Dive Into Substrate源码分析之 1 - 技术组成

如果你是最近才了解Substrate, 那么要恭喜你!

因为Substrate 官网的文档最近做过大的升级, 你可以看到现在的官方文档其实是非常详细的, 比如会有一个专门的章节来介绍区块链的基础知识, 而老版的文档则是直接假定读者已经具备区块链的基础知识了.

而我这一系列虽然不做假定, 但我还是非常推荐各位应该首先去官网看过官方的教程和文档, 因为我的文章更多是从一个实际开发者的角度来理解的, 如果你也是一个开发者, 或许你更加能与我共鸣.

废话少说, 首先, 我们要理解Substrate, 就必须要理解Substrate的技术构成.

我的本职工作是一个架构师, 架构师的一个重要职责, 就是为团队圈定技术方向, 为项目敲定技术选型. 那么, 就从我的工作方向出发, 假设今天我们要开发一个类似Substrate的区块链框架, 我们应该怎么做?

也就是说, 我们试着从一个开发者的角度, 来扮演一下Gavin Woods的角色, 看看如果你要开发一个区块链框架, 你该如何做技术选型?

Wasm, XCM和NPoS

要回答这个问题, 我们首先要看下当时的区块链世界有哪些突破, 又有哪些痛点; 同时当时的技术大环境里, 又有哪些新技术可用.
当时(2017~2018)的区块链世界中, 最大的突破莫过于2个, 一是比特币的诞生并发展第一次将区块链这一技术带入世界, 开启了区块链时代, 第二则是以太坊开创的智能合约时代, 正是因为智能合约的引入, 区块链才第一次有向实际应用的可能性迈出了一大步, 开启了智能合约时代.
但是几乎所有的其它区块链都是尽可能地模(chao)仿(xi)比特币或者以太坊, 但无论是比特币还是以太坊都存在几个非常严重的难题:

其底层的共识采用的PoW, 即工作量证明模式, 这一模式最大的问题是对资源的消耗极大, 而这消耗的资源实际上什么也没干, 就是在白白消耗. 这也是基于Pow的挖矿模式被各国打击的主要原因.
升级困难. 再牛逼的程序员都会写出bug, 所以就必定需要升级打补丁; 而区块链由于其特殊性(必须全体保持一致), 升级非常困难, 不仅升级困难, 升级后的新老数据迁移也是非常难搞. 最终只能用分叉(fork)这种方式来完成. Fork方式费时费力, 动辄要数年功夫, 而且还不一定能达成社区共识, 很有可能会造成社区分裂.
生态封闭, 交易承载有限. 这里的生态封闭是相对而言, 其实智能合约的出现, 已经让区块链的生态大大丰富起来, 但一个以太坊的承载容量有限, 当成千上万的智能合约涌入的时候, 基于PoW共识的以太坊很难招架的住; 而且以太坊的生态和其它公链生态无法做到互通, 这就;形成了一个个区块链孤岛.

以上就是当时最主要的问题. 要解决这些问题, 有两种方式:

在现有的体系上升级打补丁
开发一种全新的区块链体系.

以太坊选择了第一种, 今天的以太坊2.0, 抛弃了PoW方式, 采取的全新的分片模式, 算是很大程度上解决了以上的难题.
而Gavin当时则选择了第二条路, 开发了一种全新的区块链和区块链开发体系, 这就是Substrate和波卡系的由来.

对于上叙3个问题, Substrate分别使用了3个技术来解决:

对于PoW造成的资源浪费和TPS过低问题, Substrate使用了一种全新的共识引擎, 称之为NPoS(提名权益证明)
对于升级困难的问题, Substrate将一个节点分为Runtime和Client两个部分, 其中Runtime只负责链上状态迁移的计算, Client则只负责网络接连/数据持久化等, 这样最为核心的状态迁移模块就独立出来, 并且Substrate使用Wasm技术来实现这一模块, 这就使得Runtime的升级变得非常轻松, 当Runtime统一升级后, Client的升级就不会对链上升级造成影响了, Substrate将这种无需fork就可以轻松达到升级的方式称之为”Forkless Upgrade”.
对于单链生态封闭, 区块链孤岛的问题, Substrate使用了一种全新的技术, 称之为”跨链”技术, 包含XCM, XCMP等一系列组件, 并采用中继链+平行链的方式来实现跨链互通.

由此我们可以大致了解, Substrate的技术涉及以下几个方面:

Wasm技术, 构成substrate的runtime和智能合约模块
libp2p技术和KV数据库, 主要构成substrate的client模块
NPoS相关的共识引擎, 包括GRANDPA, BABE等, 这些是构成整个Substrate区块链网络的治理基础

因此, 如果想要深入研究Substrate, 那么对于以上3种技术的了解还是很有必要的. 这其中, Wasm和共识引擎我们将放在不同的章节部分来讲述, libp2p我们则单独用一篇文章来讲解.