淺析：Polkadot如何進行升級？_UNT

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。

Balancer：自采用8020代幣經濟模式Radiant Capital已獲100萬美元Swap Fee:金色財經報道，據DeFi流動性協議Balancer官推披露數據，自采用8020代幣經濟模式后，Radiant Capital治理流動性提供者（LP）已產生100萬美元Swap Fee，如無此模式該指標數值為0。此外，Balancer表示Radiant Capital流動性池符合Balancer Core Pool資格要求，雖然可以將激勵措施集中在鎖定的頭寸上，但該協議仍選擇將65%的協議費用重新定向到DEX。[2023/7/28 16:04:48]

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。

數據：自FTX事件后，Solana平均每日鏈上流動價值下降96%:12月8日消息，據Delphi Digital數據，今年10月初，Solana平均每日鏈上流動總價值為329億美元，而自FTX崩潰后，該數據大幅下降，至今平均每日鏈上流動價值為14億美元，下降了96%。[2022/12/8 21:29:35]

▲?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：

Celsius再次償還4120萬枚DAI，已還清Maker借款:金色財經報道，鏈上數據顯示，加密借貸平臺Celsius Network再次向去中心化借貸協議 Maker 償還其余 4120 萬枚 DAI 借款，已取出全部抵押品 21,962 枚 WBTC。[2022/7/7 1:58:24]

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。

內蒙古：嚴禁新建虛擬貨幣“挖礦”項目:金色財經報道，內蒙古自治區黨委、自治區人民政府發布關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的實施意見，《意見》指出深度調整產業結構，嚴禁新建虛擬貨幣“挖礦”項目，推進信息技術與工業產業深度融合，促進工業領域數字化轉型。[2022/6/27 1:34:25]

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：

Celsius：若用戶在暫停提款、兌換和轉賬期間收到追加保證金通知需盡快回復:6月15日消息，加密借貸平臺Celsius在最新發布的社區常見問題解答中表示，當前在Earn賬戶中所有代幣都將繼續累積獎勵。關于支付追加保證金或還貸問題，如果用戶收到追加保證金通知，需要盡快回復追加保證金通知電子郵件，讓貸款團隊知道是否會增加更多抵押品或償還貸款。為了穩定流動性和運營，Celsius將繼續暫停提款、兌換和賬戶之間的轉賬，之后將向社區分享更多信息。[2022/6/15 4:27:52]

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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