Polkadot：颠覆区块链互操作性？新手必看！

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Polkadot 教程

Polkadot 简介

Polkadot 是一个前瞻性的异构多链系统，旨在通过连接多个专门构建的区块链来革新区块链技术格局。其核心理念是实现不同区块链网络之间的无缝互操作性，从而打破孤岛效应，促进信息和价值的安全高效交换。这使得 Polkadot 不仅仅是一个区块链，更是一个区块链之上的区块链，一个连接各种专用链的平台。

Polkadot 的架构核心是 Relay Chain，一个充当中央枢纽的区块链。Relay Chain 承担着至关重要的角色，它负责维护整个网络的安全、协调共识机制，并促进跨链互操作性。Relay Chain 采用一种称为 Nominated Proof-of-Stake (NPoS) 的共识机制，这种机制允许代币持有者提名验证人，从而参与网络的安全性维护。

与 Relay Chain 连接的各个独立区块链被称为平行链 (Parachains)。Parachains 可以拥有各自独特的设计和功能，针对特定用例进行优化。它们通过租赁 Relay Chain 上的插槽来获得连接，并定期与 Relay Chain 共享状态更新。Parachains 的多样性使得 Polkadot 能够支持各种各样的应用程序，从去中心化金融 (DeFi) 到供应链管理。

除了 Parachains，Polkadot 还支持平行线程 (Parathreads)。Parathreads 是一种更灵活的连接方式，允许区块链按需与 Relay Chain 交互，而无需租赁专用插槽。这使得 Parathreads 成为那些不需要持续连接到 Relay Chain 的项目的理想选择，从而降低了成本并提高了资源利用率。通过 Parachains 和 Parathreads，Polkadot 提供了高度的灵活性，以满足不同区块链项目的需求。

Polkadot 的互操作性不仅仅局限于 Polkadot 生态系统内部。通过 Bridges，Polkadot 可以与其他区块链网络（例如 Bitcoin 和 Ethereum）建立连接，从而实现跨链资产转移和数据交换。这使得 Polkadot 成为一个真正的互联互通的区块链网络，能够促进更广泛的区块链生态系统的发展。

核心概念

  • Relay Chain（中继链）： Polkadot 的核心，是整个网络的心脏。它负责网络的安全性、共识机制的实施，以及不同区块链之间的跨链互操作性。中继链采用 Nominated Proof-of-Stake (NPoS) 共识机制，这种机制通过激励诚实行为和惩罚恶意行为来保障网络的安全和稳定。NPoS 允许 DOT 代币持有者参与到网络的治理和安全维护中来，从而实现更广泛的参与和更强的抗攻击能力。
  • Parachains（平行链）： 连接到 Relay Chain 的独立区块链。每个 Parachain 都可以根据自己的特定需求进行高度定制，包括自定义的治理模型、灵活的代币经济模型、以及针对特定应用场景的优化。Parachains 通过插槽租赁的方式获得与 Relay Chain 连接的资格，从而能够安全高效地与其他 Parachains 进行通信和价值交换。插槽租赁通常通过拍卖机制进行，允许项目方竞争有限的插槽资源。
  • Parathreads（平行线程）： 与 Parachains 类似，但 Parathreads 不需要长期租赁插槽，这使得它们成为一种更经济的选择。Parathreads 按需付费连接到 Relay Chain，只需在使用时支付费用。这种模式特别适合于那些只需要偶尔与 Polkadot 网络交互的区块链项目，例如需要定期进行数据同步或者执行特定跨链操作的项目。Parathreads 提供了一种灵活且低成本的接入 Polkadot 生态的方式。
  • Bridges（桥）： 允许 Polkadot 与其他独立的区块链网络（例如以太坊和比特币）进行交互。通过 Bridges，Polkadot 生态可以与更广泛的区块链世界连接，实现资产和数据的跨链转移和共享。Bridges 的设计和实现是复杂的技术挑战，需要确保跨链通信的安全性和可靠性。不同的 Bridges 可能采用不同的技术方案，以适应不同区块链网络的特性。
  • Validators（验证人）： 负责维护 Relay Chain 的安全，是 Polkadot 网络安全的核心守护者。Validators 通过质押 DOT 代币参与共识过程，并验证 Parachain 的状态转换，确保所有交易和状态变更都符合协议规则。Validators 的职责是维护网络的完整性和可用性，防止恶意攻击和欺诈行为。Validators 会因为其贡献而获得 DOT 代币奖励，同时也面临因不当行为而被惩罚的风险。
  • Nominators（提名人）： 通过提名他们信任的 Validators 来支持网络的安全性，是一种间接参与 Polkadot 网络安全维护的方式。Nominators 会将自己的 DOT 代币委托给他们选择的 Validators，并分享 Validators 产生的奖励和惩罚。Nominators 的选择直接影响 Validators 的权重和影响力，因此他们需要仔细评估 Validators 的信誉和表现。通过 Nominators 的参与，Polkadot 网络能够实现更广泛的去中心化和更强的安全性。
  • Collators（收集人）： 负责收集 Parachain 上的交易，并将这些交易打包成区块，类似于其他区块链网络中的矿工。然后，Collators 将这些打包好的区块提交给 Relay Chain 的 Validators 进行验证。Collators 负责 Parachain 的区块生产，并确保 Parachain 的状态能够及时同步到 Relay Chain 上。Collators 需要运行 Parachain 的客户端，并与 Relay Chain 进行通信。
  • Fishermen（渔民）： 监控网络，并报告无效的状态转换，是一种链下安全机制，可以看作是 Polkadot 网络的“赏金猎人”。Fishermen 通过监视网络活动，及时发现并报告任何违反协议规则的行为。Fishermen 可以获得奖励，以此激励他们积极参与到网络的监督中来。这种链下安全机制可以有效地补充链上验证，提高 Polkadot 网络的整体安全性。

