作者: PaperMoon 团队

Polkadot 的中继链从诞生之日起就面对一个张力：它足够强大，能同时为上百条平行链提供共享安全；但也足够"固执"——你只能用它来跑平行链，不能用它做别的。JAM 要做的事情，是把"专门跑平行链的中继链"变成"什么都能跑的通用计算机"，而且整条链上连交易都没有。

理解 JAM 不需要你忘掉 Polkadot，恰恰相反——JAM 的设计逻辑是把现有中继链做的两件核心工作（分布式数据可用性和计算审计担保）从平行链的外壳中剥离出来，变成任何人都可以调用的底层原语。换句话说，平行链只是 JAM 上的一个"服务"，而不是 JAM 的全部。

一、JAM 是什么：一条专注于 Rollup 的无交易链

从中继链到 Rollup 链

JAM（Join-Accumulate Machine）：Polkadot 下一代核心协议，目标是把中继链泛化为通用计算基础设施。名字源自 CoreJAM（Collect-Refine-Join-Accumulate），描述了其计算模型。其中 Collect 和 Refine 发生在链下，只有 Join 和 Accumulate 在链上执行。

JAM 本质上是一条领域专用链，专门处理 Rollup 问题：接收 Rollup 的输出，将其整合到共享状态中。这和当前中继链的功能类似，但 JAM 对 Rollup 的处理方式"更少偏见、更加通用"。

它的核心工作只有一件事：**提供一套机制，确保输出正确地反映了输入经过变换后的结果。**

### 无交易设计

JAM 没有交易的概念。所有无需许可的操作都先经过链下的 Refine 阶段（将输入数据预处理为工作报告/工作结果），然后再传输到链上。

链上只接受五种**外部信息（extrinsic）**：

类型	作用
Guarantees 担保	验证人集体证明工作结果准确反映了工作项经 Refine 函数变换后的输出
Assurances 保证	与 Guarantees 配合，验证人对工作结果的数据可用性进行证明
Judgments 裁决	当工作结果的完整性存疑时，大量验证人投票证明其有效或无效；无效项可能触发回滚，必须在工作报告提交后 1 小时 内完成
Preimages 原像	供 Refine 函数使用的链上数据查询机制
Tickets 票据	匿名出块机制的入场券，系统提前两个 epoch 运行（SAFROLE 算法）

外部调用（extrinsic）：Substrate（Polkadot 生态的区块链开发框架）中从链外发起的操作请求，类似以太坊中的"交易"，但范围更广。

为什么选择一次性升级

JAM 将作为一次完整的单次升级引入，而非迭代式更新。原因有三：

1. 统一升级可以精确限制升级后的行为边界
2. 避免每周/每月不断的小型破坏性变更
3. 将多个小型破坏性变更合并为一次过渡

二、服务模型：三个入口函数定义一切

智能合约的味道

JAM 具有智能合约链的特征：任何人都可以在 JAM 链上无需许可地执行代码。JAM 的状态被组织为独立的封装单元，每个封装包含状态、代码和余额——这些封装被称为**服务（Service）**。

智能合约：部署在区块链上的自动执行程序，满足预设条件时自动运行，无需人工干预。

与基于 Substrate的链不同（在那里添加新的 pallet——Substrate 框架中的功能模块——需要治理批准），JAM 上创建服务是完全无需许可的。

Refine：链下的计算主力

Refine 是大部分计算发生的地方，执行几乎无状态的 Rollup 变换。

关键参数：

- 输入容量：每个时间槽（6 秒）最多 15 MB
- 输出容量：最多 90 kB（因为输出需要分布式可用性存储，必须大幅压缩）
- 执行时间：最多6 秒的 PVM gas（相当于一整个中继链区块周期），相比当前 PVF 的 2 秒限制有显著提升

以平行链场景为例：15 MB 的输入就是有效性证明（PoV），90 kB 的输出就是候选收据。

Refine 虽然基本无状态，但可以执行一种有状态操作：**原像查询**。如果一个哈希值对应的原像被认为存在于 JAM 链上，Refine 可以通过提供哈希来请求该原像。这使得代码（比如平行链代码）可以高效地存储在 JAM 上，只需通过哈希引用即可获取。

Accumulate：将结果折叠进链上状态

Accumulate 负责将 Refine 的输出整合到链上状态中，是有状态的函数。

- **执行时间**：远短于 Refine，通常最多约 **10 毫秒**。如果工作包中有多个工作项，可用时间会被分摊
- **能力范围**：读取任何服务的存储、写入自己的键值存储、转移资金（含备注）、创建新服务、升级代码、请求原像可用性

