今日推薦 | 一文速覽波卡關鍵機制新論述：NPoS、時間共識與 GRANDPA

原文標題：《波卡（Polkadot）研究進展》

最近有幾篇文章添加到了 Web3 基金會研究網頁中，涵蓋了 Polkadot 去中心化區塊鏈平台的各個子目錄：提名權益證明（NPoS）、時間共識和 GRANDPA （為中繼鏈實現的區塊最終性工具）。在這裡，我們對每一篇文章都做了簡要介紹，並提供了相關的鏈接。

提名權益證明中的驗證人選舉

Polkadot 實現了提名權益證明（NPoS），這是對權益證明（PoS）的一種改編，在這種情況下，全部的代幣持有者可以作為提名人參與網路，支持一個大型但數量有限驗證人節點池（在創世中預計為數百個）。這個方案允許大量的質押（ stake ）來支持驗證人，遠遠高於任何單個用戶的持有量，從而使網路更加安全。

提名人與他們支持的驗證人分享經濟獎勵以及可能的 slash 懲罰，在經濟上給予系統安全性，因此在經濟上激勵他們監督驗證人的性能。

因此，NPoS 不僅比工作量證明更有效率，而且比沒有 stake 委託的 PoS 機制更安全和去中心化，因為 PoS 只有少數「巨鯨」（擁有大量代幣的人）可以成為驗證人。

根據提名人的偏好，系統在每個 era （大致相當於一天）都會選擇一組新的驗證人，根據選舉規則，該規則會選擇 stake 比例儘可能高且分布儘可能均勻的一組驗證人。

這個範例同時實現了高度的安全性和可擴展性，以及前所未有的去中心化，通過提供一個正式的數學保證，驗證人委員會實現了比例代表（proportional representation）。

非正式地說，這意味著所有提名人中的每一個少數派（即提名別人沒有提名的驗證人）都可以按照他們所持的 stake 比例選舉出一些驗證人，而不存在少數派代表不足的問題。

我們強調，無論是出於安全、政治、地理或經濟方面的原因，網路用戶自然會產生不同的偏好和派系。在一個去中心化的社區中，這種觀點的多樣性是值得期待和歡迎的，我們的目標是確保所有少數群體都有代表並參與決策進程。

摘要：Polkadot 是一個將於 2020 年推出的去中心化區塊鏈平台。它將實現提名權益證明（NPoS），這是一種基於權益證明的機制，其中 k 個節點被網路選擇為驗證人，根據擔任提名人角色的代幣持有者表達的偏好來參與共識協議。這種設置實現了一個基於批准的多贏選舉問題，即每個提名人提交一份可信候選人名單，並且擁有與其 stake 成比例的投票權力。一個解決方案包括一個由 k 個驗證人組成的委員會，以及在他們之中每個提名人投票的比例分布。我們考慮兩個目標，都是最近在社會選擇文獻中研究學習到的。第一個問題是保證比例公平表示的性質。第二個目標，稱為 maximin 支持，是最大化分配給任何選舉的驗證人的最小投票支持量。我們認為，前者的目標符合去中心化的概念，而後者符合共識協議的安全級別。

我們證明了 maximin 支持問題是常數因子近似的，並給出了幾個近似演算法，證明了一個匹配的硬度結果。此外，我們還提出了一種有效的後計算方法，當它與支持最大值的近似演算法配對時，返回一個新的解，即 a）保留近似保證，b）滿足 PJR 屬性，c）可以由不可信的第三方有效地驗證滿足公平比例代表（ PJR：proportional justified representation ）。除了具有獨立的理論意義外，我們的結果使網路能夠運行一個有效的驗證人選擇協議，同時實現 PJR 屬性和最大值支持的常數因子近似，從而為去中心化和安全性提供了強有力的理論保證。

要閱讀更多關於 NPoS 和我們使用的驗證人選舉規則的信息，請閱讀完整論文或 Medium 文章 《NPoS 如何在 Polkadot 中運行》。

完整論文

時鐘共識的網路時間

在日常生活中，我們通常不考慮測量時間的機制。現在，它通常是通過時鐘中晶體振蕩器的振動次數來測量的。當這些振動的頻率因溫度、壓力和濕度等因素而變化時，一天內可能會出現幾秒鐘的誤差。

與晶體振蕩器不同，連接到互聯網的計算機時鐘通常使用額外的機制，如網路時間協議（NTP）或全球定位系統（GPS）來提高精度。然而，在過去，NTP 伺服器被破壞或 GPS 信號被愚弄的事件時有發生。如果這種攻擊發生在權益證明的區塊鏈中，誠實的全節點將停止生成塊，因為它們不知道該到它們了，而惡意的全節點將繼續生成塊並控制區塊鏈。

為了防止這種可能性，Polkadot 使用相對時間協議（relative time protocol），這是一種在區塊鏈協議之上工作的通用同步協議。這在中繼鏈中尤為重要，因為每個驗證人都有自己的時鐘（不通過任何協議，如 NTP 或 GPS，進行校正）。驗證人使用相對時間協議來解釋最終塊的到達時間，以確定在去中心化網路中當前要對齊的正確時鐘。因此，可以更精確地定義驗證人之間的時間同步。

摘要：需要同步通信的去中心化協議通常是藉助計算機時鐘顯示的時間來實現的。這些時鐘大多由諸如網路時間協議（NTP）的中心化系統進行調整，因為這些調整對於減少隨機誤差對時鐘的影響是必不可少的。另一方面，對這些系統的攻擊（過去曾發生過）會導致依賴於它們提供的時間數據來保持同步性的協議損壞。因此，我們面臨著這樣的兩難境地：要麼依賴一個中心化的解決方案來調整我們的計時器，要麼冒著去中心化協議的安全風險。

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