一文读懂 Substrate 框架

2009年，一位名化名为中本聪 (Satoshi Nakamoto) 的匿名人士（或团体）创建了比特币，带来了区块链技术。比特币向世界介绍了一种去中心化的数字货币，这种货币无需银行等中心化机构即可运行。然而，比特币的功能仅限于金融交易。以太坊于2015年首次亮相，标志着区块链技术的巨大进步，它允许开发人员使用智能合约创建自己的去中心化应用程序 (DApp)。这开辟了数字货币之外的其他机会，例如去中心化金融（DeFi）、供应链管理等等。

比特币经常被视为等同于数字黄金，而以太坊则常被比作数字世界计算机。区块链推出后，它从一种金融工具转变为一个更广泛的去中心化解决方案平台。这一进展为 Substrate 框架奠定了基础，该框架旨在通过为开发人员提供前所未有的灵活性和可扩展性来提升区块链技术的潜力。当我们在以下模块中深入了解 Substrate 框架时，您将了解它是如何在克服先前区块链技术限制的同时开辟一个充满可能性的全新世界。

Substrate框架简介

Substrate 是一个改变游戏规则的区块链创新框架，可以更轻松地开发和管理去中心化数字账本。 Substrate 由 Parity Technologies（支持重要的以太坊客户端实现的项目）创建，标志着区块链技术的突破。它是为想要创建自己的区块链的开发人员而设计的，无论是新硬币、去中心化应用程序的平台，还是满足特殊组织需求的私有区块链都能使用这一框架。

来源：

Substrate 的独特之处在于它高度可定制且用户友好。它提供了从零开始创建定制区块链或更改现有区块链所需的工具和组件，而无需重新发明系统。这种适应性将 Substrate 与之前的区块链平台区分开来，使用后者的开发人员经常不得不采用僵化的架构。

Substrate 的起源可归因于以太坊的发展以及区块链技术面临的更广泛的问题。由于以太坊的局限性，特别是在可扩展性和治理方面的局限性，Parity Technologies 设想了一个更具可扩展性的框架。 2018年，Substrate 首次推出，是这一概念的最好体现。

Substrate 提供了一个模块化框架，其中区块链的不同组件可以轻松插入或换出。这种架构允许开发人员专注于创建他们想法的独特元素，而不用处理区块链技术所具有的复杂性。

• 模块化：Substrate 的架构是模块化的，这意味着它允许轻松添加、删除或更改区块链的各个部分。这包括共识机制、治理模型，甚至运行时本身。

• 互操作性：Substrate 在构建时考虑到了 Polkadot 集成，这意味着使用 Substrate 构建的区块链可以轻松地与 Polkadot 生态系统中的其他区块链连接。这一功能为区块链网络或“各区块链的区块链”创造了有利条件，增强了区块链世界的互操作性。

• 可定制性：Substrate 提供了前所未有的可定制性。开发人员可以从预构建的组件中进行选择，也可以创建自己的组件，根据自己的特定需求定制区块链。
• 可升级性：Substrate 最重要的功能之一是其链上治理和无分叉升级的能力。这意味着它支持无需硬分叉即可对区块链进行更改，要知道硬分叉可能会造成分裂且存在风险。