一个高级特性：Refine 可以调用 PVM 子实例——创建具有可定制代码、数据、内存和栈配置的子虚拟机实例。

OnTransfer：异步的服务间通信

**OnTransfer** 是有状态函数，允许服务之间的异步通信。它可以检查其他服务的状态并修改自己的状态。

与智能合约链的关键区别在于：**交互是异步的**。一个服务向另一个服务发送带有代币的消息，接收方在同一个 6 秒周期内稍后处理。没有即时的返回路径——如果需要回复，发送方需要发起另一次转账，或者修改自己的状态供接收方稍后读取。

**并行执行**：Accumulate 和 OnTransfer 都被设计为可并行执行，不同服务的累积和转账可以同时进行。未来甚至可以分配超过当前 10 毫秒的 gas 配额，用二级核心执行某些需要更多计算量的累积操作。

工作包与两阶段处理

服务的输入被组织为**工作包（Work Package）**，每个工作包包含多个工作项，每个工作项关联一个服务。工作包被分配给一个核心，在一个时间槽（通常 6 秒）内处理。

处理流程：

1. Refine 接收工作项 → 产出工作结果
2. 工作包中的多个工作项 → 被精炼为包含多个工作结果的工作报告
3. 工作结果被送入 Accumulate，折叠进链上状态

三、PVM：基于 RISC-V 的极简虚拟机

**PVM（Polkadot Virtual Machine）**：基于 RISC-V 指令集的原生执行环境。

为什么选择 RISC-V 而不是 WASM

**WASM / WebAssembly**（一种高效的二进制指令格式）虽然为 Web 优化，但在栈管理方面存在挑战，特别是续延（continuation）处理。RISC-V 将栈放在内存中，使续延处理变得自然，无需额外复杂度。

PVM 的核心特性：

- **简单、安全、可沙箱化**
- **确定性、共识敏感、计量友好**
- **在常规硬件（x64、ARM）上执行速度极佳**
- **免费计量优势**——相比 WASM 不需要额外的计量开销

RISC-V 的另一个优势是易于转译到常见硬件格式（x86、x64、ARM），且拥有成熟的工具链支持（如 [LLVM](https://llvm.org/)）。

续延：并行计算的新标准

RISC-V 启用的续延机制为 JAM 这样的可扩展多核平台编程建立了新标准。异步、并行化的架构对区块链和共识系统的可扩展性越来越关键。

四、流水线出块：把 6 秒用到极致

传统方式的瓶颈

以太坊等传统基于状态的区块链，区块头中包含"后置状态根"——总结计算完成后的状态。这意味着必须等计算全部完成才能发送区块头。

JAM 的方案

JAM 在区块头中放置的是**前一个区块的状态根**（而非当前区块的），即状态根滞后一个区块。这带来了一个巨大的优化：

1. 轻量计算（约占工作量的 **~5%**）在区块头分发前执行
2. 区块头立即分发
3. 剩余约 **~95%** 的计算（主要是 Accumulate）在之后完成
4. 下一个区块可以在当前区块执行完成之前就开始

**效率提升**：传统 6 秒区块时间中，实际用于计算的时间有限。JAM 的流水线设计使整个区块时间都可用于有效计算，实际获得约 **3-3.5 秒**的有效区块计算时间——相比当前设置是巨大改进。

但有一个前提：如果使用全部区块时间，存在永远追赶/延迟导入区块的风险。

五、架构哲学：不可升级的链 + 可升级的服务

### 与中继链的关键区别

JAM 固定了区块头的类型编码和哈希方案（更难更改），而中继链固定的是 WASM 语言。但两者都保留了灵活性——JAM 通过服务模型实现了类似中继链 WebAssembly 元协议的可升级性。

**升级责任转移到了服务层**，链本身不再承担升级负担。三个支撑理由：

1. **简单性**：不可升级的链大幅降低复杂度
2. **避免功能膨胀**：中继链的 Substrate SDK 因为升级太容易，导致复杂功能不断累积却从不移除，使得复制 Polkadot 变得不切实际
3. **优化空间**：固定参数使网络拓扑和时序优化成为可能，而中继链的高度可升级性因为频繁变更的可能性而限制了优化

**算力时间（Coretime）** 销售、**质押（Staking）**、**治理（Governance）**等应用层功能全部由服务管理。

**算力时间（Coretime）**：Polkadot 2.0 中对中继链出块与验证资源的抽象单位，可以按需购买和出售。
**质押**：将代币锁定在网络中以参与共识或获得奖励的机制。
**治理**：链上的去中心化决策机制，持币者可以投票决定协议升级、资金使用等重大事项。

