Web3 擴展性的權衡：Polkadot 的解決之道

在區塊鏈不斷追求更高效率的今天，一個關鍵問題逐漸顯現：如何在擴展性能的同時兼顧安全性與系統彈性？

這不僅是技術層面的挑戰，更是架構設計的深層抉擇。對於 Web3 生態而言，一個更快的系統如果建立在犧牲信任和安全性的基礎上，往往難以支撐真正可持續的創新。

Polkadot 作爲 Web3 可擴展性的重要推動者，其 rollup 模型是否在去中心化、安全性或網路互操作性上做出了讓步？本文將深入剖析 Polkadot 在擴展性設計中的取舍與權衡，並與其他主流公鏈的解決方案進行對比，探討它們在性能、安全與去中心化三者之間的不同路徑選擇。

Polkadot 擴展設計面臨的挑戰

彈性與去中心化的平衡

Polkadot 的架構依賴於驗證者網路以及中繼鏈，這是否可能在某些方面引入中心化風險？是否可能形成單點故障或控制，從而影響其去中心化特性？

Rollup 的運行依賴於連接中繼鏈的排序器，其通信使用一種稱爲collator 協議的機制。該協議完全無需許可、無需信任，任何有網路連接的人都可以使用它，連接少量中繼鏈節點，並提交 rollup 的狀態轉換請求。這些請求會通過中繼鏈的某個 core 驗證，只需滿足一個前提：必須是有效的狀態轉換，否則該 rollup 的狀態將不會被推進。

垂直擴展的權衡

Rollup 可以通過利用 Polkadot 的多 core 架構來實現垂直擴展。這項新能力由「彈性擴展」功能引入。在設計過程中我們發現，由於 rollup 區塊驗證並不固定在某一個 core 上執行，這可能會影響其彈性。

由於向中繼鏈提交區塊的協議是無需許可、無需信任的，任何人都可以將區塊提交到 rollup 所被分配的任一 core 上進行驗證。攻擊者可能會利用這一點，將之前已經驗證過的合法區塊反復提交到不同 core 上，惡意消耗資源，從而降低 rollup 的整體吞吐量和效率。

Polkadot 的目標是在不影響系統關鍵特性的前提下，維持 rollup 的彈性以及中繼鏈資源的有效利用。

Sequencer 值得信任嗎？

一種簡單的解決方法是將協議設置爲 "有許可的"：例如採用白名單機制，或默認信任排序器不會惡意行爲，從而保障 rollup 的活性。

然而，在 Polkadot 的設計理念中，我們不能對 sequencer 做任何信任假設，因爲要保持系統的「無需信任」和「無需許可」特性。任何人都應該可以使用 collator 協議提交 rollup 的狀態轉換請求。

Polkadot: 不妥協的解決方案

Polkadot 最終選擇的方案是：將問題完全交由 rollup 的狀態轉換函數（Runtime）解決。Runtime 是所有共識信息的唯一可信來源，因此必須在輸出中明確聲明應在哪個 Polkadot core 上執行驗證。

這種設計實現了彈性與安全性的雙重保障。Polkadot 會在可用性流程中重執行 rollup 的狀態轉換，並通過 ELVES 加密經濟協議確保 core 分配的正確性。

在任何 rollup 區塊寫入 Polkadot 的數據可用性層（DA）前，由約 5 位驗證者組成的小組會先驗證其合法性。他們接收排序器提交的候選回執和有效性證明，其中包含 rollup 區塊及相應的存儲證明。這些信息將交由平行鏈驗證函數處理，由中繼鏈上的驗證人重執行。

驗證結果中包含一個 core selector，用於指定應在哪個 core 上驗證區塊。驗證人會比對該索引是否與自己負責的 core 一致；若不一致，該區塊將被丟棄。

這種機制確保系統始終保持無需信任和無需許可的屬性，避免排序器等惡意行爲者操控驗證位置，確保即使 rollup 使用多個 core 也能保持彈性。

安全性

在追求擴展性的過程中，Polkadot 並未在安全性上妥協。rollup 的安全由中繼鏈保障，只需一個誠實排序器即可維持存活性。

借助 ELVES 協議，Polkadot 將其安全性完整擴展到所有 rollup，驗證所有 core 上的計算，無需對使用核心數量做任何限制或假設。

因此，Polkadot 的 rollup 可以在不犧牲安全性的前提下實現真正的擴展。

通用性

彈性擴展不會限制 rollup 的可編程性。Polkadot 的 rollup 模型支持在 WebAssembly 環境中執行圖靈完備的計算，只要單次執行在 2 秒內完成。借助彈性擴展，每 6 秒週期內可執行的總計算量得以提升，但計算類型不受影響。

