浅谈波卡平行链消息传递机制 HRMP

摘要 :

本文根据 Polkadot github 第 1900 号合并--Implement HRMP，先介绍了 Polkadot 跨链相关的背景知识、HRMP 相关的基本概念，然后分析了 HRMP channel 通信的基本过程， 并与 Polkadot 跨链最终方案 XCMP 进行了对比分析。

背景 :

Polkadot 是一个 Relaychain+Parachain 组合的多链系统。

Parachain 的提出背景是为了解决区块链可扩展性 (Scalability) 和灵活性 (Flexibility):

• (1) 通过累加多个 Parachain 的 TPS，提高整个多链系统的吞吐量。

• (2) 针对不同的业务场景，Parachain 可进行专门定制。简单说， Parachain 就是一个实现分片 (Shard) 的例子。而 Relaychain 做为 Polkadot 多链系统的中枢， 则为 Parachain 提供了一致性安全保证及跨链消息路由机制。那么 Parachains 之间如何进行跨链通信呢 ? HRMP(Horizontally Relay-routed Message Passing - 水平中继路由消息传递) 便是其当前的解决方案。

一、 Relaychain 和 Parachain 拓扑边界

上图中 : 1 Relaychain + Parachain A + Parachain B

• Relaychain: 4 个 Validator (Relay1，Relay2，Relay3，Relay4)

• Parachain A: 1 个 Collator + 1 个 Full node + 1 个 Light node， 及 2 个 Validator(Relay1，Relay3)

• Parachain B: 1 个 Collator + 1 个 Full node + 1 个 Light node， 及 2 个 Validator(Relay2，Relay4) 。Collator 是一类连接在每个 Parachain 和 Relaychain 之间的特殊节点， 即一部分连接 Parachain，一部分连接 Relaychain。这样做至少有两个理由 :

• (1) 通过它可以直接将 Parachain block 发送到 Relaychain 网络，从而被随机分配的 Validator 接收并验证。

• (2) Collator 做为 Relaychain 的 Full 或 Light 节点保持和 Relaychain 的同步， 能及时接收到新的 Relaychain block 通知，这个信息被用于 Parachain 的共识和出块机制。

二、 HRMP 相关概念

根据 Web3 基金会的术语表，和 HRMP 相关的概念如下 :

• UMP: (Upward Message Passing) A vertical message passing mechanism from a Parachain to the relay chain。

• DMP: (Downward Message Passing)。Message passing from the relay-chain to a Parachain。

• VMP: (Vertical Message Passing) A family of mechanisms that are responsible for message exchange between the relay chain and Parachains。

• HRMP: (Horizontally Relay-routed Message Passing)。A mechanism for message passing between Parachains (hence horizontal) that leverages the relay-chain storage。Predates XCMP。

• XCMP (Cross-Chain Message Passing) A type of horizontal message passing (i。e。between Parachains) that allows secure message passing directly between Parachains and has minimal resource requirements from the relay chain， thus highly scalable。

总结一下 :

• UMP 是 Parachain 到 Relaychain 的消息传递。

• DMP 是 Relaychain 到 Parachain 的消息传递。

• VMP = UMP + DMP

• HRMP 是 Parachain 之间消息传递的过渡方案，它把跨链消息存在了 Relaychain 上，严重占用 Relaychain 的存储资源。

• XCMP 是 Parachain 之间消息传递的终极方案， 允许 Parachain 之间直接传递信息且只占用 Relaychain 最小的资源。

三、HRMP Channel 时序图

• (1) Parachain A 和 Parachain B 都向 Relaychain 提交注册。

• (2) Parachain A 向 Relaychain 发起建立到 Parachain B 的消息通道的请求 (cap: 当前允许接收的最大消息数， max: 当前允许接收消息的最大字节数)。

• (3) Router::init_open_channel 被调用的同时， Relaychain 通过 DMP 机制向 Parachain B 发送 HrmpNewChannelOpenRequest 消息。

• (4) Parachain B 收到 HrmpNewChannelOpenRequest 消息后， 向 Relaychain 回复接受建立 (para_a， para_b) 的消息通道的请求。

• (5) Router::accept_open_channel 被调用的同时， 通道被建立， Relaychain 通过 DMP 机制向 Parachain A 发送 HrmpChannelAccepted 消息。

• (6) Parachain A 收到 HrmpChannelAccepted 消息后， 向 Relaychain 发送到 Parachain B 的消息 data

• (7) Router::queue_outbound_hrmp 将 Parachain A 的消息出口队列 data 转移到 Parachain B 的消息入口队列

• (8) Router::prune_hrmp 从 Parachain B 的消息入口队列查询并返回消息 data (watermark 是 Relaychain blocknumber， 表示小于这个高度的传入消息都已被处理)

• (9) Parachain A 向 Relaychain 发起注销到 Parachain B 的消息通道的请求。

• (10) Router::close_channel 被调用的同时， Relaychain 通过 DMP 机制向 Parachain B 发送 HrmpChannelClosing 消息。

• (11) 通道元数据被删除。

四、HRMP vs XCMP

我们对比一下 Web3 基金会定义的 XCMP， 假定按照 Gossip 算法发送消息。

(1) Parachain 之间有相同节点

图中显示了基于 Gossip 算法传递消息的情况，假定由最新产生 ParaBlock 的 Parachain A 网络中的 Collator 节点发起

跨链消息将直接从 Parachain A 网络传递到 Parachain B 网络。

(2) Parachain 之间没有相同节点

图中显示了 FallBack 方式传递消息的情况，他们之间没有共同的全节点

我们假设 Parachain A 向 Parachain C 发送跨链消息。

当 Parachain C 的 Validator 通知跨链消息没有被传递到 Parachain C 时，它们将会向 Parachain A 的 Validator 请求他们 Parachain 出口队列中的跨链消息，收到相应的回应后，再按照 Gossip 算法将跨链消息传递到 Parachain C 网络。

当跨链消息被加入到他们的消息出口队列时， 跨链消息被保存在他们平行链中的 Collator 节点和 Full 节点上。当平行链的区块头被纳入中继链上时， 平行链的 Validators 也会保存这些跨链消息。

为了保证跨链消息的可用性，要求所有的 Validator 保存跨链消息的纠删码，纠删码由发送跨链消息的平行链中的 valiadators 生成和分发。只要 Validators 至少保存了三分之二， 跨链消息就能复原。如果低于三分之二， Validators 将会受到经济惩罚。以此来保证跨链消息的可用性。

综上， XCMP 机制中， Relaychain 只保留了跨链消息的 hash， 而跨链消息则以纠删码的方式保存在了发送跨链消息的平行链中的 Collator， FullNode 和 Validator 上。

五、 总结

从语义上讲， HRMP 模仿了 XCMP 的业务接口， 将跨链消息存储在 Relaychain 上使事情变得简单，同时对 Relaychain 资源要求较高，价格昂贵。

而 XCMP 比较灵活，扩展性高，但实现难度大，方案还在演进中。当 XCMP 实现后， HRMP 自然会被遗弃。

参考链接 :

• Polkadot’s Messaging Scheme

• Parachain Implementation Guide

• Implement HRMP

• Research At Web3

• Cumulus Overview

• 欢迎学习 Substrate:

https://substrate.dev/

• 关注 Substrate 进展 :

https://github.com/paritytech/substrate

• 关注 Polkadot 进展 :

https://github.com/paritytech/polkadot

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