Substrate 技术演进

  • kaichao
  • 更新于 2022-01-26 12:49
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Substrate是一个构建区块链的开发框架,可以让开发者在很短的时间开发一个高可用的区块链应用,而不需要过多的关心一些底层的技术。通过这个框架可以让更多的应用开发者加入进来,使用区块链技术改造自己应用场景,开发对用户更加友好、以用户为中心的应用,

有些人可能不是很熟悉 Substrate,我们简单介绍下,

Substrate是一个构建区块链的开发框架,可以让开发者在很短的时间开发一个高可用的区块链应用,而不需要过多的关心一些底层的技术。

通过这个框架可以让更多的应用开发者加入进来,使用区块链技术改造自己应用场景,开发对用户更加友好、以用户为中心的应用,

例如保护用户隐私,用户数据所有权等等,同时也是 下一代互联网(Web 3.0)的愿景。

Substrate 特性

Substrate在设计和开发过程中,一个首要的考量是保证软件的可扩展性。

Parity的工程师在开发的时候考虑了多种可能的使用场景,比如各种类型的公链,优化交易的UTXO模型,支持WASM智能合约,构建隐私应用的数据存储链等等,甚至还有一些联盟链的使用场景。

能做到这一点的一个重要原因是Parity有很多区块链客户端软件的开发经验,比如以太坊,Zcash和Bitcoin的Rust客户端。

Substrate的另外一个特点是高度模块化,模块的种类和层次相当丰富,建议多看看看相关的源代码,会有更多深入的理解。

我们举几个例子,

  • 比如数据库有ParityDB, RocksDB。
  • 哈希算法模块有xxhash, blake2, keccak。
  • 公钥加密算法有ed25519, sr25519,ecdsa。

开发者可以自由地选择模块加入到自己的应用里。

Substrate所有的组件代码都是开源的,已经有超过300名开发者贡献substrate代码库,很多重要的功能是由社区主导开发的,

我相信,开源是去中心应用的必要条件,同时它也能更好的促进行业发展,推动社会变革。

现在我们来看下substrate提供了哪些区块链开发常用的核心组件,

  • 比如刚刚提到过的高效的数据库存储层
  • 网络通信层,Substrate使用的是从ipfs抽离出 的libp2p 点对点通信组件库
  • 交易队列或者说交易池,对交易进行一定的排序和验证
  • 还有一个重要的是共识机制,来对多个节点之间的记账操作进行协调,Substrate提供的共识机制包括工作量证明(POW),权威证明(Proof of Authority), 和权益证明(PoS)。
  • Runtime 模块,它提供了链上的业务逻辑,用来处理交易,改变链上的状态,典型的业务模块有资产管理,治理,身份等等。

上面只列举了一部分功能组件,并且这些组件都可以被方便地扩展,如果现有的组件不满足你的业务要求,还可以自定义自己需要的组件。

Substrate 演进

Idea

提到 Substrate,不得不先说说 Polkadot,它的愿景是一个多链的未来。

那既然需要很多条链,自然需要一个灵活高效的脚手架。

在2018年初,parity 核心开发从原来的Polkadot代码库分离出 Substrate,里面包含了 Polkadot 用到的所有底层组件。

Web3 Summit Demo

在2018年 Web3 Summit 会议上, Gav用一台全新的电脑上,演示了如何使用Substrate在十几分钟内搭建了一个包含客户端、ui的区块链应用,这个应用是模拟一个简单的抛硬币游戏。

从这以后,Substrate也正式从Polkadot的底层库,转变成一个通用、开源的基于 Rust 编程语言的区块链开发框架。

Evolved with Polkadot

Substrate技术演进的一个主要推动力是Polkadot跨链协议的设计,为它提供了一系列的基础功能和核心业务组件,我们之前也提到了这些组件。

Substrate不仅要满足Polkadot的需要,同时也一步步添加了各种区块链开发时所需要的一系列新功能,例如

  • 多种共识引擎,
  • 开发 runtime 所需的API接口,
  • 对底层数据库和数据结构的封装,
  • 节点的模板程序等等。

在2019年4月发布了第一个稳定版本 v1.0,可以开始基于这一版本开始构建测试用的区块链应用。

Enter FRAME

接下来,Substrate 发布了 FRAME 这个模块化的runtime架构,它简化了区块链业务逻辑的开发,能够将不同的模块进行组合,这些模块通常我们叫做pallets。