Polkadot 的优势

  • 互操作性： Polkadot 旨在打破区块链之间的孤岛效应，通过其独特的设计，允许不同的区块链（被称为平行链，或 Parachains）之间进行无缝的通信和价值转移。这意味着不同的区块链网络，例如专注于金融交易的区块链和专注于游戏应用的区块链，可以在Polkadot生态系统中互相协作，共享数据和功能，从而构建一个更具互联性和实用性的Web3生态系统。
  • 可扩展性： Polkadot 通过引入 Parachains 实现了高度的可扩展性。与传统区块链一次只能处理有限数量的交易不同，Polkadot 可以同时处理多个 Parachains 上的交易。每个 Parachain 都可以独立处理自己的交易，而所有这些交易都可以并行发生。这种并行处理能力极大地提高了整个网络吞吐量，解决了传统区块链的可扩展性瓶颈，使得Polkadot能够支持大规模的去中心化应用。
  • 安全性： Polkadot 的 Relay Chain 提供共享安全性，Parachains 可以从中受益。Relay Chain 是 Polkadot 的核心链，负责维护整个网络的安全性。Parachains 通过连接到 Relay Chain，可以共享其安全性。这意味着 Parachains 不需要自己建立完整的安全机制，从而降低了开发和维护成本，并提高了安全性。这种共享安全模型为小型或新兴的区块链项目提供了强大的安全保障。
  • 灵活性： Polkadot 的 Parachains 架构允许极高的灵活性。Parachains 可以根据自己的特定需求进行定制，例如选择不同的共识机制、数据存储方式和治理模型。这种灵活性使得开发者可以根据自己的应用场景选择最合适的区块链架构，从而优化性能和功能。Polkadot 本质上是一个区块链平台，允许开发者在其上构建各种定制化的区块链解决方案。
  • 治理： Polkadot 具有先进的链上治理系统，允许 DOT 代币持有者积极参与网络的决策过程。DOT 代币持有者可以对网络升级、参数调整和资金分配等重要事项进行投票。这种链上治理机制确保了 Polkadot 网络的透明度和去中心化程度，并允许社区共同塑造网络的未来发展方向。通过链上治理，Polkadot能够更好地适应不断变化的需求，并保持其竞争力。

