在神话中，精灵长期以来被认为是效率、安全与和谐的象征。 Polkadot 和 Kusama 也有自己的 ELVES，这是由 Web3 基金会研究团队开发的关键协议，旨在帮助两个区块链网络实现更高的安全性和可扩展性。这篇博文旨在介绍该协议，解释其工作原理，并概述为用户带来的最终好处。
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基础知识
区块链协议通常由节点网络组成，通常从数百到数千个。每个节点都会下载并验证每个交易块，然后再参与多数决策以最终确定它们。假设至少三分之二的节点行为正确，该过程可以保证区块链的安全。即使多达百分之三十的节点发生故障或被黑客攻击，区块链仍然是安全的。在此前提下，重点转移到股权证明（PoS）的建立，从而转移到 Polkadot 和 Kusama 的加密经济安全性。
可扩展性困境
如上所述，保护区块链的主要缺点之一是它限制了可扩展性。由于每个节点都必须验证每个块，因此该过程很快就会变得低效。然而，去中心化和安全性需要维护大量节点。这就造成了一个困境，因为系统的可扩展性最终取决于容量最低的节点的吞吐量。
Polkadot 的架构拯救了世界
并行性和数据分区，将大型数据集分解为更小、更易于管理的部分，是解决可扩展性挑战的基础。 Web2 严重依赖数据分区来处理数据量和用户请求。作为核心架构策略，它使系统能够以低延迟和高可用性为全球用户提供服务。这些相同的原则也是 Polkadot 架构不可或缺的一部分，该架构从一开始就旨在实现更大的可扩展性。
在 Polkadot 的配置中，验证器不会像许多其他区块链那样处理每笔交易。他们既不执行每笔交易，也不下载所有交易，从而节省了大量带宽。这种效率是通过两层设计实现的：交易被提交到平行链（第 2 层链），然后平行链区块由中继链（第 1 层）提交，并最终在其中最终确定并得到保护。虽然 BABE 支持区块生产，GRANDPA 在中继链级别（第 1 层）最终确定链，但每个验证者仍必须下载并执行中继链区块。在这种情况下，只有不到三分之一的验证者检查每个区块的有效性，问题就出现了：如何才能确保加密经济安全？
精灵的角色
ELVES 是 Polkadot 协议，可以实现平行链区块从创建到包含的可靠且高效的传输。它允许平行链并行运行，同时保持强大的安全保证，这在不影响安全性的情况下转化为网络可扩展性。
下图展示了 ELVES 协议的四个阶段的示意图，概述了验证平行链区块 B 的过程。在这个示例中，共有 10 个验证者参与。分配到平行链的验证者 (v1,v2,v3) 参与第 1 阶段和第 2 阶段，而所有验证者 (v1,…,v10) 参与第 3 阶段和第 4 阶段。
- 第一阶段。 分配给平行链的三个验证器（v1、v2、v3）接收该块。
- 第二阶段。 这些 验证者 检查收到的平行链区块的有效性并决定是否支持它（即保证其有效性）。在图中，验证者 v1 和 v2 决定支持区块 B。
- 第三阶段。 然后，该块被分割（纠删码）成“块”，然后发送给所有验证器。每个验证者都会确认他们收到的碎片。这确保了所有验证者都可以访问该块，以便他们稍后可以仔细检查其有效性。在此阶段，可用性得到保证。
- 第四阶段 确保第一阶段的平行链验证者没有行为不当。随机选择的所有验证器的子集，例如图像中的 v5、v8、v10，以及在前一阶段接收块片段、重建块、验证其有效性并批准支持的人（平行链验证器在第 2 阶段给出的保证，例如 v1 和 v2）。在此阶段，有效性得到保证。
虽然在此示例中为每个平行链分配了三个验证者，但实际上验证者的总数要高得多，Polkadot 上大约有 600 个，Kusama 上大约有 1,000 个。
ELVES 协议由 Web3 基金会开发，是一种平衡安全性、去中心化和可扩展性的扩展解决方案，预计对 Polkadot 的攻击将极其昂贵。它还减少了验证器的计算负载，同时保持高水平的安全性。
ELVES 如何降低验证者的计算能力？
ELVES 通过让一小部分节点验证每个块来降低计算能力。选择足够大小的随机子集并定义它如何确定块有效性是减少总体计算需求的第一步。