• Rust 编程语言：Substrate 使用 Rust 构建，Rust 是一种以其性能和安全性而闻名的语言。Rust 的日益普及，尤其是在系统编程领域，使 Substrate 成为开发人员具有前瞻性的选择。其先进的功能，如所有权、类型安全和并发管理，使其成为可用于构建强大的区块链基础设施的理想编程语言。

  ```
  struct Transaction {
  sender: String,
  receiver: String,
    amount: u64,
     }
  
     impl Transaction {
     fn new(sender: String, receiver: String, amount: u64) -> Transaction {
    Transaction {
        sender,
        receiver,
        amount,
       }
      }
  
   fn display_transaction(&self) {
    println!("Transaction: {} -> {}, Amount: {}",
             self.sender, self.receiver, self.amount);
    }
   }
  
     fn main() {
      let transaction = Transaction::new("Alice".to_string(), "Bob".to_string(), 100);
              transaction.display_transaction();
           }
          ```
  

在以上代码示例中，定义了一个 Transaction 结构体，其中包含发送者、接收者和金额的字段。impl块定义了创建新事务并显示其详细信息的方法。 main 函数创建一个 Transaction 实例，然后显示其详细信息。

Substrate的架构

Substrate 的架构兼具创新和灵活性，能满足区块链开发人员的不同需求。它提供了一个强大的架构，可以精简自下而上创建区块链的过程。Substrate 的设计具有模块化特色，允许开发人员根据需要选择、定制和升级其区块链网络的各种组件。它的主要组成元素如下：

运行时

运行时是任何基于 Substrate 的区块链的核心。区块链的逻辑和规则在这里定义。运行时负责建立状态转换函数或区块链的状态如何随着每个新块而变化。Substrate 的运行时是不同寻常的，这在于它被编译为 WebAssembly（Wasm），允许区块链无需更改即可在各种硬件和软件系统上运行。

共识机制

在区块链中，共识至关重要，能确保网络的完整性和安全性。该底层机制提供了多种共识技术，包括大家熟知的工作量证明（PoW）和权益证明（PoS）等，以及更独特的替代方案，例如GRANDPA（基于GHOST的递归原型派生前缀协议）。这种灵活性使开发人员能够选择最能满足其网络目标的方法，无论他们优先考虑速度、能源效率还是安全性。

网络状态

区块链网络的稳健性取决于其节点。Substrate 提供了强大的网络功能，以实现节点之间安全高效的通信。它包含节点发现、交易八卦、区块传播和最终通知等功能，所有这些都是健康、强大的区块链网络状态所必需的。

运行时环境

区块链的“业务逻辑”存储在 Substrate 的运行时中。它类似于运行的大脑。Substrate 运行时很独特，这是因为它具有支持无需硬分叉即可动态升级的能力。这是很大的进步，解决了区块链技术的关键问题之一。升级可以通过民主治理流程来完成，确保修改得到社区的同意。

托盘（Pallet）

托盘是 Substrate 运行时的基础，它为区块链添加了专门的功能。可将它们视为类似于传统软件开发中的插件或模块。每个托盘都封装了一组特性或功能，例如代币处理、身份管理或治理协议实现等。

托盘的美妙之处在于它们是模块化的。您可以组合这些托盘来创建满足您具体要求的个性化区块链。这种模块化方法不仅可以加快开发速度，还可以确保您只包含区块链所需的内容，从而打造精简而高效的链。

使用Substrate进行构建

来源：https://docs.substrate.io/learn/welcome-to-substrate/