如何参与 Polkadot

购买 Polkadot (DOT) 代币

要参与 Polkadot 网络，你需要拥有 DOT 代币。 获取 DOT 代币的主要方式是通过中心化加密货币交易所，这些交易所提供便捷的交易界面和相对较高的流动性。 常见的选择包括：

  • Binance: 全球领先的加密货币交易所之一，提供多种 DOT 交易对，并支持现货交易、杠杆交易等多种交易方式。在Binance购买DOT，用户需要注册账户，完成身份验证，并通过法币或其它加密货币充值后，即可在交易市场搜索DOT交易对进行购买。
  • Coinbase: 广受欢迎的加密货币交易所，以其用户友好的界面和安全性著称。 Coinbase 通常提供简化的购买流程，适合新手用户。 购买DOT之前，同样需要创建账户，完成身份验证，并关联银行账户或信用卡进行充值。
  • Kraken: 一家历史悠久且信誉良好的加密货币交易所，提供各种 DOT 交易对以及保证金交易。 Kraken 对于安全性非常重视，并提供机构级的服务。Kraken的购买流程与Binance和Coinbase类似，注册、身份验证、充值后即可购买。

在选择交易所时，请务必考虑以下因素：交易所的安全性、流动性、交易费用以及是否支持你所在地区的交易。 建议进行充分的研究，阅读用户评论，并选择信誉良好且受到监管的交易所。

除了上述中心化交易所，你也可以考虑通过去中心化交易所（DEX）购买DOT。然而，使用DEX通常需要更高的技术门槛，并且流动性可能不如中心化交易所。 一些支持 DOT 的 DEX 包括 Moonbeam 上的 Solarbeam 和 Acala 上的 Acala Swap。

购买 DOT 之前，请务必了解加密货币市场的风险，并仅投资你能承受损失的资金。 在进行任何交易之前，强烈建议设置强密码、启用双重身份验证 (2FA)，并将你的 DOT 代币存储在安全的钱包中。

存储 DOT 代币

成功购买 DOT 代币之后，妥善存储你的资产至关重要。为了确保资产安全，你需要选择一个可靠且支持 DOT 代币的钱包。目前，你有多种选择，包括：

  • Polkadot-JS 扩展钱包： 这是一个官方维护的浏览器扩展钱包，与 Polkadot 生态系统深度集成，方便用户进行 DOT 代币的存储、转账和参与 Polkadot 网络的治理。
  • Ledger 硬件钱包： 如果你追求更高的安全性，硬件钱包是理想的选择。Ledger Nano S 或 Ledger Nano X 等设备支持 DOT 代币，通过离线存储你的私钥，可以有效防止网络攻击和恶意软件的威胁。使用硬件钱包需要配合相应的软件进行操作。
  • 其他支持 DOT 代币的钱包： 除了 Polkadot-JS 和 Ledger 之外，市面上还有其他许多钱包也支持 DOT 代币，例如 imToken、Trust Wallet 等。选择钱包时，务必仔细研究其安全特性、用户评价和功能，确保其能够满足你的需求。同时，要注意备份你的钱包助记词或私钥，以防止资产丢失。

在选择钱包时，请务必考虑安全性和易用性之间的平衡。对于长期持有 DOT 代币的用户，硬件钱包通常是更安全的选择。对于需要频繁交易的用户，Polkadot-JS 扩展钱包或其他软件钱包可能更方便。无论你选择哪种钱包，都要采取必要的安全措施，例如设置强密码、启用双重验证等，以保护你的 DOT 代币资产。