復雜性

更高的吞吐量和更低的延遲不可避免地引入復雜性，這是系統設計中唯一可接受的權衡方式。

Rollup 可通過 Agile Coretime 接口動態調整資源，以維持一致的安全水平。它們還需實現部分 RFC103 要求，以適應不同使用場景。

具體的復雜性取決於 rollup 的資源管理策略，這些策略可能依賴鏈上或鏈下變量。例如：

• 簡單策略：始終使用固定數量的 core，或通過鏈下手動調整；

• 輕量策略：在節點 mempool 中監控特定交易負載；

• 自動化策略：通過歷史數據和 XCM 接口提前調用 coretime 服務配置資源。

自動化方式雖然更高效，但實現與測試成本也顯著上升。

互操作性

Polkadot 支持不同 rollup 間的互操作性，而彈性擴展並不會影響消息傳遞的吞吐量。

跨 rollup 的消息通信由底層傳輸層實現，每個 rollup 的通信區塊空間是固定的，與其分配的核心數量無關。

未來，Polkadot 還將支持鏈下消息傳遞，由中繼鏈作爲控制面，而非數據面。該升級將使 rollup 間通信能力隨彈性擴展一同提升，進一步增強系統的縱向擴展能力。

其他協議做出了哪些權衡？

衆所周知，性能提升往往以犧牲去中心化與安全性爲代價。但從 Nakamoto 系數來看，即便一些 Polkadot 競爭對手的去中心化程度較低，其性能表現也並不如人意。

某公鏈A

某公鏈A不採用 Polkadot 或以太坊的分片架構，而是以單層高吞吐架構實現擴展性，依賴歷史證明、CPU 並行處理和基於領導者的共識機制，理論 TPS 可達 65,000。

一個關鍵設計是其預先公開且可驗證的領導者調度機制：

• 每個 epoch（約兩天或 432,000 個 slot）開始時，按質押量分配 slot；

• 質押越多，分配越多。例如質押 1% 的驗證人將獲得約 1% 的出塊機會；

• 所有出塊者提前公布，增加了網路遭受定向 DDoS 攻擊、頻繁宕機的風險。

歷史證明與並行處理對硬件要求極高，導致驗證節點集中化。質押越多的節點出塊機會越大，小節點幾乎無 slot，進一步加劇中心化，也增加了被攻擊後系統癱瘓的風險。

某公鏈A爲追求 TPS，犧牲了去中心化和抗攻擊能力，其 Nakamoto 系數僅爲20 ，遠低於 Polkadot 的172。

某公鏈B

某公鏈B宣稱 TPS 可達 104,715，但這一數字是在私有測試網、256 個節點、理想網路與硬件條件下實現的。而 Polkadot 在去中心化公網上已達128K TPS。

某公鏈B的共識機制存在安全隱患：分片驗證節點的身分會提前暴露。某公鏈B白皮書也明確指出，這雖能優化帶寬，但也可能被惡意利用。由於缺乏 "賭徒破產" 機制，攻擊者可等待某個分片被其完全控制，或通過 DDoS 攻擊阻斷誠實驗證者，從而篡改狀態。

相比之下，Polkadot 的驗證人是隨機分配、延遲揭示的，攻擊者無法提前得知驗證人身分，攻擊需賭全部控制成功，只要有一個誠實驗證者發起爭議，攻擊就會失敗並導致攻擊者損失質押。

某公鏈C

某公鏈C採用主網 + 子網架構進行擴展，主網由 X-Chain（轉帳，~4,500 TPS）、C-Chain（智能合約，~100--200 TPS）、P-Chain（管理驗證者與子網）組成。

每個子網理論 TPS 可達 ~5,000，類似 Polkadot 的思路：減少單個 shard 的負載以實現擴展。但某公鏈C允許驗證者自由選擇參與子網，且子網可設置地理、KYC 等額外要求，犧牲了去中心化與安全性。

在 Polkadot，所有 rollup 共享統一安全保障；而某公鏈C的子網沒有默認的安全保證，部分甚至可完全中心化。若想提高安全性，仍需在性能上妥協，且難以提供確定性的安全承諾。

以太坊

以太坊的擴展策略是押注於 rollup 層的可擴展性，而不是在基礎層直接解決問題。這種方式本質上並沒有解決問題，而是將問題傳遞到了堆棧的上一層。

Optimistic Rollup

目前大多數 Optimistic rollup 都是中心化的（有些甚至只有一個 sequencer），存在安全性不足、彼此孤立、延遲高（需等待欺詐證明期，通常幾天）等問題。

ZK Rollup

ZK rollup 的實現受到單筆交易可處理數據量的限制。生成零知識證明的計算需求極高，且 "贏者通喫" 機制易導致系統中心化。爲保證 TPS，ZK rollup 往往限制每批次交易量，在高需求時會引發網路擁堵、gas 漲，影響用戶體驗。

相比之下，圖靈完備 ZK rollup 的成本大約是 Polkadot 核心加密經濟安全協議的 2x10^6 倍。

此外，ZK rollup 的數據可用性問題也會加劇其劣勢。爲了確保任何人都能驗證交易，仍需提供完整交易數據。這通常依賴額外的數據可用性解決方案，進一步推高成本和用戶費用。

結語

可擴展性的盡頭，不應該是妥協。

與其他公鏈相比，Polkadot 並未走上以中心化換性能、以預設信任換效率的道路，而是通過彈性擴展、無需許可的協議設計、統一的安全層和靈活的資源管理機制，實現了安全性、去中心化與高性能的多維度平衡。

在追求更大規模應用落地的今天，Polkadot 所堅持的"零信任擴展性"，或許才是真正能支撐 Web3 長遠發展的解決方案。