Crypto 背后的科学（上）：最终性、GRANDPA 和 BEEFY | Alistair Stewart 专访
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Alistair Mark Stewart 接受了 The Kusamarian 的采访。他是第一个加入 Web3 基金会的研究人员，目前是 Web3 基金会的首席科学家。
在这次采访中，Alistair 将他的一些思考方式做了详细的解读，并且可以非常清楚地了解到 Polkadot 背后这些技术理念的由来。
本次采访主要包括以下话题：
Alistair 加入 Web3 的渊源
GRANDPA 的解读
BEEFY 是一个什么样的协议
NPoS 提名权益证明的由来
Gov1.0 到 OpenGov 的转变过程
OpenGov 中巨鲸的权力
Availability/Validity 可用性和有效性协议的重要
Async Backing 异步支持的真正价值
"Nested Relays" 嵌套中继链是未来的可能性
本文为该采访的前半部分，后半部分将在近期发布于 PolkaWorld 公众号，敬请关注。
Jay：Kusamarian 主持人
Alistair：Web3 基金会首席科学家
Jay：欢迎来到 Space Monkeys ，首先感谢你的到来。在我看来您已经为这个职位努力奋斗了几十个年头了，甚至可以说在区块链还没有被大众接纳之前，您就已经开始踏上了这个旅程。
Alistair：我在最早上大学的时候有过一次休学的经历，然而没多久我又回到了大学，因为我没有更好的事情可以做。回去之后我选了计算机科学并且拿到了博士学位，发表了一些演讲，这期间一个朋友去了早期的以太坊团队，也是这样的契机让我开始了解和研究什么是区块链。
之后我去了 Devcon 0 并且在那里做出了一些成绩，但是我没有放弃我的日常工作。接下来，大约是在六年前，我开始参与了 Polkadot 的一些工作。当然区块链非常有趣，但那时我还是有一些其他的日常工作。
在某个契机之下，我觉得是时候将对区块链的研究转为我主要的工作内容了，于是在 6 年前，我加入了 Web3 基金会。我成为了第一个研究人员，从那时起我就在 Polkadot 的设计中扮演了主要角色。
Jay：你和 Gavin Wood 是儿时挚友，这是真的吗？
Alistair：是的，Gavin Wood 是我的挚友，我们一起上的中学，一起到处闲逛，度过了好几年的时光。
Jay：你们当时在做什么，会一起思考计算机的问题吗？
Alistair：没有的，但我们会进行一些经济学的讨论，一些关于代码的讨论，当时的 Gavin 一直对虚拟机和一些其他事情感兴趣，但区块链属于是另外一个领域，是完全不同的东西。
Jay：所以你刚开始的时候是在了解以太坊，比特币刚开始的时候有点疯狂，所以不在你的研究范围内是吗？
Alistair：比特币那时多数被用来做一些疯狂的事情，所有这些自由主义者都对此感兴趣。我那时和很多人一样，还没有考虑到比特币的真正的价值，并且没有意识到这实际上是一个好主意，甚至可以改变世界。
但是话说回来，任何事情起飞之前，你都不能保证，对吧。但当以太坊出现时，它显然比当时做得还不错的所有其他东西要好，所以你知道它会起作用，而且 Polkadot 也是如此，你可以在最开始看到它的价值所在！
Jay：以太坊的什么让你意识到这不是一些疯狂奇怪的事情？
Alistair：不，它仍然是一些疯狂的奇怪的事情，那个时候已经有大量的代币了，有一百万人购买比特币，我们今天仍然可以看到狗狗币和一些其他代币，但当时大部分项目都没有什么创新，直到以太坊出现。
以太坊在区块链上放置了一个虚拟机，并且我们可以通过计算机达成共识，接下来的 Polkadot 是一种自然进化，是区块链叙事自然推进的产物。
Jay：这有点意思，一台计算机可以让我们达成共识？
Alistair：这是以太坊和波卡背后的逻辑之一，以及我们所目及的所有项目都需要的东西，那就是要达成共识，但是我们在什么方面达成共识？我们在计算方面达成了共识！
你可以理解为，我们定义规则，然后我们所有人都做一些事情，我们都就规则结果所发生的事情达成一致，这就是以太坊背后的想法。