参与质押

你可以通过两种主要方式参与 Polkadot 的质押过程：成为验证人或者成为提名人。这两种方式各有优缺点，适合不同类型的参与者。

  • 成为验证人： 验证人负责维护 Polkadot 网络的安全和稳定。他们需要运行一个始终在线的验证人节点，验证交易，并参与共识过程。成为验证人需要质押大量的 DOT 代币作为抵押，以保证其诚实行为。如果验证人行为不端，例如尝试攻击网络或离线，其质押的 DOT 代币可能会被罚没 (slashed)。成为验证人还需具备较高的技术能力，包括服务器管理、网络配置、安全防护等，以及持续监控和维护节点的能力。运行验证人节点的硬件和电力成本也相对较高。验证人可以获得区块奖励和交易手续费作为回报，但同时也承担着更高的风险和责任。
  • 成为提名人： 提名人通过提名他们信任的验证人来参与质押。提名人将其持有的 DOT 代币委托给一个或多个验证人，并分享验证人获得的奖励。相对而言，成为提名人需要的 DOT 代币数量较少，而且操作也相对简单。提名人只需选择信誉良好、运行稳定的验证人即可。提名人同样需要承担一定的风险，如果被提名的验证人行为不端，提名人的部分 DOT 代币也可能会被罚没。提名人可以通过 Polkadot 的治理系统了解验证人的表现，并随时更改他们的提名选择。

开发 Parachain

如果你希望构建定制化的区块链解决方案，并享受与其他区块链互操作的优势，开发平行链 (Parachain) 并将其连接到 Polkadot 网络是一个极具吸引力的选择。 实施Parachain的关键在于对 Substrate 框架的深入理解和熟练应用。

Substrate 是一个模块化的区块链开发框架，它允许开发者快速构建定制化的区块链，并提供了构建平行链所需的所有核心组件。这意味着您可以专注于构建区块链的独特业务逻辑，而无需从头开始构建所有底层基础设施。 Substrate 提供了共识机制、网络协议、存储解决方案和 WebAssembly (Wasm) 智能合约支持等开箱即用的功能，从而显著缩短开发周期并降低复杂性。

开发 Parachain 的过程通常涉及以下步骤：

  • 定义平行链的业务逻辑： 确定平行链的具体功能和目标，例如去中心化金融 (DeFi) 应用、供应链管理系统或游戏平台。
  • 使用 Substrate 构建平行链： 利用 Substrate 的模块化特性，选择或自定义所需的模块 (Pallets) 来实现业务逻辑。
  • 实现平行链共识机制： 选择合适的共识机制，例如基于 GRANDPA 的提名权益证明 (NPoS) 或其他定制的共识算法。
  • 设计平行链的网络协议： 定义平行链与其他区块链以及 Polkadot Relay Chain 之间的通信方式。
  • 注册平行链到 Polkadot 网络： 参与平行链插槽拍卖，获得在 Polkadot 网络上运行的资格。
  • 连接平行链到 Relay Chain： 通过跨链消息传递 (XCMP) 协议，实现平行链与 Relay Chain 以及其他平行链之间的互操作。

开发 Parachain 是一个相对复杂的过程，需要区块链技术、密码学和分布式系统等方面的专业知识。然而，Substrate 框架和 Polkadot 网络的强大功能和灵活性，为开发者提供了构建创新性区块链解决方案的强大工具。

使用 Polkadot-JS 应用

Polkadot-JS 应用 ( Polkadot-JS Apps ) 是一个功能强大的 Web 界面，专门设计用于与 Polkadot (DOT) 和 Kusama (KSM) 网络以及其他基于 Substrate 构建的区块链进行交互。它提供了一个用户友好的环境，用于执行各种关键操作，并深入了解网络的状态。

利用 Polkadot-JS 应用，用户可以执行以下操作：

  • 查看账户余额： 实时监控和管理您的 DOT、KSM 或任何其他 Substrate 链上的代币余额，准确掌握您的资产状况。
  • 发送 DOT 代币： 安全、便捷地将 DOT 或其他资产转移给其他用户，支持设置交易费用和查看交易详情。
  • 参与质押： 通过提名验证人 (Validators) 参与 Polkadot 或 Kusama 网络的质押，赚取质押奖励，并为网络的安全性做出贡献。您可以选择多个验证人，分散风险。
  • 参与治理： 积极参与 Polkadot 或 Kusama 的链上治理过程，对提案进行投票，塑造网络的未来发展方向。您可以在 Polkadot-JS 应用上查看提案详情，并了解社区的讨论情况。
  • 查看平行链 (Parachains) 的状态： 跟踪已连接到 Polkadot 或 Kusama 中继链 (Relay Chain) 的平行链的状态，包括区块高度、验证人集合和其他关键信息。您可以浏览不同的平行链，了解其功能和特点。
  • 与平行链交互： 如果平行链支持，可以通过 Polkadot-JS 应用直接与其进行交互，例如执行特定于该平行链的功能或转账代币。 这需要平行链实现必要的接口和功能。

