在神话传说中，精灵（Elves）一直被视为高效、安全与和谐的象征。而在 Polkadot 和 Kusama 的世界里，也有着名为ELVES的专属协议。
这一由 Web3 Foundation 研究团队开发的内核协议，旨在帮助两条区块链网络实现更高的安全性和可扩展性。本文将带您深入了解 ELVES 协议的运作机制，及其为用户带来的核心价值。
📖 阅读原文：https://medium.com/web3foundation/elves-the-fairy-dust-that-makes-polkadot-scalable-2acff1a22280
基础背景
通常，一个区块链协议由数百到数千个节点组成的网络构成。在参与投票达成共识并最终确认交易之前，每个节点都需要下载并验证每一个交易区块。
这一过程的安全前提是：假设网络中至少有三分之二的节点是诚实的。即使约 30% 的节点出现故障或被黑客攻击，区块链依然能保持安全。
基于这一前提，我们的讨论核心将转向权益证明（PoS）机制，以及 Polkadot 和 Kusama 的加密经济安全性。
可扩展性的困境
上述安全保障机制存在一个主要弊端：它限制了系统的可扩展性。因为每个节点都必须验证每个区块，随着网络规模扩大，效率会迅速下降。
然而，为了维持去中心化和安全性，又必须保持庞大的节点数量。这就产生了一个矛盾：系统的整体扩展性最终受限于处理能力最低的那个节点。
Polkadot 架构的破局之道
解决扩展性挑战的根本在于并行化和数据分区（将大型数据集分解为更小、更易管理的片段）。
Web2 架构高度依赖数据分区来处理海量数据和用户请求，使其能够以低延迟、高可用性服务全球用户。Polkadot 在设计之初就将这些原则融入了核心架构。
在 Polkadot 的设计中，验证者不需要像其他区块链那样处理每一笔交易。他们既不执行也不下载所有交易，从而节省了大量带宽。
效率的提升得益于两层设计：交易先提交至平行链（Layer 2），然后平行链区块被提交至中继链（Layer 1），最终在中继链上完成确认并获得安全保障。
虽然 BABE 协议负责出块，GRANDPA 协议负责中继链层面的最终性确认，但如果要求每个验证者仍需下载并执行中继链上的所有数据，瓶颈依然存在。
在这种情况下，如果每个区块的验证者不足三分之一，如何仍然确保加密经济安全呢？这就是 ELVES 发挥作用的地方。
ELVES 的核心角色
ELVES 协议实现了平行链区块从创建到纳入中继链的高效、可靠传输。它允许各平行链并行运行，同时提供极强的安全保障，从而在不牺牲安全性的前提下实现了网络的横向扩展。
下图展示了 ELVES 协议的四个阶段，以验证平行链区块 B 为例。此示例中共 10 个验证者参与。分配到平行链的验证者（v1、v2、v3）参与阶段 1 和 2，而所有验证者（v1…v10）参与阶段 3 和 4。
阶段 1：分配到特定平行链的三名验证者（v1, v2, v3）接收区块。
阶段 2：这些验证者检查区块的有效性，并决定是否为其“背书”（即担保其有效性）。图中，v1 和 v2 决定为区块 B 提供背书。
阶段 3：区块被拆分（利用纠删码技术）为多个片段并分发给所有验证者。每个验证者确认收到片段。这确保了所有验证者都能获取区块数据，以便后续复核。在此阶段，可用性得到了保障。
阶段 4：确保阶段 1 的平行链验证者没有作恶。系统从中继链验证者中随机抽取一个子集（如图中的 v5, v8, v10），他们利用上阶段收到的片段重建区块，验证其有效性，并批准之前的背书。在此阶段，有效性得到了最终确认。
虽然示例中每条链分配了 3 名验证者，但在实际运行中，验证者总数要多得多：Polkadot 约为 600 名，Kusama 约为 1,000 名。
ELVES 如何大幅降低计算开销？
