Substrate区块链及运行时模块简介

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Parity的Substrate区块链框架在最近几个月里的开发进展很迅速，基于 Substrate的Polkadot区块链的开发也是如火如荼。这个教程的目的是介绍 如何构建一个可以支持自己的运行时模块的Substrate链。

本教程的主要内容包括：

  • 学习Susbtrate链的安装与设置
  • 学习Susbtrate链的配置方法，以及如何使用Polkadot JS浏览区块链状态
  • 学习运行时模块的结构，以及如何使用运行时模块为你自己的定制区块链添加功能

关于Rust

Substrate和运行时模块都是使用Rust开发的。

Rust是一种底层静态类型语言，它的特点在于速度保障与可靠性，但是学习难度 比较高。在区块链开发中一个非常重要但却经常被忽略的话题是：如何掌握Rust。在这个 教程中我们不会分析Rust代码，但是对于希望使用Susbtrate进行区块链开发的 工程师来说，掌握Rust是一个前提条件。

作为一种程序开发语言，Rust的学习曲线是比较陡峭的。部分原因在于Rust所采用 的语法规范，极其依赖于像泛型、特性萃取、生命周期和宏这样的特性，以及其他 一些考虑例如作用于和不变性。

其他的Substrate学习资源，例如Substrate Kitties collectibles workshop 生成Rust非常容易掌握，但这不是真实的情况，除非你已经有比较多的底层语言的 开发经历，例如C++，而且接触过比较多的涉及系统级管理的API。

实际上，如果你是刚接触Rust，那么需要一点耐心，需要花时间来了解这门开发语言 的核心概念和特性。在掌握Rust之后，Substrate的开发将变得令人享受。这门Rust书 写的很好，很适合新手学习，也适合有经验的用户温习Rust。

安装Susbtrate

安装Substrate只需要调用Parity网站上的一个bash脚本。Substrate提供了两种 安装方式：

如果希望快速掌握区块链应用的开发，推荐汇智网的区块链应用开发系列教程， 内容涵盖比特币、以太坊、eos、超级账本fabric和tendermint等多种区块链， 以及 java、go、nodejs、python、php、dart等多种开发语言

快速安装

快速安装将安装预构建的Substrate开发链、Substrate脚本、Substrate链命令行 配置工具和运行时模块。

使用--fast标志来运行Substrate安装脚本会跳过安装那些对运行Sbustrate来说 并非必要的工具：

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~$ curl https://getsubstrate.io -sSf | bash -s -- --fast

上面的命令将拉取Susbtrate的依赖项，包括Rust、OpenSSL、LLVM等等，然后进行 安装。

完整安装

完整安装除了包含上面的内容，还将安装以下两个工具：

  • SubKey：用于创建或恢复Substrate密钥的命令行工具，当你需要在命令行管理账户时会比较有用
  • Substrate node：预配置的Substrate节点，可以直接接入Substrate测试网络

运行下面的命令进行完整安装：

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// full Substrate installation
~$ curl https://getsubstrate.io -sSf | bash

一旦安装脚本执行完毕，更新你的cargo环境以便调用新安装的程序：

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~$ source ~/.cargo/env

现在使用substrate命令就可以访问预编译好的Substrate节点了。要验证Substrate node 和SubKey是否正确安装，可以检查这两个程序的版本：

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~$ substrate --version
~$ subkey --version

注意：Polkadot JS 应用已经在其账户管理界面中实现了subkey的功能 —— 可以在浏览器 中管理账户而无需subkey，这也是subkey是可选安装的原因。

默认情况下，Substrate和工具程序安装在 ~/.cargo/bin目录中。你可以看一下具体的 安装内容：

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~$ cd ~/.cargo/bin
~/.cargo/bin$ ls

你会注意到除了substrate和subkey，还有substrate-node-new和substrate-module-new 这两个程序，接下来我们将使用这些程序来创建新的定制节点和运行时模块。

更新Substrate脚本

更新Substrate脚本需要克隆最新版本，然后使用下面的命令替换cargo的二进制程序：

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~$ f=`mktemp -d` 
~$ git clone https://github.com/paritytech/substrate-up $f 
~$ cp -a $f/substrate-* ~/.cargo/bin 
~$ cp -a $f/polkadot-* ~/.cargo/bin

现在我们已经安装好了Substrate工具，可以运行Substrate开发节点了。这个节点会 开始出块，但是对于开发而言没什么用。

在任何情况下，我们可以使用下面的命令启动Substrate开发链：

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~$ substrate --dev

节点现在就起来了，你可以看到开始出块。要查看区块链的更多信息，例如每个支持 模块的状态，我们将使用Polkadot JS应用。

要查看substrate的命令行选项，可以查看--help的输出：

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~$ substrate --help

熟悉一下help命令的输出，是了解命令行程序的功能的得到验证的方法。目前的版本 包含了一些对测试有用的标志，例如预配置的账户--alice、 --bob等等。 --light标志可以按轻量模式运行节点，在框架中内置了对轻量客户端的支持。