设置Substrate开发环境

要使用 Substrate 构建区块链，首先要配置开发环境，这一环境已经过优化，可以让开发人员更轻松地使用。Substrate 采用 Rust 语言编写，Rust 是一种以其安全性和效率而闻名的编程语言，它因此而成为区块链开发的绝佳候选者。首先，在您的 PC 上安装 Rust 以及必要的依赖项和工具链。

安装 Rust 后，您需要安装 Substrate 节点模板。该模板为开发基于 Substrate 的区块链提供了预先配置的起点。它提供了基本设置以及运行时模块样例，让开发人员能够快速启动并运行他们的区块链项目。

创建您的第一个基于Substrate的区块链

开发环境设置就绪后，您就可以开始开发自己的区块链了。您将拥有基本结构，可使用 Substrate 节点模板进行创建和调整。该过程大致遵循以下步骤：

定义运行时逻辑：运行时是您定义区块链的独特规则和逻辑的地方。要添加其他功能，您可以更改现有运行时模块样例或创建新模块。在此处，您可以选择代币经济学、治理系统以及区块链的其他基本因素等事项。

添加托盘：Substrate 的模块化设计在这里大有作用。您可以通过合并多个托盘来提高区块链的功能。无论您想要智能合约、身份管理还是定制代币，您都可以利用 Substrate 生态系统中的预构建托盘或创建自己的托盘。

测试和部署：Substrate 提供测试和部署工具，以帮助您测试区块链并排除故障。您可以利用本地测试网络来模拟您的区块链在实践中的工作方式。如果满意其功能和性能，则可以部署区块链。

Substrate 的生态系统和社区

Substrate 框架不仅仅是一组区块链开发工具；它还得到了庞大且多元化的生态系统的支持。该生态系统由一系列不同的项目、工具、库和资源组成，它们共同支持和改善 Substrate 体验。从使用 Substrate 开发的区块链项目到其他社区驱动的计划，该生态系统仍然充满活力。以下是 Substrate 生态系统的重要组成部分：

Polkadot 由创建 Substrate 的同一团队创建。它是一个多链网络，允许不同的区块链以去信任的方式交换消息和价值。基于 Substrate 的区块链可以简单地连接到 Polkadot，以利用该网络的共享安全性和互操作性功能。Kusama，也被称为 Polkadot 的金丝雀网络，提供了类似的设置和更快的治理流程，使其成为冒险的游乐场。

该生态系统有各种开发人员工具和库，可让开发人员更轻松地构建基于 Substrate 的区块链并与之交互。开发人员可以使用 Substrate Developer Hub、Polkadot JS 和 Subscan 等工具来创建、测试和部署他们的区块链项目。

Substrate 社区由充满活力、热情好客的开发者、爱好者和组织团体组成。它是合作、知识共享的平台，是为在线论坛、Discord 频道和本地聚会提供支持的平台。

Substrate 社区在区块链开发中的作用

Substrate 社区扮演着至关重要的角色，能促进Substrate 框架持续发展并得到增强。这种协作方法鼓励创新并保证框架不断发展以满足用户的需求。以下是社区参与做出的重要贡献：

对代码库的贡献：来自世界各地的开发人员为 Substrate 的开源代码库做出了贡献，增强了其功能和稳健性。这些贡献范围从错误修复和功能增强到全新托盘和工具的开发。

知识共享和协作：通过论坛、研讨会和在线讨论等方式，社区分享见解、最佳实践和常见挑战的解决方案。这种协作环境可以加速学习并帮助新开发人员克服在区块链开发过程中遇到的初始障碍。

反馈和改进：社区反馈是 Substrate 迭代改进不可或缺的一部分。用户的体验、建议和批评为框架的开发提供指导，确保其保持相关性并是人性化的。

为开发人员提供的资源和支持

对于想要使用 Substrate 开启开发之旅的开发人员来说，有丰富的资源和支持网络可使用：

• Substrate 开发人员中心：提供 Substrate 开发文档、教程和参考资料等综合资源。
• 研讨会和网络研讨会：定期举办的教育活动提供由经验丰富的区块链开发人员分享的实践经验和见解。
• 在线论坛和聊天渠道：Stack Overflow、Element 上的 Substrate 技术聊天空间和 Reddit 等平台提供了寻求建议、讨论想法以及与更广泛社区联系的场所。

Substrate 的用例和实际应用