但以太坊无法扩展，在 2014 年的时候就有人在谈论如何将以太坊调整成 PoS 权益证明，而现在也顺应了当时的想法，当时也有人谈论如何扩展以太坊，但没有顺利实现。
Jay：你不认为如今在以太坊出现的一些扩展解决方案可以解决问题吗？
Alistair：我认为我们在 Polkadot 上所做的事情会比在以太坊上使用 Rollup 所做的扩展更好，即使以太坊信仰者在看到了好的数据表现会欢呼，但我也不认为这样的扩展方案更优秀。
所以 Polkadot 正在做的事情，也正是我在做的工作，我们试图摆脱这个叙事，我们为 Polkadot 想出了一些东西，我认为只是现在的人还没有真正意识到 Polkadot 的价值所在。
Jay：有点意思。那么当你第一次进入 Web3 基金会时，你正在从事的第一个项目是什么？你是如何顺利融入工作状态的？
Alistair：我们任何事情都会进行讨论，比如如何做权益证明，如何达成共识。因为早期我是从事研究的唯一一个人，那我自己独立做的第一件事就是 GRANDPA ，我设计了这个理论，然后 Rob 就跟着我一起开始编码，然后我顺利证明了其可行性。
但这实际上与我的学术经历非常不同。在学术界，我发表了一些论文，证明了一切都是可行的，并且我们拥有比其他人更好的东西，但是却根本没人用它。在区块链中是完全不同的体验，大家真的会去做实验。
Jay：在区块链中，你提出理论，之后就有人把它拿出来验证。
Alistair：没错，这太不可思议了！
PolkaWorld 注 ：
GRANDPA (GHOST-based Recursive Ancestor Deriving Prefix Agreement)
BABE (Blind Assignment for Blockchain Extension)
BEEFY（Bridge Efficiency Enabling Finality Yielder）是 GRANDPA 的辅助协议，用于支持波卡网络（中继链）与以太坊等区块链之间的高效桥接。
Jay：可以为我们简述一下什么是 GRANDPA 吗？我最近一直在了解一些关于 BEEFY 的内容，BEEFY 被表述为最终层，有点滞后于 GRANDPA。
Alistair：所以底层我们有最长的链，每个人都应该看看哪条链最长。但问题是，如果我正在运行轻客户端，比如 polkadot.js 或其他什么，我想知道正确的块是什么，我必须查看最长的链，这意味着我需要与很多人交谈，因为如果我只与一个人交谈，或许他给到我的并非最长链，我必须和每个人都确认一遍之后，才知道哪一条是真正的最长链。
而且你还必须稍等一下，也许下一个人之前没有看到这个区块，并且会有一个分叉，甚至是很多分叉，这就是为什么在比特币中我们最终性有时要等一个小时，就是为了确认，并且需要六个确认。以太坊则需要 12 秒，也许以太坊可以做得更好，但我们肯定希望有更快的东西。
GRANDPA 的目的是帮助验证人确认他们已经达成共识的一些事情，即使他们可能自己还没意识到这一点。在这个系统中，虽然每个人都认为他们知道哪个链是最长的（也就是最可信的），但实际上可能还存在其他他们不确定的链。因此，验证人会对他们认为最长的链进行投票。通过这种方式，大家试图达成一致意见。GRANDPA 系统被设计得灵活，以适应不同的情况，目的是确保所有人最终能同意同一个链。
Jay：你们最早是怎么想的？
Alistar：起初，我们想象的是，在一个拜占庭容错协议（一种确保网络即使在部分节点失败或作恶时也能正常运行的协议）环境下，如果你有很多人（比如 100 个人）一起工作，情况会怎样？以 Cosmos 生态为例，那里的链最初是由 100 个验证人运行的，现在可能增加到了 150 个，但在波卡中我们希望能把验证人扩展到 1000 个。我们担心这样的大规模扩张或许不可行。
因此，我们想要一个不同的协议，一个不需要对每个区块都进行投票，而是每隔几个区块进行一次投票的协议。比如在以太坊中，有一个叫做 Casper FFG 的协议，它每 64 个区块进行一次投票。但我们不希望像 Casper FFG 那样等待这么长时间去投票，所以我们想设计一个更灵活的系统，这个系统会在已经达成一定共识的基础上进行操作。