2020年9月发布了功能更加完善的 v2.0 版本,在这段时间里,添加了许多的功能和优化,比如

  • 链下工作机 offchain worker,能够复用链上代码,在链下执行一些计算、IO复杂度比较高的操作,比如对外部的http请求,对大量的数据的索引和遍历,复杂计算比如 NPoS 质押提名算法。
  • 新增了benchmark基准测试来确定交易的权重,保证区块链网络中的节点对交易复杂度进行合理的衡量,并且收取一定的交易费用。
  • 通过 transactional 宏保证交易的原子性,在发生错误时,对链上存储不进行任何修改。
  • 对Substrate里的 Map, DoubleMap 这些键值对存储类型引入前缀项,实现快速的遍历和批量删除操作。
  • 新增了40多个功能模块,比如兼容以太坊的 evm 模块,定时执行的 scheduling 模块等等。

同时,FRAME代码的 license 从 GPLv3 修改为 Apache v2,开发者可以更自由地发布自己的代码。

FRAME v2

之后,在2021年2月份,Substrate 3.0 发布了新的FRAME v2语法,用新的 Rust 属性宏代替了原有的过程宏,对代码的可维护性,对IDE比如vscode 的支持,都有了比较大的提升。

在3.0里,新增了对pallets的版本管理机制,在对链上逻辑进行升级的过程中,数据的迁移也有了更清晰的流程,升级代码所在的工作目录也更加合理。

在许多Substrate社区开发者的帮助下,把代码比较多、逻辑复杂的 treasury 模块拆分成了几个小的模块,比如 bounty,tips, lottery 这几个模块。

另外一个是 mmr (Merkle Mountain Range)模块,主要是用来辅助跨链验证区块头的过程,能够较少链上计算的开销。Substrate链之间的跨链操作,以及其他类型的链来验证Substrate链的区块头,都需要用到基于 mmr 模块 的 grandpa 轻客户端。

还有一些重要的修改比如升级了 scale 编解码,优化、重构了 substrate 的网络层。

v4.0 work in progress

随着 FRAME v2 的成熟,在社区开发者的帮助下,迁移了几十个功能模块,开源协作大大加快了Substrate的迭代速度。

另外一个大的进展是跨链消息的设计,在Gav的推动下有了许多重要的更新,它的实现也从 v0 升级到了 v2,有不少社区团队已经在生产环境部署了跨链消息的通道。

还有一些值得注意的新功能,比如 通用化的map数据类型 StorageNMap,替换了之前的Map和DoubleMap。 BoundedVec 是可以在定义的时候就限制长度的集合类型。 CountedStorageMap 记录了 map 里的元素数量,可以用来方便的做一些计算和校验。 开发了新的 scale-info 库,能够自动生成带有类型信息的元数据,客户端比如 polkadotjs 或者 subxt 可以根据这个信息,自动地对数据进行 scale 编解码。 删除了 substrate 内置的轻客户端,使用smoldot和substrate-connect来实现轻客户端的功能,能够在浏览器中直接运行。 新增了 transaction-storage 模块,可以用它快速搭建一条基于 ipfs的存储链。

目前 substrate 4.0 还在开发中,没有发布,不过每个月都会有新的 monthly 小版本发布出来。

2022年更多功能

在新的一年 2022 年,会有更多的功能加到Substrate的生态中,

  • 比如把 QUIC 通信协议引入libp2p和substrate,解决目前节点网络连接的资源消耗大的问题,提升通信的效率。
  • 优化治理模块,不需要过多依赖 Council ,实现更加高效的去中心治理模式。
  • 完善smoldot轻客户端和它的生态,让更多用户在浏览器使用轻客户端访问区块链网络。
  • bootnodes 查找和发现机制,在节点启动的时候查找 bootnode, 不需要硬编码在chainspec文件里。
  • 还有一个不是和代码相关的,也让人很期待,今年会有一个官方的高标准的教育计划,针对Substrate和Polkadot的技术栈。

更多更新,大家可以去关注Parity的代码仓库和社交账户。

官网文档: https://substrate.io/ 知乎专栏: http://parity.link/zhihu

欢迎大家在 twitter 上跟我交流,https://twitter.com/kaichaosun

本文首发于:https://zhuanlan.zhihu.com/p/460825502

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