淺析：Polkadot如何進行升級？_RUN

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。

今日恐慌與貪婪指數為60，貪婪程度上升:金色財經報道，今日恐慌與貪婪指數為60（昨日為57），貪婪程度較昨日有所上升，等級仍為貪婪。

注：恐慌指數閾值為0-100，包含指標：波動性（25%）＋市場交易量（25%）＋社交媒體熱度（15%）＋市場調查（15%）＋比特幣在整個市場中的比例（10%）＋谷歌熱詞分析（10%）。[2023/7/14 10:54:00]

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。

Worldcoin：西班牙每月有超2萬人注冊World ID，是歐洲最大的運營市場:7月10日消息，OpenAI首席執行官Sam Altman創立的加密貨幣公司Worldcoin發推稱，西班牙現在是歐洲最大的Worldcoin運營市場，每個月有超過2萬人注冊World ID。[2023/7/10 10:12:54]

▲?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。

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：

Curve原生穩定幣crvUSD鑄造數量突破5500萬枚:7月4日消息，據Curve網站數據顯示，Curve原生穩定幣crvUSD鑄造數量突破5500萬枚，其中基于wstETH的鑄造數量為4038萬枚，基于sfrxETH的鑄造數量為816萬枚，基于WBTC的鑄造數量約為567萬枚，基于ETH的鑄造數量為126萬枚[2023/7/4 22:16:31]

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。

數據：BTC實現價格達到5個月高點:金色財經報道，據Glassnode數據顯示，BTC實現價格剛剛達到5個月高點，數額為20,085.55美元。之前的5個月高點在2022年12月7日觀察到的為20,061.86美元。[2023/5/8 14:48:51]

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：

Rusk Media宣布完成950萬美元融資:金色財經報道，印度數字娛樂公司 Rusk Media Pvt Ltd 已在 A 輪融資中籌集了超過 950 萬美元，用于推出基于區塊鏈的 UGC 主導的游戲平臺。總部位于首爾的 DAOL Investment 和 Audacity Ventures 領投，現有投資者 InfoEdge Ventures (IEV)、Mistry Ventures、Survam Partners 參與了本輪融資。[2022/8/22 12:41:22]

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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