为了充分利用 Polkadot-JS 应用的功能，用户需要首先安装 Polkadot-JS 扩展钱包 ( Polkadot-JS Extension )。这个浏览器扩展程序充当用户浏览器和 Polkadot 网络之间的安全桥梁，管理用户的密钥和签名交易。 安装完成后，访问 Polkadot-JS 应用的网站，并按照提示连接您的钱包。 连接钱包后，您就可以安全地访问和使用 Polkadot-JS 应用的各种功能。

Substrate 框架

Substrate 是一个高度模块化的区块链开发框架，旨在简化定制化区块链的构建过程。它由 Parity Technologies 开发，并且是 Polkadot 网络的核心底层技术架构。Substrate 允许开发者选择和组装各种预构建的模块（称为 Pallets），从而快速搭建符合特定需求的区块链，例如专门用于 DeFi、供应链管理或游戏等领域的区块链。

Substrate 框架的优势在于其灵活性和可扩展性。开发者可以自定义链的共识机制、存储方式、交易逻辑和治理模式。它提供了多种共识算法的选择，例如 Proof-of-Authority (PoA)、Proof-of-Stake (PoS) 以及 Byzantine Fault Tolerance (BFT) 算法的变种，并支持自定义共识机制的实现。 Substrate 还内置了 WebAssembly (Wasm) 虚拟机，使得链上智能合约的执行更加安全和高效。通过使用 Substrate，开发者可以避免从头开始编写区块链代码，从而显著缩短开发周期，降低开发成本。Substrate 框架支持热升级，这意味着区块链可以在不中断服务的情况下进行升级。

Substrate 的优势

  • 模块化架构： Substrate 采用模块化设计，允许开发者根据具体应用场景灵活选择和组装不同的功能模块（Pallets）。这种架构极大地简化了区块链的开发过程，开发者无需从零开始构建所有底层逻辑，而是可以专注于业务逻辑的实现。Substrate 提供的预构建模块涵盖了账户管理、共识机制、智能合约、治理等多个方面，开发者可以根据需求选择合适的模块进行组合，或者自定义模块以满足特殊需求。
  • 高度可定制性： Substrate 提供了极高的定制化程度，开发者可以根据自身需求深度定制区块链的各个方面。这包括但不限于治理模型（例如：委员会治理、代币投票治理）、代币经济学（例如：通货膨胀率、奖励机制、手续费结构）以及共识机制（例如：PoS、BABE、GRANDPA）。这种灵活性使得开发者能够构建出完全符合其特定业务需求的区块链解决方案，并进行精细化的参数调整以优化性能。
  • 无分叉升级能力： Substrate 支持链上升级，这意味着区块链可以在不中断运行、无需进行硬分叉的情况下进行更新。这种特性极大地提高了区块链的可用性和可维护性。升级过程通过治理机制进行控制，社区可以对升级提案进行投票，确保升级符合社区的整体利益。链上升级降低了升级的复杂性和风险，使得区块链能够更快速地适应新的技术和业务需求。
  • 与 Polkadot 的互操作性： 使用 Substrate 构建的区块链可以轻松地连接到 Polkadot 网络，成为一个平行链（Parachain）。通过 Polkadot 的跨链互操作性协议，这些平行链可以与其他平行链以及 Polkadot 中继链进行通信和价值转移。这种互操作性为 Substrate 构建的区块链带来了巨大的网络效应和流动性，使其能够更有效地参与到 Web3 生态系统中。

使用 Substrate 构建 Parachain

Substrate 是一个模块化区块链框架，允许开发者快速构建定制化的区块链，包括 Parachain。它提供了一整套工具、库和可重用组件，简化了区块链开发过程，加速了 Parachain 的构建和部署。Substrate 的灵活性使得开发者可以专注于业务逻辑的实现，而无需从头开始构建底层基础设施。