但后来事实证明，Parity 团队的人也许比其他人更擅长网络，我们能做到让 1000 个验证人在两秒内就某事达成共识，我之前都以为这是不可能的。这意味着也许我们可以每个区块都投票，但我们想通过加密经济学来确保平行链的安全。
在我们最初的想法中，设想了一个叫做 “fisherman” 的角色，但现在这个角色已经被取消了。取而代之的是我们正在讨论的一种新协议，叫做 “可用性和有效性” (a&v) 协议。这个新协议允许在决定了平行链上发生的事件之后，如果发现决定是错误的，可以进行更正。在这种情况下，负责检查的验证人可以介入并指出链中的某个内容是错误的。
Jay：这种更正会在多久之后发生？
Alistair：更正最快可能在一分钟内发生，但具体时间可能不同。在 GRANDPA 协议中，我们不会轻易同意某件事，除非我们确信它不会错。如果没有足够多的人支持某件事，我们会降低决策的速度。不像 Casper FFG 那样在每 32 个区块进行一次确定性投票，GRANDPA 不要求以固定频率产生区块。
我们的目标是只在验证人同意时才达成一致，确保结果是正确的。如果我们采取的方法不是平行链的方式，我们可以在每个区块上达成一致。
Jay：所以实际上是 GRANDPA 出来，说既然所有人都同意了，那我们就决定了什么是最终的事实，就不再更改了。
Alistair：对，但难点在于，当人们面对许多不同的链时，我们如何确保大家都同意同一个事实。我们需要找到一个大家都认同的共同部分。一旦我们达成一致，而且确定大家都同意了，我们就不会再回头改变决定了，这就是基本情况。
那么下面开始讲 BEEFY，它是为了解决在 GRANDPA 中出现的一个问题，那就是人们可能会在不同的链上投票，这些链可能长度不同。即使人们都同意了，他们也可能不是在同一个具体内容上投票，这会使过程变慢。
所以，我们设立了一个所有人都同意的链。可能大家都在同一条链上，但某人可能在链的一个位置（A块高）投票，其他人在另一个位置（B块高），还有人在另一个位置（C块高）。所有这些投票都会被记入某个特定的区块。这意味着 GRANDPA 的最终性不仅仅是对你正在确认的那个区块投票，还包括对后续区块的投票。
Jay：但后面的投票意味着前面的投票处于某种状态。
Alistair：对，但现在当你试图向别人证明这一点时会有问题。所以我必须提供更多证据，比如 Kusama 需要 1000 个签名的长证明。我们当然也希望在 Polkadot 上实现 1000 个验证者，但现在还没做到。
因此，验证会很慢。BEEFY 的设计初衷是，虽然我们通过 GRANDPA 确定了最终性，并且它证明是正确的，但让其他人相信某事已最终确定并不容易。这就是我们现在遇到的问题，并且正在努力解决。
Jay：为什么这不对？是因为没有 BEEFY，以太坊就无法确认 Polkadot 的最终状态吗？这就是问题所在吗？
Alistair：在 Polkadot 中，GRANDPA 共识协议的操作成本很高，我们用的是不同类型的加密曲线进行签名，每个人都在用 Curve25519，而以太坊可以处理这个以及其他多种椭圆曲线，比如 secp256k1。
但要在以太坊中把所有这些签名放进去并验证它们，工作量非常大，大约每一千个签名就需要一百万的 gas，这简直太多了。因此，我们不得不重新考虑我们的方法，思考如何在不必依赖于是否有1000个验证者的情况下做到这一点。BEEFY 就是为了解决这个问题而提出的另一种复杂的协议。我们在几个选项中选择了基于加密经济的协议，虽然我们知道它不如 SNARK 协议好，我们也在研究 SNARK。
Jay：SNARK 指的是 ZK-SNARK 吗？
Alistair：是的，大家都喜欢讨论加密经济学，但这是一个很复杂的领域。很容易有新人加入这个领域，开始编程，制作出一些在 DeFi 等领域看似创新但实际上很疯狂的东西。但保证这些东西安全非常困难，常常会出现问题。
问题在于所有这些都涉及到激励措施，你需要考虑所有可能的因素，有时候你可能没考虑到的因素会破坏整个系统的激励结构。通常看似有效的解决方案实际上并不起效，这让解决问题变得更加复杂。
