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淺析:Polkadot如何進行升級?_RUN

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引?言

我們都知道,區塊鏈的特性之一是不可篡改,這一特性背后是節點共識等技術的支撐。在全節點共識的網絡中,升級一直是困擾區塊鏈界的一大問題,因為在實際使用場景中,節點的部署通常存在一定的地理隔離。要想在同一時間對所有節點進行升級基本是不可能的!這一問題在公鏈中更為凸顯,一條公鏈的節點可能分散在世界的各個角落。

如果不能同一時間對全部節點進行升級,就會導致某一時刻,既有運行舊版本的節點也有運行新版本的節點。如果舊版本的節點無法驗證新版本的節點產生的區塊,那么便會存在兩條區塊鏈,即所有舊版本的節點維護一條鏈,所有新版本的節點維護一條新的鏈。這一現象我們稱為“硬分叉”。

現有區塊鏈的升級方式

引言中提到的“硬分叉”確實是區塊鏈里的一種軟件升級方式,典型的例子如比特幣以及硬分叉的比特幣現金。

還有一種分叉稱為“軟分叉”,與硬分叉不同之處在于:硬分叉中,新版本的節點可以驗證舊版本的節點產生的區塊,舊版本的節點無法驗證新版本節點產生的區塊;而軟分叉中,新舊版本軟件可以互相驗證對方產生的區塊,因此軟分叉以后,依舊是一條區塊鏈。

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軟分叉和硬分叉都可以對區塊鏈進行升級,但是它們有非常明顯的缺點:

影響業務運行:需要將正在運行的節點停掉,替換成新版本的二進制,再啟動新版本的節點升級需要較長時間:由于區塊鏈的節點數量很多,且由不同的礦工/管理員運行,整個升級過程可能持續較長時間才能完成

Polkadot如何進行升級

Polkadot是基于Substrate框架開發的區塊鏈,也是一個跨鏈協議,其作為中繼鏈實現不同區塊鏈之間的跨鏈交互。它使用Substrate提供的升級方案來進行無分叉的系統升級,完美解決了傳統區塊鏈升級中存在的問題。

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▲?Runtime介紹

要解釋Polkadot如何進行無分叉升級,首先不得不介紹一下Polkadot里的幾個概念。從技術角度來講,Polkadot協議可以分為兩個部分:Runtime和RuntimeEnvironment,Runtime包含Polkadot協議的大多數狀態轉換函數的執行邏輯,RuntimeEnvironment則包含區塊鏈的一些通用模塊,如網絡通信、區塊生成和共識引擎等。RuntimeEnvironment將外部數據傳入Runtime,并與之交互來執行狀態轉換函數。對Polkadot的升級其實就是對Runtime部分的升級。

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據了解,Sean Lennon是一位加密貨幣愛好者并且也是比特幣原教旨主義者,此前曾發表一系列對加密貨幣的積極看法。[2023/3/21 13:17:32]

用戶可以選擇使用FRAME來開發Runtime,它的全稱是FrameworkforRuntimeAggregationofModularizedEntities,是一組可簡化Runtime開發的模塊和支持庫。Polkadot的Runtime是用rust編寫的代碼,它被同時編譯成一個native可執行文件和一個WebAssembly二進制文件,native可執行文件是整個節點可執行文件的一部分,而wasm二進制則被作為狀態的一部分存儲在鏈上。節點執行時既可以使用nativeruntime也可以使用wasmruntime,wasmruntime雖然比nativeruntime執行效率低一點,但是它有以下優點:

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跨平臺。雖然wasm是與平臺無關的二進制格式,無論使用何種硬件,在VM中運行wasm,得到相同的執行結果。可以確保產生有效的區塊。在wasm中執行的邏輯總是能在nativeruntime中運行,但反過來則不一定。良好的社區支持。工具鏈和生態得到了社區的大力支持,目前rust對wasm支持的最好。▲?Runtime無分叉升級

升級Runtime的第一步,就是提出一個議案,將更新的Runtimewasm二進制提交到鏈上。下圖是作者寫這篇文章時在Polkadot瀏覽器中的提案截圖,其中編號為2的提案便是對Runtime進行升級的提案。

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該議案進入公投并投票通過以后,區塊鏈節點便使用當前的Runtime邏輯,將鏈上使用的wasm二進制替換為議案通過的wasm二進制。作為共識過程的一部分,全網所有的區塊鏈節點都將執行這一過程。

Runtime提供版本信息以區分不同的版本,節點執行時通過判斷nativeruntime和wasmruntime的版本信息,來選擇合適的Runtime執行。Runtime使用RuntimeVersion結構體來表示版本信息,如下圖所示:

其中各字段解釋如下:

spec_name:用于區分不同Substrateruntime的標識符。

impl_name:Runtime實現名稱,用于區分不同團隊所實現的代碼。

authoring_version:出塊接口版本號。只有當該值等于nativeruntime的版本號時,出塊節點才會生成區塊。

spec_version:Runtime規范版本號。只有當nativeruntime和wasmruntime中的spec_name、spec_version、和authoring_version都相等的情況下,全節點才會使用nativeruntime,否則使用wasmruntime。

impl_version:Runtime規范實現版本號。節點可以完全忽略此值;它僅用來說明代碼是不同的。

transaction_version:外部交易接口版本號。

apis:所支持的RuntimeAPI及其版本的列表。

之后,節點執行時會發現nativeruntime的版本和wasmruntime版本不一致,因此之后所有執行過程都會使用鏈上最新的wasmruntime,而不是nativeruntime。至此,便完成了無分叉的升級過程。

▲?存儲遷移

在Polkadot升級過程中,還有一個不可忽略的要點便是存儲遷移,它是指開發人員重新調整現有的存儲以滿足新的需求。

為什么需要存儲遷移呢?舉個簡單的例子:假設在舊的Runtime邏輯中,用戶賬戶余額的數據類型是用無符號整型表示的,也就是用無符號整型進行存儲的;而在新的Runtime邏輯中,該數據類型是用有符號整型表示的。如果沒有使用存儲遷移,新的Runtime執行狀態轉換邏輯的過程中,讀取用戶賬戶余額時有可能讀取到負數可能,這便可能引起不可預料的結果。

在Runtime中需要進行遷移的改動必須使用Substrate提供的D1-runtime-migration標簽來指定。同時,FRAME提供了on_runtime_upgrade函數,該函數的邏輯會在Runtime升級之后立即執行,因此可以在該函數中加入相關的邏輯來實現存儲遷移。

總結

Polkadot的升級方案通過將Runtime分為native和wasm并采用鏈上治理進行升級,無需中斷節點且不影響業務運行,也無需太多的人員投入,效率大大提高,完美解決了分叉升級帶來的問題,確實是一個非常不錯的區塊鏈升級方案。

參考文獻

?RuntimeUpgrades,?https://substrate.dev/docs/en/knowledgebase/runtime/upgrades

?J.Burdges,A.Cevallos,P.Czaban,R.Habermeier,S.Hosseini,F.Lama,H.K.Alper,X.Luo,F.Shirazi,A.Stewart,andG.Wood.Overviewofpolkadotanditsdesignconsiderations.arXivpreprintarXiv:2005.13456,2020.

作者簡介

周蓉

數據網格實驗室BitXHub團隊

研究方向:區塊鏈賬本互操作技術

Tags:RUNTIMEUNTTIMDRUNK幣AmberTime CoinPUNT幣時光幣TIME

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