Polkadot 是一个具有共享安全性和互操作性特征的异构多链平台。它旨在使多个区块链能够以无需信任的方式传递消息，包括价值。其架构的关键组成部分包括中继链、平行链和桥。

中继链：Polkadot 的中心链，负责网络的共享安全性、共识和跨链互操作性。它在功能上刻意保持最小化（例如，不支持智能合约），专注于协调整个系统，包括平行链。

平行链 – 专用和按需使用：Polkadot 是一个分片网络，其中交易可以并行处理。平行链是连接到中继链的特定应用的 Layer 1 区块链，拥有自己的代币，可以针对特定用例进行优化。连接到 Polkadot 的 Layer 1 链从其共享安全模型中受益，包括提名证明权益（NPoS）机制，为每条链提供即插即用的安全性，无需每条链自行启动。平行链可以通过链上拍卖获得专用插槽（当前模型），或者以更灵活的按需方式，通过购买批量或即时核心时间来交易区块空间，并只使用每次出块所需的特定数量的区块空间（新模型）。

跨共识消息格式（XCM）：促进平行链之间无需信任的消息传递，增强互操作性。

桥：使 Polkadot 与外部区块链（如以太坊）建立连接，允许数据和 token 的转移。

Polkadot 的技术栈包括：

• Polkadot Runtime：核心状态转换逻辑，可在无硬分叉的情况下升级。

• Polkadot Host：执行 runtime 的环境，涉及网络（Libp2p）、状态存储、共识引擎（GRANDPA 和 BABE）、Wasm 解释器和基础区块链原语等组件。

• WebAssembly (Wasm)：用作 runtime 的编译目标，确保平台无关性和高效执行。

Polkadot 的主要特点包括：

• 无分叉升级：通过在链上存储 runtime 并使用 Wasm，Polkadot 可以在无硬分叉的情况下升级。

• 共识机制：采用提名权益证明（NPoS），混合共识（结合 BABE 用于出块和 GRANDPA 用于最终确定性），以及 BEEFY 用于与非 Polkadot 网络的桥接。

Polkadot 生态系统的利益相关者包括验证人（中继链出块者）、提名人（支持验证人的质押者）和收集人（维护平行链并向验证人提供证明）。

基于 Gavin Wood 博士在 2023 年 Polkadot Decoded 活动上的演讲，Polkadot 1.0 的发展方向，体现了向更抽象和通用的区块链功能的转变，超越了其白皮书中的原始概念。

Polkadot 作为计算资源

Polkadot 是一个用于构建应用程序的平台，使用称为区块空间的底层资源。它提供了一个弹性的通用连续计算功能，并像多核计算机一样运作，其中平行链并行运作。它不仅仅是托管链的平台，还是人们使用这些应用程序的平台。

截至 2023 年 11 月底，Polkadot 拥有 50 个独立核心。

Polkadot 正在从以链为中心的生态系统转变为以应用为中心的模型，核心是共享资源。以前的模型使用插槽拍卖来确保平行链插槽，但随着向核心时间市场的转变，应用程序现在可以按需购买或预订核心时间，显著降低了开发者的进入门槛。

新模型引入了敏捷的核心使用和核心时间分配，确保根据应用程序的需求，有效利用 Polkadot 的计算和区块空间，无浪费。"协议" 旨在改善跨链通信和 XCM 消息的安全性。此外，Polkadot 计划通过将链上逻辑卸载到系统平行链上，从而增加其可扩展性，为平行链协议和协议腾出更多带宽。

核心时间市场代表了对传统插槽拍卖的一种转变，将核心时间视为可交易的代币化商品。应用程序可以选择批量或即时核心时间租赁，并可以通过经纪系统标准化租赁，或以现货价格购买并立即使用。

Polkadot 向应用中心转变的重点是利用不同链的协作潜力，构建跨链运作的应用程序，解决现实世界的问题。中继链将专注于其主要任务，即安全性和消息传递，而系统平行链将承担次要任务，创造一个更加流畅高效的生态系统。

Polkadot 正在通过 RFC 完善其实现，以继续作为去中心化、安全、无处不在的计算引擎，为下一代 Web3 应用程序提供动力。

中继链是 Polkadot 的核心，对其安全、共识和跨链通信至关重要。它不直接支持智能合约或用户应用程序，而是专注于协调整个系统。Polkadot 网络上的验证人在中继链上以 DOT 形式质押，其中包括了有限范围的交易类型，主要用于治理、平行链拍卖和 NPoS 参与。其功能有意保持最小化，将专门的核心协议功能委托给各种系统链，并将特定任务委托给提供多种实现和特性的平行链。这种设计确保了 Polkadot 生态系统内的高效整体协调和灵活性。

