 POS 或者 POW 的机制来选定（但不提供验证和共识），可以设置激励机制

• 生成 Candidate Receipts 和 Erasure Coding 发给 Validator

• 细分的话存在两种 Collator: Polkadot Collator & Cumulus Collator

Validator 验证人

• 数量 250-1000，由 DOT 持有者投票选出

• 每个 Parachain 会被随机分配 10 个 Validator

• 与 Collator 交互验证 Parachain 新的区块数据

• 需要5-7个 Validator 来验证和签署 Parachain 中新产生的区块

• 生成 Candidate Receipts 和 Erasure Coding，写入 Relay Chain 交易队列

• BABE 出块 Validator 选择 Candidate Receipts 构建 Relay Chain 区块

• 在 GRANDPA 中对区块进行投票，超过三分之二则最终确认

Fishermen 钓鱼人

• Fishermen 需要抵押 DOT（Collator不需要抵押 DOT）

• Fishermen 是 Parachain 的 Full node

• 出块（BABE）与最终确定（GRANDPA）之间，Fishermen 进行有效性检查，防止 Validator 合谋

Bridge 桥

• 一种特殊的 Parachain，通过运行一个 Sovereign Chain（BTC、ETH等非 substrate 构建）的轻节点，完成资产的跨链

• 再通过 XCMP 将资产传递到其它 Parachain

• Sovereign Chain 和 Parachain 的一个简单的区分方法是 Sovereign Chain 自己提供共识，Parachain 由 Relay Chain 提供共识（验证 Parachain 数据需要跑一个 Relay Chain 轻节点）

Nominator 提名人/投票人

• 一般指 DOT 的投票人（Parachain 可以有自己的Staking机制，所以也可能有 Nominator）

• 最多投票给 16 个 Validator, 系统会自动分配票数，使得票数尽量分散

• Stake 解委托：Kusama 是7天

• 参与治理投票：自定义 Conviction，不同锁定期产生不同的投票权重

Merkle 树

• 特性：如果某些值发生更改，则可以通过查看新的值和树中受其影响的路径来验证更改

• 基于此属性，Validator 可以验证状态转换，而无需访问整个状态

Parachain Block

Parachain 区块，由 Collator 生成，Validator 验证后将 Parachain Block 的 Candidate Receipts 和 Erasure Coding 写入 Relay Chain 交易队列

Relay Chain Block

Relay Chain 区块，由 Validator 生成

Candidate Receipt 候选回执

Validator 通过签名为 Parachain 区块构造 Candidate Receipt：

• Parachain ID

• Collator ID 和签名

• 父块 Candidate Receipts 的哈希值

• 区块 Erasure Coding 的 Merkle 根

• 跨链消息的 Merkle 根

• 区块的哈希散列

• 执行区块之前的 Parachain 的状态根

• 执行区块之后的 Parachain 的状态根

Erasure Coding 纠删码

• 解决数据无法获得的问题：Validator 和 Fishermen 谁犯错

• 三分之一的 Validator 获得了区块编码了的数据片段时，即可重新构建出这个 Parachain 的区块

• Grandpa 共识机制是一种拜占庭容错的共识算法，也就是说仅在大于三分之二的 Validator 投票验证通过了之后，才完成区块的最终确认，所以可以获得三分之二的有 Erasure Coding 数据片段后，重构 Parachain 产出的区块并进行最终确认

• Erasure Coding 也用于 Fishermen 来报告区块是否无效时的复核，额外的 Validator 会需要取得这个区块，或者通过数据片段来重组出这个区块并再次检查

Parathread

• 本质是将部分 Parachain 插槽以类似出租、非独占的方式开放，使得更多基于 Substrate 的链可以接入

• Parathread 需要激励特定的 Collator 来帮助自己打包区块并提交给 Validator，这里的 Collator 如何组建目前还未看到明确的资料

• Parathread 通过支付 DOT + TIP 的方式让 Validator 将自己的 Candidate Receipts 写入 Relay Chain

• Parathread 和 Parachain 的安全性相同，但出块时间稳定性上会比 Parachain 差

Cumulus

• 本质是一个 Substrate Pallet

• 为 Substrate 的 Runtime 链提供 Polkadot 共识的工具库

• 同步 Relay Chain 到 Parachain，从而确定目前已敲定的 Parachain 区块

• 运行 Collator node 并生成 Parachain 区块数据

• 发送和接收跨链消息 XCMP 的工具

XCMP

• Parachain 之间通信的机制

• 本质上 Parachain 之间直接建立网络连接传递消息

• 消息的安全性通过 Relay Chain 验证

SPREE（也叫 Trust Wormhole）

• Relay Chain 解决了 Parachain 被51%攻击的情况，SPREE 解决 Parachain A 由治理的修改对 Parachain B 造成某种意义上攻击的情况。

• 解决方法是把约定的执行操作的代码wasm放到 Relay Chain 上，单个 Parachain 不能通过自己的治理机制修改该操作。

Hermit Relay Chain 隐继链

• 将 DOT 的转让、抵押、管理等事务放到一条单独的 Parachain 中，以接入的方式加到 Relay Chain

• 这样做的好处是 Relay Chain 中将仅包含 Candidate Receipts

2nd Layer Relay Chain 二级中继链

• Parachain 本身变成一个二级的 Relay Chain

• 安全性更低、出块敲定速度更慢、跨链消息传递速度更长

• 接入成本更低，满足安全性要求更低的 Parachain 需求

• 可以继续往下级联实现无限的拓展性

其它

• Collator、Validator、Fishermen 只是经济角度定义的角色，实际运行中一个节点可以扮演了多个不同的角色

参考文献

• Polkadot 白皮书

• http://blog.boka.network/2019/09/04/%e6%af%8f%e6%9d%a1%e5%b9%b3%e8%a1%8c%e9%93%be%e6%89%8d10%e4%b8%aa%e9%aa%8c%e8%af%81%e4%ba%ba%ef%bc%8c%e6%b3%a2%e5%8d%a1%e7%bd%91%e7%bb%9c%e7%9c%9f%e7%9a%84%e5%ae%89%e5%85%a8%e5%90%97%ef%bc%9f/

• http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3MzYxNzQ0Ng==&mid=2247485241&idx=1&sn=7e7435e2510ff740b7d39b709ffcc50d&chksm=eb21c070dc5649662e916d8b6daccf597a21d7d0250fd7e63bd8f58d3415351eb60ee372c280&mpshare=1&scene=1&srcid=&sharer_sharetime=1582617405828&sharer_shareid=7134817600c1844f17b9c0df52e52765#rd

• https://polkadot.network/the-path-of-a-parachain-block/amp/

• https://medium.com/web3foundation/polkadots-messaging-scheme-b1ec560908b7

• https://polkadot.network/polkadot-consensus-part-1-introduction/