服务的经济模型

一个新颖的概念：服务关联的代币余额提供了经济模型调整的机会——服务持有的 DOT 越多，可使用的数据和状态容量就越大。这在纯粹可升级的链（如当前中继链）上无法实现。

六、网络层与出块算法

SAFROLE：极简出块

**SAFROLE** 是 JAM 的出块算法，是 SASSAFRAS 的简化版本，排除了平行链专用的组件（平行链服务可能仍然使用完整的 SASSAFRAS）。

设计目标是最大程度的极简主义，追随以太坊黄皮书的先例——让更多的人能够理解和实现。理解 Polkadot 1.0 的端到端非常困难，而 JAM 的目标是让能读懂黄皮书的人可以相当快速地理解 JAM。

### QUIC 协议与网格扩散

JAM 使用 **QUIC 协议**实现验证人之间的直接点对点连接。所有 **1,000+ 个** Polkadot 验证人可以维持持久连接而不会出现套接字问题。

由于 JAM 的无交易特性，gossip 协议基本不再需要。对于需要在小型验证人子集内进行非点对点分发的场景，使用**网格扩散**（Grid Diffusal）替代：验证人排列成网格，数据包按行发送，每个行节点再发送给所有列成员。

七、与现有生态的兼容性

平行链完全兼容

JAM 的设计优先保证与现有 Polkadot 1.1 平行链的兼容性。所有 Polkadot 1.1 的功能被整合为 JAM 上的一个单独服务——**平行链服务**。其他服务可以在此基础上利用分布式可用性和计算担保系统。

Substrate 兼容

Substrate 兼容性通过 PVF 重定向修改来维持：WebAssembly 过渡到 PVM。由于 PVM 只是 RISC-V 的微小修改，而 RISC-V 已经是官方 LLVM 目标，PVM 很可能在 JAM 部署前就成为官方 LLVM 目标。

XCMP：期待已久的完整跨链消息传递

JAM 要求完整的 **XCMP**（Cross-Chain Message Passing）支持。

**XCM（跨共识消息格式）**：Polkadot 生态中链与链之间传递消息和资产的标准协议。

当前的 HRMP（水平中继链消息传递）将所有消息都通过中继链中转，数据载荷限制在 **≤ 4 kB**——这不够实用。XCMP 的解决方案是只通过链上中继消息头，实际消息数据通过链下传输。

Accords：多实例分片智能合约

**Accords** 封装了状态和逻辑（类似智能合约），可以有多个实例与平行链并存，支持实例间消息传递和与平行链的同步交互。

使用场景包括：

- 缺乏互信的平行链间代币转账
- 直接代币传送（teleportation），消除需要信任的储备中间方
- XCM 转发机制，确保消息通过第三方中介时的完整性

效率提升的新可能

JAM 更广泛、更少偏见的底层共识机制使得创新方案成为可能：

- 分布式可用性可用于复杂任务（如零知识证明）
- 混合资源消耗模型：工作包同时包含计算密集型任务和数据密集型操作
- 不同需求的服务配对（大量计算 + 高数据可用性）优化验证人资源利用，降低成本

八、JAM Toaster：千节点测试平台

JAM Toaster 是专门为 JAM 打造的大规模测试环境，解决了此前 Polkadot 开发中的测试痛点：

- 过去的测试网络规模小（最多几十个节点），使用不可靠的云硬件
- Kusama 网络缺乏全面监控（验证人访问受限）
- 小规模网络无法模拟大规模网络动态

JAM Toaster 提供了一个 **1,023 个节点**的网络，能够全面研究网络行为和性能，让开发者获得预期的平行链性能洞察。

小结

- 三函数模型：Refine（链下计算主力）、Accumulate（链上状态折叠）、OnTransfer（异步服务间通信）构成了 JAM 所有计算的骨架
- 无交易设计：链上只接受五种外部信息，所有无需许可的计算都先经过链下 Refine 预处理
- PVM 替代 WASM：基于 RISC-V 的极简虚拟机，获得免费计量、原生续延支持和更长的执行时间（6 秒 vs 2 秒）
- 流水线出块：前置状态根设计让约 95% 的计算与区块分发并行，有效计算时间达到 3-3.5 秒
- 不可升级的链 + 可升级的服务：链层固定带来简单性和优化空间，服务层保留全部灵活性