Polkadot 上的提名证明权益（NPoS）是一种选举算法，旨在实现三个主要目标：最大化总质押量、最大化最低质押验证人背后的质押量、最小化验证人间质押量的差异。它采用了像 Sequential Phragmén、Phragmms 和 Star Balancing 等算法来计算解决方案。Sequential Phragmén 方法根据验证人的自身质押和提名人的质押选出验证人，在每次选举后平衡验证人之间的权重。这种复杂的优化由 Polkadot 在链下执行，以保持一致的区块时间。如下所示，截至 2023 年 11 月 30 日，总发行量 1.383B DOT 中有 51.25% 被质押。

Polkadot：质押率，来源：DotLake

NPoS 在后台运行，用户几乎不需要干预，尽管了解其机制对提名人有益。在 Polkadot 系统中，选民的权重与代币持有量成正比，更像是公司股东选举，而不是传统的政治选举。Weighted Phragmén 算法是基本方法的扩展，它在建立每个提名人对验证者选择的加权映射的同时，依次选举候选人，确保公平的质押分布。选举后，有一个重新分配过程，试图最小化当选候选人中选民质押的差异，理想情况下，允许每个提名人在每个时代（era）支持一个验证人。

在 Polkadot 中，比例代表制通过防止任何少数群体有过度的影响力，来确保去中心化。传统系统专注于避免群体的代表不足，但 Polkadot 更进一步，也避免了过度代表。这种方法增强了网络的安全性，因为更均匀的代表分布使任何单一群体难以主导或操纵系统。Polkadot 使用 seqPhragmen 选举规则在这方面是独一无二的，通过平衡代表性提供了额外的安全层。

在区块链和加密货币的世界中，去中心化是安全和公平的关键特性。量化网络去中心化的一种常见方法是通过中本聪系数指标。简而言之，它代表在权益证明（PoS）网络中控制超过 33% 质押量的最少验证者数量。

Polkadot 的去中心化方案

Polkadot 采用独特的方案来确保网络去中心化，主要侧重于其验证人选择过程。不同于其他区块链网络中验证人的质押量可以显著影响共识权力，Polkadot 的运作方式有所不同。在 Polkadot 的 GRANDPA 共识协议中，所有活跃验证人的投票权力无论其质押量如何都是平等的。这种设计选择在维护一个平衡且去中心化的网络中至关重要。

Phragmen 选举算法

Polkadot 网络利用提名证明权益（NPoS）机制和 Phragmen 选举算法来选择验证者。这个算法通过最大化总质押价值、提高组内最低质押验证人的质押量，以及最小化质押分布的差异来优化验证人集。

由于任何时候都有 297 个活跃验证人，以及大约 700 个其他等待中的验证人，验证人集是动态的，并且每个时代（大约 24 小时）都在变化。这种验证人组成的不断变化增强了网络的安全性和去中心化。下面你可以看到这个过程的每月快照，其中列出了给定月份最后一个区块的活跃验证人数量和等待验证人数量 —— 活跃验证人的数量是固定的，而等待验证人的数量可能有小幅波动。

Polkadot 的代币经济学围绕其原生代币 DOT 展开，DOT 具有多种用途，包括经济、削减（slashing）、治理和平行链分配。在经济方面，为了奖励运行共识协议的节点、资助国库以及控制通胀率，DOT 被铸造或销毁。Polkadot 的权益证明系统涉及验证人，他们质押 DOT 以产生区块和达成共识；以及提名人，他们用自己的质押支持验证人，并分享奖励和惩罚。

Polkadot 的通胀模型是非线性的，由提名证明权益（NPoS）的支付驱动，其中通胀率是质押率的函数，旨在通过调整质押 DOT 的激励措施来平衡安全性和流动性。通胀率包括各种因素，包括为 NPoS 和国库铸造带来的通胀、削减带来的通缩以及交易费用的燃烧。

验证人和提名人通过参与有效性检查和出块的点数系统获得奖励。这些奖励与每个时代所获得的点数成比例，然后在验证人和提名人之间分配。每个验证人插槽内的支付分配基于比例质押，其中验证人有固定的佣金费用，其余部分在插槽内的所有相关方之间共享。

Polkadot 的 tokenomics 旨在激励网络参与和安全，同时平衡治理、质押和平行链开发的需求。这种方法创造了一个动态的生态系统，其中代币持有者积极参与网络维护和决策。

报告原文：

https://dashboards.data.paritytech.io/reports/2023/index.html#section1-1