Substrate 适应性强且具有功能强大的结构，它不仅仅是一个理论构建，而且在各个领域都有实际应用。该模块深入研究现实世界的 Substrate 用例，展示如何使用它来创建创造性、高效且可扩展的解决方案。 Substrate 是区块链开发（从货币到游戏）的重大变革者。

Polkadot

中继链负责网络管理、获得共识和执行交易，是 Polkadot 架构的核心。平行链是用户创建的并行链，与中继链一起运行，利用 Polkadot 的基础设施来实现更强大的功能和效率。 Polkadot 采用了已被提名的权益证明共识算法。区块链扩展盲分配（BABE）源自 Ouroboros 协议，是网络安全和去中心化的基础。该网络包括连接到其他区块链的桥梁，支持数据传输并促进互操作性。平行线程的工作原理与平行链类似，但采用按需付费的方式。因此，对于不太频繁的区块链交互而言，平行线程是更具成本效益的解决方案。

来源：https://cointelegraph.com/learn/the-polkadot-architecture-and-introduction-to-the-substrate-infrastructure

Kusama

Kusama 是一个用于测试和审核新区块链功能的迭代网络。它建立在类似于 Polkadot 的基底上。它的运行速度更快，并具有改进的控制参数，可以加快更新和治理流程。Kusama 采用双区块链技术，主网络（中继链）协调系统操作，独特的平行链运行不同的区块链。这种拓扑结构提高了网络的可扩展性和互操作性。KSM 被用作治理代币，用于协议更新、通过平行链支付服务费用以及由验证者进行质押以保护网络。KSM 币也支持挂钩新的平行链。

Energy Web Chain

Energy Web Chain（EWC）是一条基于以太坊技术的、具有权威证明的公共区块链。它作为核心信任层运行，支持去中心化身份、链上验证和智能合约执行。每个 EWC 块中的数据都是不可变的，每个块都以加密方式与其前一个区块连接，以确保网络的安全性和完整性。智能合约是链上操作，由代币执行，这些代币在特定条件下自动执行。

Acala 网络

Polkadot 指定的权益证明验证者增强了 Acala 的安全性，该验证者最初是作为权威证明网络提供的。该网络通过多种方式进行了升级，包括增加 Polkadot 的 DOT 转账以及推出其原生代币 ACA 和 LCDOT。Acala 采用了去中心化的治理方法，支持公众投票和理事会治理。该系统让代币持有者可就网络未来如何发展和决策进行投票。该网络现在支持稳定币、交换功能和流动性质押。有了这些功，DeFi 领域的金融交易和资产管理变得更加容易。

不同行业的潜在用例

Substrate 的多功能性使其适用于多个领域的多项用例：

• 金融：除了 DeFi 之外，Substrate 还可用于创建更传统的金融应用，例如支付系统、汇款服务和数字资产管理平台。

• 供应链管理：Substrate 可以提高供应链的透明度和效率。通过利用其区块链功能，公司可以跟踪产品从制造到交付的整个过程，确保产品的真实性和质量。

• 医疗保健：在医疗保健领域，Substrate 可以保护并简化患者数据管理，实现可互操作的健康记录，同时保持隐私并遵守法规。
• 游戏和娱乐：游戏行业可通过创建去中心化游戏平台和游戏经济体从 Substrate 中受益，为玩家提供游戏资产的真正所有权。

Substrate与其他框架的对比分析

Substrate 区块链框架与以太坊、Hyperledger 和 Corda 等其他流行的区块链框架相比，具有几个显着的优势。下面通过比较来了解为什么 Substrate 比这些框架更受青睐：

Substrate

Substrate 以其模块化架构而闻名，与 Hyperledger Fabric 相当，但它提供了额外的工具并有助于构建更加复杂的应用程序。其生态系统提供现成的工具，使开发人员能够专注于应用程序逻辑，而不是为每个程序步骤构建架构。由于它使用的是 Rust 编程语言，Substrate 允许使用任何编译为 WebAssembly 的语言进行开发。它不订阅某种共识技术，而是只要确保核心层保持不变，就可以在它们之间进行转换而无需硬分叉。

以太坊