构建 Parachain 的过程涉及几个关键步骤。以下详细描述了这些步骤：

  1. 安装 Substrate 开发环境：

    需要配置 Substrate 开发环境。这通常包括安装 Rust 编程语言、Cargo 包管理器以及 Substrate 的相关工具链。确保你的开发环境满足 Substrate 的最低系统要求，并按照官方文档的指导完成安装。安装完成后，验证环境配置是否正确，以便后续开发顺利进行。

  2. 创建一个新的 Substrate 项目：

    利用 Substrate 提供的命令行工具，可以快速创建一个新的项目模板。该模板包含了基本的项目结构、依赖项和配置文件。选择一个合适的项目名称，并使用 Substrate 的 CLI 工具生成项目框架。这个框架将作为你构建 Parachain 的基础。

  3. 选择所需的模块（Pallets）：

    Substrate 的模块化设计允许你选择和集成不同的模块（Pallets）来构建 Parachain 的功能。这些模块提供了预先构建好的功能，例如账户管理、代币发行、治理机制等。根据你的 Parachain 的需求，选择并配置所需的模块。你也可以自定义 Pallets 以实现特定的业务逻辑。

  4. 定制区块链的各种方面：

    在选择了必要的模块后，需要根据你的 Parachain 的具体需求来定制区块链的各种方面。这包括定义链的共识机制、区块大小、交易费用模型、治理参数等。Substrate 提供了丰富的配置选项，允许你灵活地调整区块链的各个方面，以满足你的特定需求。

  5. 编译和部署区块链：

    完成配置后，可以使用 Cargo 工具编译 Substrate 项目。编译过程将生成可执行文件，可以在本地或者远程服务器上运行。部署 Parachain 需要配置网络节点，并启动区块链网络。确保你的节点能够正常运行，并且可以与其他节点进行通信。

  6. 注册 Parachain 并连接到 Polkadot 网络：

    要将你的 Parachain 连接到 Polkadot 网络，需要向 Polkadot 中继链注册你的 Parachain。这通常涉及到参与插槽拍卖或通过其他机制获得一个 Parachain 插槽。注册成功后，你的 Parachain 将能够与 Polkadot 网络进行互操作，并享受 Polkadot 提供的安全性和互操作性。

Polkadot 的未来展望

Polkadot 的未来充满着无限的可能性，它正朝着成为区块链技术领域的核心基础设施而不断演进。随着平行链（Parachains）数量的持续增长并成功接入 Polkadot 网络，Polkadot 有望成为领先的区块链互操作性平台，实现不同区块链网络之间的无缝连接和价值转移。

Polkadot 的发展方向主要集中在以下几个关键领域：

  • 互操作性增强： Polkadot 致力于显著提升不同区块链之间的互操作性水平，通过更先进的跨链通信协议和技术，实现数据和资产在异构链之间的安全、高效流动。
  • 可扩展性提升： Polkadot 将持续探索和优化其分片技术和共识机制，以进一步提高网络的可扩展性，从而支持更大规模的应用和交易吞吐量，应对不断增长的网络需求。
  • 安全性加固： Polkadot 始终将安全性放在首位，不断进行安全审计、漏洞修复和风险评估，以增强网络的整体安全性和抵御各种潜在攻击的能力，确保网络稳定运行。
  • 开发流程简化： Polkadot 社区致力于简化平行链（Parachain）的开发流程，通过提供更完善的开发工具、框架和文档，降低开发门槛，吸引更多的开发者参与到 Polkadot 生态系统的建设中。
  • 应用场景拓展： Polkadot 积极探索和拓展其在各个领域的应用场景，例如去中心化金融（DeFi）、供应链管理、物联网（IoT）等，利用其互操作性和可扩展性优势，为不同行业提供创新的解决方案。

Polkadot 正在积极地重塑区块链世界的格局，它所采用的技术和理念正在为区块链技术的未来发展奠定坚实的基础。 我们有理由相信 Polkadot 将会取得更加辉煌的成就，并对整个区块链行业产生深远的影响。