JAM Chain:波卡(Polkadot)迈向去中心化全球计算机的范式转变
波卡(Polkadot)的 JAM (Join-Accumulate Machine) Chain 代表了自以太坊推出以来最重要的区块链架构创新,从根本上重新构想了去中心化计算的运作方式。由 Gavin Wood 博士于 2024 年 4 月通过 JAM 灰皮书(JAM Gray Paper)引入,JAM 将波卡从一个平行链专用的中继链转变为一个通用的、无需许可的“大多一致的无需信任超级计算机”,能够实现 42 倍更高的数据可用性(850 MB/s)和 340 万+ TPS 的理论容量。该协议通过在动态分片边界内实现同步可组合性,同时保持 350+ 个核心的并行执行,解决了当前区块链系统普遍存在的持续分区问题。与以太坊以 L2 为中心的 Rollup 策略或 Cosmos 的主权区域模型不同,JAM 将分片执行与一致状态直接构建到共识层中,使用基于 RISC-V 的新型波卡虚拟机(PVM)和无交易架构,所有计算都通过 Refine→Accumulate 管道进行。有 43 个实施团队正在竞争 1000 万 DOT 的奖金,多个客户端预计在 2025 年 8 月前实现 100% 的一致性,主网部署目标定于 2026 年初,JAM 有望实现以太坊 2.0 最初愿景所承诺的:在不牺牲可组合性或安全性的前提下实现原生可扩展执行。
计算模型:JAM 如何大规模处理工作
JAM 引入了 一种全新的计算范式,称为 CoreJAM(Collect, Refine, Join, Accumulate),它将区块链执行分解为不同的阶段,以优化并行化和效率。JAM 的名称来源于链上部分——Join 和 Accumulate,而 Collect 和 Refine 则在链下进行。这种架构建立了两个协同工作的主要执行环境:用于重度并行计算的核心内执行和用于状态集成的链上执行。
在 Refine 阶段(核心内执行),工作项在多个验证人核心上进行无状态并行处理,每个核心在 6 秒的时间槽内处理高达 15 MB 的输入数据,并产生最大 90 KB 的压缩输出——一个惊人的 166 倍压缩比。此阶段为每个核心提供 6 秒的 PVM 执行时间,是当前波卡平行链验证函数(PVF)2 秒限制的三倍。Refine 函数完全在链下执行计算密集型工作,其唯一有状态操作是预映像查找(preimage lookups),从而实现了大规模并行化而没有状态争用。
Refine 之后,Accumulate 阶段(链上执行)通过有状态操作将工作结果集成到链状态中,每个输出的执行时间限制在大约 10 毫秒。此函数在所有验证人上运行,可以读取任何服务的存储,写入其自己的键值存储,在服务之间转移资金,创建新服务,升级代码,并请求预映像可用性。执行预算的鲜明对比——链下 6 秒对链上 10 毫秒——反映了 JAM 的基本洞察:通过将昂贵的计算推到链下并并行化,系统将宝贵的链上时间仅用于必要的状态转换。
JAM 中的服务定义了第三个入口点,称为 onTransfer,它处理异步服务间通信。此消息系统使服务能够非阻塞地进行交互,消息发送后不立即返回结果。该设计预期未来将通过辅助核心分配额外的 Gas 以实现复杂的跨服务交互。
这种双重执行模型实现了 Wood 所描述的半一致性:在同一区块中调度到同一核心的服务同步交互(一致子集),而不同核心上的服务异步通信(整体不一致)。一致和不一致执行之间的边界保持流动且受经济驱动,而非协议强制,允许频繁通信的服务在核心上共存以实现同步行为,同时保持系统范围的可扩展性。这代表了解决困扰先前区块链架构的“规模-同步性”矛盾的突破。
从中继链到基于服务的计算的架构转型
JAM 从根本上重新构想了波卡的架构,从高度特定于平行链的设计转向了极简的通用计算基底。当前的波卡中继链直接在协议中封装了平行链,硬性限制大约 50 个插槽,需要通过拍卖获取,花费数百万 DOT,并通过固定的验证路径执行所有平行链逻辑。JAM 用服务取代了这一点——无需许可、封装的执行环境,任何人都可以部署,无需治理批准或拍卖,仅受加密经济因素(DOT 存款)限制。