如果所选子集包含大多数诚实方，则简单的投票就可以验证该块。然而，确保随机子集包含大多数诚实节点需要子集非常大。具体计算表明，这样的随机子集仍然需要数百个节点，成本昂贵。
ELVES 通过要求随机委员会中的所有节点批准经过验证的区块来提高效率。因此，即使子集中存在一个诚实节点也足以确保安全。此外，ELVES 以足够的概率保证初始随机子集包含诚实节点。它还依赖于经济安全，因为节点必须提供抵押品，从而真正“参与其中”。
该过程首先选择一个非常小的初始随机子集。如果一些委员会成员未能出席，则逐渐增加其他成员。如果仍然有足够多的成员不参与，则整个集合最终会验证该块。由于可以并行验证多个块，并且对手一次只能扩展几个子集，因此大多数块最终都会验证相对较小大小的子集。这种机制确保如果验证子集中出现任何矛盾，损坏的节点将失去其存款。
平均而言，这种方法仅需要大约 80 个节点，在乐观情况下（例如系统未受到攻击时），这个数字可能会更小。因此，与让所有验证者检查每个区块相比，使用 ELVES 平均可以节省 90% 以上的计算能力。在某些情况下，节省高达 97%。
ELVES是如何部署的？
自 2020-2021 年以来，ELVES 已部署在 Polkadot 和 Kusama 上。最近，Web3 基金会团队在一篇专门论文中展示了其安全性。研究表明，如果对于每个平行链区块，最初选择 25 个验证者作为批准检查者，那么协议仍然是安全的，预计会产生大约 17 个诚实的验证者。这是因为，当平行链验证者支持一个区块时，尚不知道将随机选择哪些验证者，这意味着对手无法预测有多少批准检查者是诚实的。第三阶段批准的验证者的选择必须在平行链验证者支持该区块之后进行。此外，ELVES 在节点不可用时调整审批所需的验证人数量，保证了 Polkadot 的可扩展性和强大的弹性。
ELVES 对 Polkadot 经济弹性的贡献
由于 ELVES 协议的设计，对 Polkadot 的任何经济攻击都是极其昂贵的，要发生攻击，攻击者必须做出恶意行为，例如支持无效块。甚至在知道将随机选择哪些验证器来验证其操作之前，就应该发生这种情况。由于大多数验证者大概都是诚实的，因此没有诚实节点检测到攻击的可能性几乎为零。因此，攻击的预期价值（定义为其潜在回报乘以成功概率）可以忽略不计。
虽然一次攻击的潜在收益可能达到数百万美元，但未被发现的可能性接近于零。这使得这种尝试在经济上不合理，因为攻击需要进行多次才能有成功的机会。理论上，对共识的大规模攻击，例如需要控制所有验证者的三分之一的攻击，会更便宜。但在实践中，获得和维持这种控制水平的成本使它们几乎不可能实现。如果攻击者被抓住，他们将 砍掉了，失去所有质押资金和赚取未来奖励的权利。
这对用户意味着什么？
ELVES 为 Kusama 和 Polkadot 提供了可扩展性，使网络能够在使用不到总容量四分之一的情况下实现每秒至少 140,000 笔交易。这些数字不是理论估计或测试网实验的结果。垃圾邮件发送实验于 2024 年底在生产网络上进行，为这些真实吞吐量结果提供了坚实的证据。
Polkadot 的可扩展性和去中心化部分通过 ELVES 实现，转化为用户的直接利益。以下是一些：
- 降低高交易成本的风险 在网络流量繁忙期间，用户在以太坊等其他区块链上遇到了困难。
- 支持高通量应用， 比如游戏平台。 Mythical Games 是 Polkadot 实现的一个明显例子：借助 Polkadot，玩家和开发者成功地将他们的代币从以太坊迁移到 Mythos。
- 成长空间，因为 Polkadot 的架构允许更多的平行链和项目，从而增加了整个网络的使用多样性。
- 通过更加去中心化增强安全性，因为降低成为 Polkadot 验证者的成本会导致去中心化程度的提高，从而确保对用户提供更强有力的保护。
就像传说中的精灵在幕后不知疲倦地工作、保护和保持平衡一样，Polkadot 的 ELVES 安静地运行，但有力地确保了安全性和可扩展性，
除了这篇博文之外，Web3 基金会研究团队还制作了一个视频，快速清晰地解释了 ELVES。享受！
ELVES：使 Polkadot 可扩展的仙尘最初发布在 Web3 基金会的 Medium 上，人们通过强调和回应这个故事来继续对话。
