IME:浅析：Polkadot如何进行升级？

引?言

我们都知道，区块链的特性之一是不可篡改，这一特性背后是节点共识等技术的支撑。在全节点共识的网络中，升级一直是困扰区块链界的一大问题，因为在实际使用场景中，节点的部署通常存在一定的地理隔离。要想在同一时间对所有节点进行升级基本是不可能的！这一问题在公链中更为凸显，一条公链的节点可能分散在世界的各个角落。

如果不能同一时间对全部节点进行升级，就会导致某一时刻，既有运行旧版本的节点也有运行新版本的节点。如果旧版本的节点无法验证新版本的节点产生的区块，那么便会存在两条区块链，即所有旧版本的节点维护一条链，所有新版本的节点维护一条新的链。这一现象我们称为“硬分叉”。

现有区块链的升级方式

引言中提到的“硬分叉”确实是区块链里的一种软件升级方式，典型的例子如比特币以及硬分叉的比特币现金。

还有一种分叉称为“软分叉”，与硬分叉不同之处在于：硬分叉中，新版本的节点可以验证旧版本的节点产生的区块，旧版本的节点无法验证新版本节点产生的区块；而软分叉中，新旧版本软件可以互相验证对方产生的区块，因此软分叉以后，依旧是一条区块链。

亚洲数字银行在everPay中完成数字资产ACNH发行:据官方消息，马来西亚持牌投资银行亚洲数字银行有限公司在everVision旗下的Crypto实时支付网络everPay中完成数字资产ACNH的发行。ACNH 是一种受到全面监管，满足合法合规需求的创新数字资产。每一枚 ACNH 的发行都以 100% 等值的真实资产进行储备，包括现金、现金等价物以及以人民币计价的短期政府债券。[2023/5/30 11:48:19]

软分叉和硬分叉都可以对区块链进行升级，但是它们有非常明显的缺点：

影响业务运行：需要将正在运行的节点停掉，替换成新版本的二进制，再启动新版本的节点升级需要较长时间：由于区块链的节点数量很多，且由不同的矿工/管理员运行，整个升级过程可能持续较长时间才能完成

Polkadot如何进行升级

Polkadot是基于Substrate框架开发的区块链，也是一个跨链协议，其作为中继链实现不同区块链之间的跨链交互。它使用Substrate提供的升级方案来进行无分叉的系统升级，完美解决了传统区块链升级中存在的问题。

数据：9小时前某地址转入350万枚LDO并卖出50万枚:金色财经报道，据Lookonchain监测，9个小时前，LDO价格从1.24美元涨至1.42美元时，某地址转入350万枚LDO并卖出50万枚（约68.5万美元），平均售价约1.37美元。[2023/1/5 9:54:15]

▲?Runtime介绍

要解释Polkadot如何进行无分叉升级，首先不得不介绍一下Polkadot里的几个概念。从技术角度来讲，Polkadot协议可以分为两个部分：Runtime和RuntimeEnvironment，Runtime包含Polkadot协议的大多数状态转换函数的执行逻辑，RuntimeEnvironment则包含区块链的一些通用模块，如网络通信、区块生成和共识引擎等。RuntimeEnvironment将外部数据传入Runtime，并与之交互来执行状态转换函数。对Polkadot的升级其实就是对Runtime部分的升级。

用户可以选择使用FRAME来开发Runtime，它的全称是FrameworkforRuntimeAggregationofModularizedEntities，是一组可简化Runtime开发的模块和支持库。Polkadot的Runtime是用rust编写的代码，它被同时编译成一个native可执行文件和一个WebAssembly二进制文件，native可执行文件是整个节点可执行文件的一部分，而wasm二进制则被作为状态的一部分存储在链上。节点执行时既可以使用nativeruntime也可以使用wasmruntime，wasmruntime虽然比nativeruntime执行效率低一点，但是它有以下优点：

Ripple CTO：加密行业正处于类似21世纪初谷歌的境遇:1月2日消息，Ripple首席技术官David Schwartz认为，XRP以及更广泛的加密行业持续表现低迷是因为市场还不确定加密市场会成为“下一件大事”。这就像2000年谷歌所遭遇的境遇：当时科技行业同样对“搜索引擎是否可以提供数十亿美元价值”持怀疑态度，但有些人成为真正的信徒并因此成为百万富翁。而加密货币目前也处于类似的情况，导致价格因为投资者的情绪起伏而波动。最终随着加密领域的成熟，市场会做出选择。（U.Today）[2023/1/2 22:20:58]

