RUN:淺析：Polkadot如何進行升級？

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。

Web3內容平臺Mirror推出Writing NFT 2.0:金色財經報道，去中心化Web3內容發布平臺Mirror宣布推出Writing NFT 2.0。[2023/6/30 22:09:27]

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。

▲?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。

美參議員：比特幣的優勢在于它允許個人擁有自己的主權:金色財經報道，Bitcoin Magazine在社交媒體上稱，美國參議員Cynthia Lummis表示，比特幣的優勢在于，它允許個人擁有自己的主權，并作為美國人實施、使用和保護他們自己的價值觀。[2023/5/21 15:17:03]

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：

海洋保護探索和教育基金會將使用Polygon區塊鏈探索Web3深海任務:金色財經報道，海洋保護探索和教育基金會（OCEEF）已宣布將使用Polygon區塊鏈將深海任務的Web3體驗帶入虛擬世界，并利用去中心化治理提升透明度和問責制。使用 Polygon的技術，OCEEF將提供對研究船RV Odyssey的訪問權限，Polygon將通過分布式管理系統幫助推動項目訪問和項目任務，同時允許用戶將通過獨特的NFT 資助Odyssey項目。此外，OCEEF 還將與Web3軟件即服務平臺dSphere合作，后者將提供多鏈生態系統集成，包括錢包支持、NFT市場、智能合約和預言機等功能。（thebharatexpressnews）[2022/9/26 7:21:10]

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

美元指數DXY上破113，續創2002年1月以來新高:行情顯示，美元指數DXY上破113，續創2002年1月以來新高，日內漲1.61%。[2022/9/24 7:17:30]

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。

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：

英女王去世后以太坊NFT項目QueenE宣布舉行最后一場Gen1藝術品拍賣:金色財經報道，英國女王伊麗莎白二世去世后，基于以太坊的NFT項目QueenE正在舉行最后一次Gen1藝術品拍賣，截至目前的最高出價為0.5ETH，拍賣將在美國東部時間9月10日凌晨4點結束。該項目由 Web3 構建者 Fabio Sevá 和 mladen.eth 創建，在過去兩個月中制作了數十件伊麗莎白二世女王致敬的藝術品，最初，QueenE 拍賣每隔幾個小時舉行一次，但大多以每天一次的速度推出，目前為了紀念英國女王去世，該系列宣布舉辦最后一場拍賣，之后將不再進行拍賣，同時該項目還將其社交媒體簡介修改為“永遠在以太坊中安息”。（Decrypt）[2022/9/9 13:18:46]

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

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