所以，对于平行链来说，我们的可用性和有效性协议（a&v）真的可以解决问题。我们的审计员找到了大约 500 种不同的问题，并且我们已经修复了它们。相信我，这套系统是有效的，我们会尽力证明它的有效性，但它确实很复杂。
但如果你真的对高级密码学感兴趣，那条路更加困难，更难以理解。我们用零知识证明（ZK）技术处理了复杂的数学问题，只有少数程序员知道如何编写这种代码。但如果你让一群人来处理这个问题，一年后你可能会成功实现它，并使其模块化，因为你不需要担心那些你从未考虑过的激励问题，或外界因素可能带来的更大的经济影响，这些都是你以前未曾想到的。
Jay：有时候，错误的激励可能会导致严重的问题，对吧。
Alistair：对，Terra (Luna) 的案例就很典型。
即使我们使用适合以太坊的密码学技术，比如以太坊的椭圆曲线密钥，我们也不能处理 1000 个签名。我们的简单解决办法是进行随机抽样，好像是一群人在以太坊上通过智能合约随机选出来的那样，给予他们签名权。
但这需要依赖以太坊的随机性机制，这是个复杂的过程，实际上在工作量证明系统中处理这个要比在权益证明系统中容易。我们发现权益证明系统并不总是能很好地处理随机性，这影响到了我们所有人。我们需要等待一段时间，分析需要多少人进行抽样，这通常比预期的要多，导致了大约 26 分钟，即四个 epoch 的延迟，这是从交易开始到交易完成的时间。
这种延迟很糟糕，我们不想等待 26 分钟。我们已经尝试了很多方法。我们引入了 Substrate，我们 Web3 基金会的研究团队使用加密技术，一直在尝试把 BLS 签名集成进 BEEFY，因为如果能做到这一点，我们就可以用 SNARK 来验证签名，这样就能消除延迟。虽然这不会很便宜，但至少可以消除这种延迟，以及当你运行加密经济协议时可能遇到的其他问题。
Jay：所以对 BEEFY 的升级即将到来？
Alistair：很快就会到来，但我们需要让 SNARK 部分做好准备，有很多事情正在发生。
Jay：但现在如果 Snowbridge 与 BEEFY 一起启动，在 3 个月内推出，我们仍然会有 26 分钟的延迟？
Alistair：是的。这些东西已经准备好了，只是等待拿到他们的 BEEFY 启动钥匙，我们正在努力，是的，一旦都准备好了之后，那么也许我们可以部署桥，但这实际上花了比我们预想的更长的时间。
Jay：那可以说 Polkadot 和 Kusama 之间的桥也需要 BEEFY 是吗？
Alistair：不是的，实际会使用 GRANDPA。
Jay：好吧，我一直听到一些让人混淆的消息。
Alistair：这个桥可以使用 BEEFY，甚至说使用 BEEFY 的话会更有效率，实际上我不知道最后会部署什么，但 BEEFY 桥会更高效，这也是我们将它设计出来的目的。
但 Polkadot 更具有可扩展性，我们可以做出更大的东西，而且我们有合适的加密技术，这是我们选 GRANDPA 的理由。我们把它应用在平行链和桥枢纽上，它能够处理这些工作，比以太坊更便宜、更具扩展性。
所以 Polkadot 和 Kusama 桥使用 GRANDPA 不会有太多的问题，但如果我们出于某种原因要桥接 100 个 Substrate 链，那就更需要 BEEFY。
Jay：那么 Polkadot 和 Kusama 桥会出现延迟吗？
Alistair：绝对不会，我们永远不会为这个桥使用随机抽样，即使最终使用了 BEEFY，也不需要担心延迟问题。
（本文为该采访的前半部分，后半部分将在近期发布于 PolkaWorld 公众号，敬请关注。）
原视频：https://www.youtube.com/watch?v=4sp-E_Hxdy4
直播预告
1、波卡 OpenGov 提案分享直播
分享人：PolkaWorld KIKO
时间：2 月 22 日（周四）晚 7 点
平台：微信视频号（点击下方按钮立即预约直播）
主持人：PolkaWorld 生态研究负责人 Kristen 嘉宾： Maria @Gear Foundation Yuki @Moonbeam LYZ @Acala 时间：2 月 23 日（周五）晚 7 点 平台：微信视频号（点击下方按钮立即预约直播）
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