Substrate 入门 - Substrate 的模型设计 （七）

上两篇已经描述了 Substrate 对于“区块链”的基本元素 -- 区块头 与 交易 的设计，后续的文章将会着重开始介绍 Substrate 对于开发者开放的核心设施-- Runtime。因此本文首先需要重新更加具体的介绍 Substrate 的设计模型，在有这个概念的基础上后续才能方便讲解。

程序与具备逻辑功能区块链

如图所示，我们将现代计算机的程序模型与当前的区块链模型比较，可以得到如下的抽象：

程序由指令与数据构成，对应到链上即为链上代码（例如以太坊的合约，fabric 的 chaincode，substrate 的 Runtime）和链上存储（以太坊和 fabric 都叫做世界状态 world state，Substrate 中叫 Runtime Storage，也是世界状态）

程序接受用户的输入，经过处理后得到输出，对应到链即为接受区块中的交易，执行后修改状态。用户可以以异步的方式去查询执行后的结果以代表执行后的输出。请注意区块由于需要经过共识的过程，因此对于结果的判定一定得等到区块的共识达成（又称为区块 finality 后），才能进行查询。因此区块链是一个异步的系统。这里接受交易的调用即是接受一个 Extrinsic，外部的的输入。

程序需要运行在计算机的操作系统环境里（非指代无需操作系统的程序），对应到链而言是运行链上代码所需要的一个沙盒环境，这个沙盒环境是要去除 io，网络访问等会产生“副作用”的沙盒。在以太坊中这个环境是 EVM，fabric 是 docker，substrate 中即是 Runtime 的运行环境。

因此我们可以看出，在这种角度的抽象上，区块链的系统与正常的程序的模型实际上是非常相似的。

区块链与模型的对应关系

那么对应于上图右边部分区块链模型的描述，一些具体的链即对应如下的情况：

以太坊这里就不再赘述了，从 Substrate 开始。在 Substrate 中，广义上我们一般把整个链上运行环境，包含链上代码与链上存储，整体称为 Runtime。

不过一般狭义上我们只把链上代码称为 Runtime，也就是使用 Substrate 的链开发者需要主要进行开发的部分，而链上的数据我们称为 Runtime Storage。执行链上代码的执行器及环境我们称为 Runtime 执行环境。

Substrate 的 Runtime 执行环境的特别之处在于，其设计为了“同一套代码编译出 2 种执行文件”。其设计原理与优势请参考《Substrate 设计总览》这篇文章。

Substrate 对于 Runtime(狭义) 编译出的 WASM 版本，需要存在于“链上存储”才可生效，又由于“链上存储”是所有节点都共享的数据，因此对于所有节点而言，若执行的是 WASM 版本的，则一定是同一份代码。

Substrate 的 Runtime 是携带 Runtime 的版本信息的bin/node/runtime/hide/lib.rs:L73：

/// Runtime version. pub const VERSION: RuntimeVersion = RuntimeVersion { spec_name: create_runtime_str!("node"), impl_name: create_runtime_str!("substrate-node"), authoring_version: 10, // Per convention: if the runtime behavior changes, increment spec_version // and set impl_version to equal spec_version. If only runtime // implementation changes and behavior does not, then leave spec_version as // is and increment impl_version. spec_version: 198, impl_version: 198, apis: RUNTIME_API_VERSIONS, };

注意spec_version上方的注释，这里说明了对于 Substrate 的 Runtime 的执行器而言，认准的是spec_version的值。（spec_version是代码里面的一个常量）请注意由于 Runtime 是一份代码编译出 2 份执行文件，因此例如改动了spec_version的值，编译节点称为了新的节点，但是没有编译 wasm，则从 wasm 代码里面取出的spec_version一定与新编译出的节点二进制中保留的spec_version的值不同。参见《Substrate 设计总览》中的介绍，对于 Substrate 的 Runtime 执行器而言，当版本信息不同时，会采用 WASM 版本的为准。（当然若是一个恶意节点自己改动了 Runtime 执行器的代码，例如就是只认本地 native 的版本信息，那么当然也是可以的。只是只要不是绝大多数人都是恶意节点，那么链就只会遵循绝大多数人的共识进行。因此只要非恶意节点都是遵循了这个规则，那么它就是有效的。）

在《Substrate 入门 - 运行与调试 -（二）》中介绍了若希望以 debug 的形式调试，一定要运行 native，其指代的就是和这部分有关。在现在这个版本的 Substrate 里，我们对 node 执行--help | grep exec可以看到和执行相关的命令：

--execution: 对于所有的执行采用的方式

--execution-block-construction：对于打包区块执行的时候采用的方式

--execution-import-block：从文件导入区块执行的时候采用的方式

--execution-offchain-worker：offchain 执行的时候采用的方式

--execution-other：在他调用 api 的时候采用的方式，如设置内部交易，rpc 调用等其他环节

--execution-syncing：从 p2p 同步区块的时候采用的方式

以上的指令能接受的参数都有：Native, Wasm, Both, NativeElseWasm，从命名方式上应该就可以看出其特点。但总体来说，这些命令从本质上来说，就是指代在执行不同情况下的时候，应该采用哪一份（native/wasm）代码。

由于在之前的模型抽象部分已经介绍了，对于“执行环境”而言，其本质是一个沙盒，且需要避免一些会带来副作用（相同的执行可能会产生不同的结果）的情况，因此虽然在 Substrate 中的 Runtime 是由 Rust 编写，可以编译成为 Rust 的 native 代码及 wasm 代码，但其本质上并非能调用到 Rust 的所有 std 库提供的接口，同时若引入新的库，若只支持 std，不支持 no_std 的库也是无法通过编译的。

若对这套体系不清楚的话，简单的来说请注意，所有需要出现在 Runtime 编译依赖的库中，其Cargo.toml的最后几行都会出现：

[dependencies] # 在 dependencies 中，一定要有 default-features = false frame-system = { version = "2.0.0", default-features = false, path = "../system" } # ... [features] default = ["std"] std = [ "serde", "codec/std", "sp-std/std", "sp-io/std", # ... ]

这样的字样。这里表示default的 feature 是“std”，且对于dependencies中的依赖，一定是不启用默认 features 的（default-features）

且在该 crate 的根目录下的lib.rs的前几行，一定会出现

#![cfg_attr(not(feature = "std"), no_std)]

这样的条件编译的字样。这里表示“若没有在 std 的条件编译下，则对于该 crate 采用no_std”。

另一方面，广义的 Runtime 即是这条链的“业务逻辑”，也就是“链的功能”。

总结

本文从一个角度描述了当前区块链的设计模型框架，并介绍了在这个框架下，Substrate 是如何的一种对应关系。并且强调了在 Substrate 中，其执行器是以“同一份代码，两种可执行文件”的形式存在，且联系了之前对于 Substrate 概要设计的介绍，关联起来了区块链设计模型与 Substrate 的概要设计之间的关系。

本文经作者金晓授权转载自https://zhuanlan.zhihu.com/p/101058405

更多该系列内容：

Substrate 入门 - 区块头 （五）

Substrate 入门 - 项目结构 （四）

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Substrate 入门 - 环境配置与编译（一）

Substrate 设计总览（三）

Substrate 设计总览（二）

Substrate 设计总览 (一)

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编译者/作者：PolkaWorld

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