ELVES 通过让一小部分节点验证每个区块来降低计算量。关键在于如何选择足够数量的随机子集，并定义其判定有效性的规则。
如果随机子集中大多数是诚实节点，简单的投票就足够了。但要统计学上确保随机子集中诚实节点占多数，该子集必须非常大（通常需要数百个节点），这依然很昂贵。
ELVES 的高明之处在于：它要求随机委员会中的所有节点都批准已验证的区块。这意味着，子集中只要存在一个诚实节点，安全性就能得到保障。
通过概率计算，ELVES 能确保初始随机子集中极大概率包含至少一个诚实节点。此外，它还依赖经济安全机制 —— 节点必须质押资产，一旦违规将面临“真金白银” 的损失。
具体流程如下：
1️⃣ 首先选择一个极小的随机子集。
2️⃣ 如果某些成员未响应，则逐步增加成员。
3️⃣ 如果仍无法达成共识，最终将由全体验证者参与验证。
由于多个区块可以并行验证，而攻击者一次只能干扰极少数子集，因此绝大多数区块只需极小的验证子集即可完成。这种机制确保了如果验证子集中出现任何矛盾，作恶节点将被罚没（Slash）保证金。
平均而言，这种方法只需要约 80 个节点参与验证。在系统未受攻击的理想情况下，这一数字甚至更小。相比于让所有验证者检查每个区块，ELVES 平均节省了90% 以上的计算能力，在某些场景下，节省比例甚至高达97%。
ELVES 的部署情况
ELVES 协议自 2020-2021 年起已在 Polkadot 和 Kusama 上部署。
Web3 基金会近期发表的论文进一步证明了其安全性：研究显示，只要为每个平行链区块初始选择 25 名验证者作为“批准检查者”（预期其中包含约 17 名诚实节点），协议就是安全的。
这是因为在平行链验证者背书区块时，他们并不知道谁会被随机选中进行后续检查，攻击者无法预判。此外，ELVES 还会根据节点的在线情况动态调整批准所需的验证者数量，确保了 Polkadot 的高弹性和强大扩展性。
经济韧性：昂贵的攻击成本
由于 ELVES 的巧妙设计，对 Polkadot 发起经济攻击变得极其昂贵。攻击者必须在不知道谁会负责审计的情况下，先承诺进行恶意背书。
由于绝大多数验证者是诚实的，攻击行为不被任何诚实节点察觉的概率几乎为零。攻击的 “期望值”（潜在收益乘以成功概率）因此变得微不足道。
即便攻击的潜在收益高达数百万美元，但由于被发现的概率趋近于 100%，这种尝试在经济上是完全不合理的。
相比之下，传统的共识攻击（如获取 1/3 控制权）在理论上成本更低，但在实践中，获得并维持这种控制权的成本已使其变得几乎不可能。一旦攻击者被抓获，其质押的资金将被全额罚没，并被剥夺未来的收益权。
对用户意味着什么？
ELVES 为 Kusama 和 Polkadot 注入了强大的扩展能力。
目前，这两个网络在仅使用不到四分之一总容量的情况下，就能实现至少140,000 TPS（每秒交易处理量）。这些数字并非实验室的理论值，而是 2024 年底在生产环境中进行的 "Spammening" 压力测试所给出的真实数据。
对于普通用户而言，Polkadot 的高性能和去中心化带来了实实在在的好处：
更低且稳定的交易费：避免了像以太坊等区块链在网络拥堵时出现的天价手续费。
支持高吞吐量应用：例如游戏平台。Mythical Games就是一个典型案例，得益于 Polkadot 的性能，玩家和开发者成功从以太坊迁移到了 Mythos 生态。
广阔的增长空间：Polkadot 的架构允许容纳更多平行链和项目，增加了网络生态的多样性。
极致的安全性：降低成为验证者的成本促进了去中心化，而更强的去中心化则为用户的资产提供了更坚固的盾牌。
正如传说中那些在幕后不知疲倦地工作、守护平衡的精灵一样，Polkadot 的 ELVES 协议也在静默而强力地运行着，守护着 Web3 世界的安全与效率。
