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。
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。
▲ 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Runtime Environment，Runtime包含Polkadot协议的大多数状态转换函数的执行逻辑，Runtime Environment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。
Runtime Environment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Framework for Runtime Aggregation of Modularized Entities，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（wasm）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native runtime也可以使用wasm runtime，wasm runtime虽然比native runtime执行效率低一点，但是它有以下优点：
- 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native runtime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Runtime wasm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。
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native runtime和wasm runtime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：
其中各字段解释如下：
spec_name：用于区分不同 Substrate runtime 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native runtime 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native runtime和 wasm runtime 中的 spec_name、spec_version、和 authoring_version 都相等的情况下，全节点才会使用native runtime，否则使用wasm runtime。
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Runtime API及其版本的列表。
之后，节点执行时会发现native runtime的版本和wasm runtime版本不一致，因此之后所有执行过程都会使用链上最新的wasm runtime，而不是native runtime。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（其实就是substrate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
[1] Runtime Upgrades, https://substrate.dev/docs/en/knowledgebase/runtime/upgrades
[2] J. Burdges, A. Cevallos, P. Czaban, R. Habermeier, S. Hosseini, F. Lama, H. K. Alper, X. Luo, F. Shirazi, A. Stewart, and G. Wood. Overview of polkadot and its design considerations. arXiv preprint arXiv: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