架构理念的转变是深刻的:从可升级的中继链到具有可升级服务的固定协议。波卡 1.0 维护了一个高度可升级的中继链,随着时间的推移积累了复杂性,而 JAM 固定了核心协议参数(区块头编码、哈希方案、QUIC 网络协议、时间参数),以实现积极优化并简化多重实现。质押、治理和核心时间分配等应用层功能存在于服务中,这些服务可以独立升级,而无需触及核心协议。这种不可升级的链架构显著降低了复杂性,同时在最关键的应用层保留了灵活性。
在 JAM 的模型中,平行链成为众多服务类型之一。所有波卡 1.1 平行链功能将整合到一个“平行链”或“核心链”服务中,确保完全向后兼容并提供硬编码保证。当中继链升级时,现有平行链会自动过渡到在 JAM 上运行,无需任何代码更改。服务模型将平行链的功能推广到任意执行模式:直接部署在核心上的智能合约、CorePlay 等基于 Actor 的框架、ZK-Rollup、数据可用性服务,以及尚未构想的全新执行模型。
状态管理模型也发生了显著转变。当前波卡在区块头中使用后验状态根(posterior state roots)——区块在完整计算完成后才进行分发。JAM 采用前验状态根(prior state roots),滞后一个区块,从而实现流水线化:轻量级计算(约占工作量的 5%)立即执行,区块在重度累积任务完成前分发,下一个区块在当前区块执行完成前开始处理。这种架构选择意味着 JAM 利用完整的 6 秒区块时间进行计算,每个区块实现 3 到 3.5 秒的有效计算时间,而当前波卡则低于 2 秒。
JAM 从 WebAssembly 到基于 RISC-V 的波卡虚拟机(PVM)的转变代表了另一个根本性转变。RISC-V 仅有 47 条基本指令,提供了卓越的确定性、在传统硬件上的出色执行速度、易于转译为 x86/x64/ARM、官方 LLVM 工具链支持以及内存中堆栈的自然延续处理。关键在于,与 WebAssembly 的计量开销相比,PVM 提供了“免费计量”,而基于寄存器的架构(相对于 WASM 基于堆栈的设计)避免了 NP 完全的寄存器分配问题。这使得支持 RISC-V 的延续能够为可扩展多核编码建立新标准,允许程序在区块边界之间暂停和恢复——这对于 JAM 的异 步并行化架构至关重要。
技术规范:性能目标和验证人要求
JAM 旨在实现卓越的性能指标,使其在区块链计算能力方面实现代际飞跃。该系统目标是 850 MB/s 的数据可用性——比异步支持改进前的普通波卡提高 42 倍,并且比以太坊的 1.3 MB/s 高出几个数量级。这转化为所有核心的聚合吞吐量约为 2.3 Gbps,每个核心在 6 秒的时间槽内处理 5 MB 的输入。
交易吞吐量容量显著扩展:基于 850 MB/s 数据可用性目标,理论最大值为 340 万+ TPS。实际压力测试验证了这些预测——Kusama 在 2025 年 8 月在仅 23% 的负载容量下达到了 143,000 TPS,而波卡的“Spammening”压力测试在 2024 年达到了 623,000 TPS。凭借 JAM 的额外优化和扩展核心数量(目标 350 个核心并具有弹性扩展),在生产环境中实现 100 万+ TPS 的阈值成为可能。
根据灰皮书的估计,当完全运行时,计算能力达到每秒 1500 亿 Gas,反映了所有核心的总 PVM 执行量。共识机制通过 GRANDPA 保持 6 秒的区块时间,并在大约 18 秒(约 3 个区块)内实现确定性最终性。SAFROLE 是 JAM 基于 SNARK 的区块生产算法,通过使用 zkSNARKs 和 RingVRF 进行匿名验证人选择,并提前两个周期使用票证作为区块生产的匿名入口,提供几乎无分叉的操作。
验证人硬件要求对专业运营商来说仍然可及,但需要大量资源:
- CPU:最低 8 个物理核心 @ 3.4 GHz(优先考虑单线程性能)
- RAM:最低 128 GB
- 存储:最低 2 TB NVMe SSD(优先考虑延迟而非吞吐量),预计每月增长 50 GB
- 网络:最低 500 Mbit/s 对称连接(首选 1 Gbit/s),以处理大量服务并确保拥塞控制
- 操作系统:基于 Linux(内核 5.16 或更高版本)