跨平台。虽然wasm是与平台无关的二进制格式，无论使用何种硬件，在VM中运行wasm，得到相同的执行结果。可以确保产生有效的区块。在wasm中执行的逻辑总是能在nativeruntime中运行，但反过来则不一定。良好的社区支持。工具链和生态得到了社区的大力支持，目前rust对wasm支持的最好。▲?Runtime无分叉升级

升级Runtime的第一步，就是提出一个议案，将更新的Runtimewasm二进制提交到链上。下图是作者写这篇文章时在Polkadot浏览器中的提案截图，其中编号为2的提案便是对Runtime进行升级的提案。

XRP前十大巨鲸已控制超70%的Token供应量:9月12日消息，截至9月12日，XRP前10大巨鲸控制的Token数量已经占到总供应量的73%，而前20大巨鲸控制的Token数量占到总供应量的75.35%。在交易平台方面，38.5%的XRP在Binance上，其中一个最富有的XRP地址拥有99,879,936枚XRP。（CoinCarp）[2022/9/12 13:24:44]

该议案进入公投并投票通过以后，区块链节点便使用当前的Runtime逻辑，将链上使用的wasm二进制替换为议案通过的wasm二进制。作为共识过程的一部分，全网所有的区块链节点都将执行这一过程。

Runtime提供版本信息以区分不同的版本，节点执行时通过判断nativeruntime和wasmruntime的版本信息，来选择合适的Runtime执行。Runtime使用RuntimeVersion结构体来表示版本信息，如下图所示：

Azuki系列NFT近24小时交易额增幅超400%:金色财经消息，据OpenSea数据显示，Azuki系列NFT近24小时交易额为520.79ETH，24小时交易额增幅达444.23%。近24小时交易额排名位列OpenSea第一。[2022/7/30 2:46:58]

其中各字段解释如下：

spec_name：用于区分不同Substrateruntime的标识符。

impl_name：Runtime实现名称，用于区分不同团队所实现的代码。

authoring_version：出块接口版本号。只有当该值等于nativeruntime的版本号时，出块节点才会生成区块。

spec_version：Runtime规范版本号。只有当nativeruntime和wasmruntime中的spec_name、spec_version、和authoring_version都相等的情况下，全节点才会使用nativeruntime，否则使用wasmruntime。

impl_version：Runtime规范实现版本号。节点可以完全忽略此值；它仅用来说明代码是不同的。

transaction_version：外部交易接口版本号。

apis：所支持的RuntimeAPI及其版本的列表。

之后，节点执行时会发现nativeruntime的版本和wasmruntime版本不一致，因此之后所有执行过程都会使用链上最新的wasmruntime，而不是nativeruntime。至此，便完成了无分叉的升级过程。

▲?存储迁移

在Polkadot升级过程中，还有一个不可忽略的要点便是存储迁移，它是指开发人员重新调整现有的存储以满足新的需求。

为什么需要存储迁移呢？举个简单的例子：假设在旧的Runtime逻辑中，用户账户余额的数据类型是用无符号整型表示的，也就是用无符号整型进行存储的；而在新的Runtime逻辑中，该数据类型是用有符号整型表示的。如果没有使用存储迁移，新的Runtime执行状态转换逻辑的过程中，读取用户账户余额时有可能读取到负数可能，这便可能引起不可预料的结果。

在Runtime中需要进行迁移的改动必须使用Substrate提供的D1-runtime-migration标签来指定。同时，FRAME提供了on_runtime_upgrade函数，该函数的逻辑会在Runtime升级之后立即执行，因此可以在该函数中加入相关的逻辑来实现存储迁移。

总结

Polkadot的升级方案通过将Runtime分为native和wasm并采用链上治理进行升级，无需中断节点且不影响业务运行，也无需太多的人员投入，效率大大提高，完美解决了分叉升级带来的问题，确实是一个非常不错的区块链升级方案。

参考文献

?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.

作者简介

周蓉

数据网格实验室BitXHub团队

研究方向：区块链账本互操作技术

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