以太坊旨在成为去中心化应用程序（dApps）和智能合约的开放软件程序。它在点对点网络上运行，并且不非中性化的，提供了针对黑客或欺诈操作的不变性和安全性。以太坊包含自己的货币以太币，并采用了共识流程，其中交易的完成必须经所有网络参与者同意。尽管这种非许可的操作方式提供了透明度，但它引发了可扩展性和隐私方面的问题。

Hyperledger

Hyperledger是由Linux基金会领衔的项目，支持跨行业区块链技术的开源协作。它以Hyperledger Fabric闻名，Hyperledger Fabric用于使用智能合约构建基于区块链的分布式账本应用程序。Hyperledger 提供了一种许可的操作模式，这意味着只有选定的成员才能访问网络，从而提高了隐私性和保密性。它还允许以多种形式存储账​​本数据，并通过不同渠道开发不同的交易账本。

Corda

Corda 是一个开源平台，最初是为金融服务而创建的。它用于管理相互信任的企业之间的法律合同和共享数据。它能管理复杂交易同时维护严格的隐私和安全标准，因此而闻名。Corda的共识是在单个交易层面而不是整个系统层面达成的。它没有原生货币，并使用行业标准工具开发，使其适合现代商业交易。

区块链开发中 Substrate 的未来

使用 Substrate 构建的用例和成功项目的范围不断扩大，表明该框架前景广阔。由于其适应性和可扩展性，对于旨在创建下一代区块链应用程序的开发人员来说，它是一个有吸引力的替代方案。随着技术和生态系统的发展，Substrate 将成为区块链创新的先锋，推动多个行业实现变革并创造价值。

Substrate开发的挑战和考虑因素

虽然 Substrate 是一个强大且适应性强的区块链开发平台，但它并非没有短板。了解这些挑战和注意事项对于开发人员成功遍历和构建基于 Substrate 的项目至关重要。本节深入探讨常见问题、安全问题和性能问题，并就关如何有效处理这些问题发表观点。

学习曲线：对于刚接触区块链技术或 Rust 语言的开发人员来说，可能要面临十分陡峭的学习曲线。他们可能需要投入大量时间和精力才能掌握Substrate 的高级功能以及 Rust 的语法和范式。

区块链开发的复杂性：开发区块链需要理解和集成各种组件，如共识机制、治理模型和运行时逻辑。对可扩展性、互操作性和可升级性的需求增加也让开发变得更加复杂，这使得开发过程充满挑战。

生态系统动态：区块链生态系统的快速发展意味着开发者需要不断更新他们的知识和技能。因此，重要的是要跟上 Substrate 生态系统的最新趋势、工具和最佳实践，但这是费时费力的。

安全注意事项和最佳实践

由于区块链技术的不可变性和透明性，安全性在区块链开发中至关重要。Substrate 开发人员需要关注的一些重要安全注意事项包括：

智能合约漏洞：虽然 Substrate 提供了创建安全智能合约的工具，但开发人员必须对潜在的漏洞保持警惕。要进行定期审核、全面测试，并遵循智能合约开发中的最佳实践，这一点至关重要。

网络安全：保护区块链的网络基础设施至关重要。这包括防范 Sybil 攻击、DDoS 攻击和 Eclipse 攻击等常见威胁。实施强大的网络协议和维护节点安全至关重要。

用户隐私：确保用户和交易的隐私是一个重要的考虑因素，尤其是在公共区块链中。应采用加密、零知识证明和安全密钥管理等技术。

扩展和性能问题

与任何区块链平台一样，Substrate 也面临着与扩展和性能相关的挑战：

可扩展性：要向处理越来越多的交易而又不影响速度或安全性，这是一项重大挑战。分片、链下计算和第2层扩展解决方案等解决方案正在探索并集成到 Substrate 生态系统中。

互操作性：要获得更广泛的采用，就要实现互操作性，这是确保与其他区块链和外部系统无缝交互的重要功能。Substrate 通过 Polkadot 实现了对互操作性的原生支持，这是朝实现互操作性的方向迈出的一步，但需要持续开发。

资源管理：高效的资源管理，例如优化对存储和计算能力的使用，对于维持区块链性能至关重要。Substrate 开发人员需要有效平衡这些资源以优化网络性能。

结语

本文对 Substrate 框架的探讨接近尾声，接下来让们反思我们的以上思考的内容。首先，我们回顾了区块链技术的基础知识，为理解 Substrate 在区块链中的地位奠定了基础。然后，我们讨论了 Substrate 为何成为如此独特且有效的工具，为区块链开发助力，还了解了它的历史、基本功能和优势。

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