- 正常运行时间:要求 99%+ 以避免罚没惩罚
验证人集合由 1,023 个验证人组成——与当前波卡数量相同——所有验证人无论其质押量如何,都获得相同的区块奖励。这种平等的奖励分配激励质押分散到各个验证人,而不是集中在少数大型运营商手中,从而促进去中心化。最低质押要求是动态的;历史上,进入活跃验证人集合需要大约 175 万 DOT 的总质押(自质押加上提名),尽管最低提名意向为 250 DOT。28 天的解绑期与当前波卡保持不变。
JAM 的网络层过渡到 QUIC 协议,用于所有 1000 多个验证人之间的直接点对点连接,避免了传统网络堆栈的套接字耗尽问题。由于 JAM 本质上是无交易的(没有内存池或 Gossip 协议),系统采用网格扩散进行广播:验证人以逻辑网格排列,消息按行然后按列传播,与完整的 Gossip 协议相比,显著降低了带宽要求。
JAM Toaster 测试环境展示了支持开发的巨大基础设施规模:位于里斯本波卡宫设施的 1,023 个节点,拥有 12,276 个核心和 16 TB RAM,位列全球超级计算机前 500-1000 名。这种全规模测试基础设施解决了历史上的局限性,即小型测试网络无法模拟大规模网络动态,而生产网络缺乏全面的监控能力。
经济模型:DOT 代币经济学和基于核心时间的定价
JAM 保持 DOT 作为唯一的原生代币,不创建新代币,从而保持了与波卡经济模型的连续性,同时引入了重大的结构性变化。经济架构的核心是无需许可的服务部署,任何人都可以上传和执行代码,并支付与所用资源相称的费用。服务对代码、数据或状态没有预设限制——容量由加密经济因素决定,特别是作为经济抵押品存入的 DOT 数量。
代币经济学在 2025 年经历了重大转型,公投 1710 实施了 21 亿 DOT 的供应上限和阶梯式通胀计划。从 2026 年 3 月开始,年度代币排放量将每两年减半,创建了一个类似比特币的稀缺模型。当前年通胀率为 7.56%(低于最初的 10%),预计到 2040 年总供应量将达到约 19.1 亿 DOT,而根据旧模型则为 34 亿。这种通缩压力旨在支持长期价值积累,同时为网络安全维持足够的奖励。
费用结构从平行链拍卖过渡到基于核心时间的定价,用灵活的选项取代了波卡 1.0 复杂的插槽拍卖机制:
**批量核心时间(Bulk Coretime)**提供每月订阅,以持续访问计算核心,使需要保证吞吐量的项目能够进行可预测的预算。按需核心时间(On-Demand Coretime)为零星使用提供即用即付的访问,与数百万美元的平行链插槽拍 卖相比,大大降低了进入门槛。这种敏捷核心时间模型允许购买计算资源,持续时间从几秒到几年不等,优化了资本效率。
JAM 引入了一种新颖的混合资源消耗模型,其中工作包可以结合计算密集型任务和数据密集型操作。通过将具有不同资源需求的服务配对——例如,零知识证明验证(计算密集型)与数据可用性(存储密集型)——系统优化了验证人硬件利用率并降低了总体成本。经济激励自然地促使排序器(sequencers)批量处理相关工作项,并将频繁通信的服务共同定位在同一核心上。
无交易架构完全消除了传统的交易费用结构。用户不再向带有 Gas 费的内存池提交交易,所有操作都在链下经过 Refine 阶段,然后结果才集成到链上。这种根本不同的经济模型收取的是核心时间采购和工作包处理的费用,而不是每笔交易的 Gas 费,费用由 Refine 和 Accumulate 阶段消耗的计算和数据资源决定。
验证人经济学延续了波卡的提名权益证明(NPoS),每个周期所有活跃验证人获得相同的区块奖励,无论质押规模如何。验证人设定自己的佣金率,在分配给提名人之前从总奖励中扣除。收入来源包括区块奖励(主要)、活跃参与的周期点数奖励、用户小费(100% 归验证人)以及提名人的佣金。当前质押统计数据显示,参与率为 58%,8.25045 亿 DOT 质押在 600 个活跃验证人中。
服务将代币余额直接与代码和状态关联,从而实现了在纯可升级链中不易实现的经济模型调整。这一创新允许服务持有和管理 DOT,创建可以支付自身运营、实施新颖代币经济机制或充当用户资金托管人的经济参与者——所有这些都无需信任中介。