在我们开始定制构建之前，然我们回顾一下如何查看Substrate链。基本的方法是 使用Polkadot JS应用，该应用使用Typescript和react开发。

使用Polkadot JS App

Polkadot JS应用提供了基本的区块链浏览器功能，同时也提供了管理Substrate模块 的API和接口。正如其名称所示，这个应用也支持Polkadot区块链。我们有两种 途径来使用Polkadot JS：

  • 使用一个Parity托管的应用，访问地址：https://polkadot.js.org/apps
  • 克隆项目仓库，在本地机器运行应用

让我们克隆项目在本地运行，一旦安装完成，我们可以指向我们的Susbtrate链的 节点，在我们机器上的另一个运行进程。

首先克隆并运行Polkadot JS应用：

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~$ git clone https://github.com/polkadot-js/apps.git
~$ mv apps polkadot.js
~$ cd polkadot.js && yarn start

然后在另一个终端启动substrate开发链：

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substrate --dev

在浏览器中访问localhost:3000。为了让JS App连接到我们本地的开发链， 在侧栏菜单中选择Settings，然后切换到Local Node endpoint，类似下图：

点击Save & Reload，你将注意到侧栏菜单中的许多链接激活了，具体哪些 链接会激活取决于你的链的支持。

让我们看一下几乎所有链都会支持的特性 - 账户。进入到应用的Accounts 部分 - 在My Account选项页你将看到一组账户，这些都是预配置的含余额的 账户，我们也可以在这些账户之间转账、删除账户以及备份账户密钥。这 表明了Plokadot JS App的定位 —— 在UI层与你的Substrate链交互。

在继续之前，我们要提一下Polkadot UI可以完成的任务：

  • 可以上传wasm编译的Ink智能合约
  • 作为一个POS共识链，Staking区域允许你抵押资金以成为交易验证人。
  • 设计Democracy区域的目的是处理链上的投票和管理
  • 在Toolbox区域可以测试Substrate的JSON RPC

你可以会困惑，哪些预配置的账户是哪里来的。事实上，这些账户，包括运行时 逻辑自身的编译代码，都是保存在一个Chain Specification文件中，也被成为 chain spec。

使用Chain Spec JSON文件配置链

链配置是一个大型JSON对象，使用substrate的build-spec命令生成。该命令将 提取节点引入的运行时模块的配置项，有些是空值，有些则提供了默认值。

基本上，运行时模块可以依赖于创世配置，也就是在区块链初始化时我们提供的 配置。区块链状态是由创世区块 —— 链的第一个区块 —— 来初始化的。chain spec JSON文件的工作，就是定义这个初始状态。

一旦生成配置文件，我们就可以打开该文件，根据我们的需要进行修改。

节点提供了purge-chain命令来复位区块链，这通常用于开发中：

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~$ substrate purge-chain --dev

框架提供了三个默认的链规格，也就是配置：dev、local和staging。

  • dev：dev规格提供了主要用于开发，该配置中包含了一组账户以及运行时模块
  • local：local规格类似于dev，主要用于私有链。
  • staging：staging规格更加保守一些，定义了有限数量的账户，需要自己定义 模块相关的配置。当构建产品链时，应当选择这个规格。

我们现在要做的，就是使用build-spec命令创建一个新的chainspec，将输出结果 存入单独的文件。例如，将规格写入当前用户主目录的my-chainspec.json文件：

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~$ substrate build-spec --chain=dev > ~/my-chainspec.json

在文件编辑器里打开这个文件，查看可用的配置选项。

  • id：可以改为你自己的名字
  • name：给人看的名字
  • telemetryEndpoints：提供Telemetry服务的访问端结点
  • …

一旦修改完chainspec文件，我们可以用--raw标志将其转化为原始编码状态：

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~$ substrate build-spec --chain ~/chainspec.json --raw > ~/mychain.json

最终，我们使用这个链规格文件来启动我们的substrate链。以下假设你运行了一个 自定义编译的substrate节点，使用节点的路径替换下面的<node_path>：

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<node_path> --chain ~/mychain.json --validator

接下来让我们看看如何初始化并编译自定义的Substrate节点。

初始化Substrate节点

到目前位置，我们已经使用了预编译的Substrate节点。对于测试一下开发链很好， 但是这限制了我们使用自己的运行时模块以及自定义配置。为解决此问题，我们 需要下载Substrate源代码。

有两种方法来着手我们的自定义Substrate链：

  • 下载一个已经配置好的节点模板，例如使用下载脚本完整安装时包含的测试网节点模板
  • 使用Substrate脚本，下载官方的节点模板

基本上所有的Substrate项目都会基于官方的节点模板展开，除非一些特殊情况。

用下面的命令生成一个新的节点模板：

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~$ substrate-node-new my-node "Ross Bulat"

