在神话传说中精灵Elves一直被视为高效、安全与和谐的象征。而在 Polkadot 和 Kusama 的世界里也有着名为ELVES的专属协议。这一由 Web3 Foundation 研究团队开发的内核协议旨在帮助两条区块链网络实现更高的安全性和可扩展性。本文将带您深入了解 ELVES 协议的运作机制及其为用户带来的核心价值。 阅读原文https://medium.com/web3foundation/elves-the-fairy-dust-that-makes-polkadot-scalable-2acff1a22280基础背景通常一个区块链协议由数百到数千个节点组成的网络构成。在参与投票达成共识并最终确认交易之前每个节点都需要下载并验证每一个交易区块。这一过程的安全前提是假设网络中至少有三分之二的节点是诚实的。即使约 30% 的节点出现故障或被黑客攻击区块链依然能保持安全。基于这一前提我们的讨论核心将转向权益证明PoS机制以及 Polkadot 和 Kusama 的加密经济安全性。可扩展性的困境上述安全保障机制存在一个主要弊端它限制了系统的可扩展性。因为每个节点都必须验证每个区块随着网络规模扩大效率会迅速下降。然而为了维持去中心化和安全性又必须保持庞大的节点数量。这就产生了一个矛盾系统的整体扩展性最终受限于处理能力最低的那个节点。Polkadot 架构的破局之道解决扩展性挑战的根本在于并行化和数据分区将大型数据集分解为更小、更易管理的片段。Web2 架构高度依赖数据分区来处理海量数据和用户请求使其能够以低延迟、高可用性服务全球用户。Polkadot 在设计之初就将这些原则融入了核心架构。在 Polkadot 的设计中验证者不需要像其他区块链那样处理每一笔交易。他们既不执行也不下载所有交易从而节省了大量带宽。效率的提升得益于两层设计交易先提交至平行链Layer 2然后平行链区块被提交至中继链Layer 1最终在中继链上完成确认并获得安全保障。虽然 BABE 协议负责出块GRANDPA 协议负责中继链层面的最终性确认但如果要求每个验证者仍需下载并执行中继链上的所有数据瓶颈依然存在。在这种情况下如果每个区块的验证者不足三分之一如何仍然确保加密经济安全呢这就是 ELVES 发挥作用的地方。ELVES 的核心角色ELVES 协议实现了平行链区块从创建到纳入中继链的高效、可靠传输。它允许各平行链并行运行同时提供极强的安全保障从而在不牺牲安全性的前提下实现了网络的横向扩展。下图展示了 ELVES 协议的四个阶段以验证平行链区块 B 为例。此示例中共 10 个验证者参与。分配到平行链的验证者v1、v2、v3参与阶段 1 和 2而所有验证者v1…v10参与阶段 3 和 4。阶段 1分配到特定平行链的三名验证者v1, v2, v3接收区块。阶段 2这些验证者检查区块的有效性并决定是否为其“背书”即担保其有效性。图中v1 和 v2 决定为区块 B 提供背书。阶段 3区块被拆分利用纠删码技术为多个片段并分发给所有验证者。每个验证者确认收到片段。这确保了所有验证者都能获取区块数据以便后续复核。在此阶段可用性得到了保障。阶段 4确保阶段 1 的平行链验证者没有作恶。系统从中继链验证者中随机抽取一个子集如图中的 v5, v8, v10他们利用上阶段收到的片段重建区块验证其有效性并批准之前的背书。在此阶段有效性得到了最终确认。虽然示例中每条链分配了 3 名验证者但在实际运行中验证者总数要多得多Polkadot 约为 600 名Kusama 约为 1,000 名。ELVES 如何大幅降低计算开销ELVES 通过让一小部分节点验证每个区块来降低计算量。关键在于如何选择足够数量的随机子集并定义其判定有效性的规则。如果随机子集中大多数是诚实节点简单的投票就足够了。但要统计学上确保随机子集中诚实节点占多数该子集必须非常大通常需要数百个节点这依然很昂贵。ELVES 的高明之处在于它要求随机委员会中的所有节点都批准已验证的区块。这意味着子集中只要存在一个诚实节点安全性就能得到保障。通过概率计算ELVES 能确保初始随机子集中极大概率包含至少一个诚实节点。此外它还依赖经济安全机制 —— 节点必须质押资产一旦违规将面临“真金白银” 的损失。具体流程如下1️⃣ 首先选择一个极小的随机子集。2️⃣ 如果某些成员未响应则逐步增加成员。3️⃣ 如果仍无法达成共识最终将由全体验证者参与验证。由于多个区块可以并行验证而攻击者一次只能干扰极少数子集因此绝大多数区块只需极小的验证子集即可完成。这种机制确保了如果验证子集中出现任何矛盾作恶节点将被罚没Slash保证金。平均而言这种方法只需要约 80 个节点参与验证。在系统未受攻击的理想情况下这一数字甚至更小。相比于让所有验证者检查每个区块ELVES 平均节省了90% 以上的计算能力在某些场景下节省比例甚至高达97%。ELVES 的部署情况ELVES 协议自 2020-2021 年起已在 Polkadot 和 Kusama 上部署。Web3 基金会近期发表的论文进一步证明了其安全性研究显示只要为每个平行链区块初始选择 25 名验证者作为“批准检查者”预期其中包含约 17 名诚实节点协议就是安全的。这是因为在平行链验证者背书区块时他们并不知道谁会被随机选中进行后续检查攻击者无法预判。此外ELVES 还会根据节点的在线情况动态调整批准所需的验证者数量确保了 Polkadot 的高弹性和强大扩展性。经济韧性昂贵的攻击成本由于 ELVES 的巧妙设计对 Polkadot 发起经济攻击变得极其昂贵。攻击者必须在不知道谁会负责审计的情况下先承诺进行恶意背书。由于绝大多数验证者是诚实的攻击行为不被任何诚实节点察觉的概率几乎为零。攻击的 “期望值”潜在收益乘以成功概率因此变得微不足道。即便攻击的潜在收益高达数百万美元但由于被发现的概率趋近于 100%这种尝试在经济上是完全不合理的。相比之下传统的共识攻击如获取 1/3 控制权在理论上成本更低但在实践中获得并维持这种控制权的成本已使其变得几乎不可能。一旦攻击者被抓获其质押的资金将被全额罚没并被剥夺未来的收益权。对用户意味着什么ELVES 为 Kusama 和 Polkadot 注入了强大的扩展能力。目前这两个网络在仅使用不到四分之一总容量的情况下就能实现至少140,000 TPS每秒交易处理量。这些数字并非实验室的理论值而是 2024 年底在生产环境中进行的 Spammening 压力测试所给出的真实数据。对于普通用户而言Polkadot 的高性能和去中心化带来了实实在在的好处更低且稳定的交易费避免了像以太坊等区块链在网络拥堵时出现的天价手续费。支持高吞吐量应用例如游戏平台。Mythical Games就是一个典型案例得益于 Polkadot 的性能玩家和开发者成功从以太坊迁移到了 Mythos 生态。广阔的增长空间Polkadot 的架构允许容纳更多平行链和项目增加了网络生态的多样性。极致的安全性降低成为验证者的成本促进了去中心化而更强的去中心化则为用户的资产提供了更坚固的盾牌。正如传说中那些在幕后不知疲倦地工作、守护平衡的精灵一样Polkadot 的 ELVES 协议也在静默而强力地运行着守护着 Web3 世界的安全与效率。