命令执行需要花点时间 —— 要拉取最新的Substrate源码并且进行编译。

一旦完成，可以修改runtime/src目录下的lib.rs文件。同时也包含了运行时模块的模板template.rs。 接下来我们看一下运行时模块。

构建自定义节点

在节点目录中，在使用cargo编译出二进制程序之前，使用build.sh脚本将节点编译为wasm：

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# build wasm
./scripts/build.sh

# build binary
cargo build --release

节点程序现在位于./target/release/ 目录。

之前我们已经使用substrate调用了一些命令，现在可以使用我们新编译出来的程序。 要复位区块链并重新运行，执行如下命令：

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# clear chain state
./target/release/<node_name> purge-chain --dev

# run in dev mode
./target/release/<node_name> --dev

我们要介绍的最后一部分内容，是运行时模块。让我们看看什么是运行时模块 以及如何在substrate节点中引入运行时模块。

Substrate运行时模块：区块链的插件机制

Substrate的通用和模块化结构使其实用性大大增强，开发人员可以将功能以插件 形式加载到节点运行时，从而可以轻松地创建满足个性化需求的区块链。

这些插件化的功能包被称为模块，或者更确切地说，运行时模块。Substrate 预置的运行时模块集合被称为Substrate运行时模块库 —— SRML。

这些模块非常有用，它们实现了其他区块链框架中的很多功能，可以在github浏览 这些模块的代码。有了这些模块，开发人员不需要重新发明轮子，可以节省大量时间。 当实现新特性时，也是以运行时模块的形式开发的。

SRML模块由Substrate统一维护，因此可靠性得到保障。下面是现在可用的一些模块：

  • Assets：提供类似ERC20代币支持的资产模块
  • Balances：管理账户余额的模块
  • Staking：: 网络维护者管理抵押资金的模块

你会注意到这些模块都是Rust crate格式，该格式被设计用于Substrate运行时环境。

每个SRML模块都打包为crates，并在模块名前加以srml_前缀，在Parity的crate库 的左侧菜单中，可以找到这些模块。

运行时模块结构概述

每个模块都是定义在它自己的src/lib.rs文件中，遵循约定的结果。我们可以看一下 一个substrate模块的顶层特征：

  • 一个模块通常自身是一个crate，但不是必须要求
  • 一个模块可以定义为单一文件module-name.rs，或者更常见的lib.rs，如果模块 是一个crate。一个模块也可以有其他支持文件
  • 一个模块必须遵守特定的结构，依赖于特定的Substrate API

最后一点指的是什么？一个模块为你的区块链增加功能，功能可以多种形式的组件提供：

事件：一个模块可以声明自定义事件，当特定条件满足时触发，例如，当你铸造非同质化 通证时，可能是一个TokenCreated事件。事件被封装在 decl_event! 宏里:

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decl_event!(
    pub enum Event<T>
    where
        <T as system::Trait>::AccountId,
        <T as system::Trait>::Hash
    {
        TokenCreated(AccountId, Hash),
    }
);

存储：一个模块可以定义链上的持久化数据结构，例如映射表、列表等等。存储条目定义 在decl_storage!宏里：

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decl_storage! {
    trait Store for Module<T: Trait> as NFTStorage {
        TokenToOwner get(token): map T::Hash => Token<T::Hash, T::Hash>;
        TokenIndex get(get_token_by_index): map u64 => T::Hash;
        TotalTokens get(total_tokens): u64;
        ...
   }
}

可分发函数：JSON RPC可以调用的函数。

公开/私有函数：模块可以提供在运行时环境中可调用的公开函数，以及只可以在模块中 调用的私有函数。

结构：模块可以定义结构，例如，在一个跟踪全球运输的区块链实现中，可能会定义 一个ShipmenItem结构。

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#[derive(Encode, Decode, Default, Clone, PartialEq)]
pub struct ShipmentItem<Hash, Balance> {
    id: Hash,
    container_id: Hash,
    price: Balance,
    weight: u64
}

初始化模块

类似于substrate-node-new工具，我们也下载了substrate-module-new工具。在节点 运行时目录，使用下面的命令准备一个新的模块：

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substrate-module-new <module_name>

让我们将其命名为my-module：

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cd runtime/src
substrate-module-new my-module

> SRML module created as ./my-module.rs and added to git.
> Ensure that you include in your ./lib.rs the line:

> mod my_module;

结果文件my-module，将和最初目录中包含的template.rs文件一致。但是使用 substrate-module-new是初始化一个新的运行时模块的官方推荐的方式。

现在我们可以开发这个模块，打包称create，甚至分发到github以便大家都可以维护。

原文链接：Substrate Blockchains and Runtime Modules: An Introduction

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