Substrate區塊鏈開發框架簡介

時間  2019-11-13
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Parity的Substrate區塊鏈框架在最近幾個月裏的開發進展很迅速，基於Substrate的Polkadot區塊鏈的開發也是如火如荼。這個教程的目的是介紹如何構建一個能夠支持本身的運行時模塊的Substrate鏈。php

本教程的主要內容包括：java

  • 學習Susbtrate鏈的安裝與設置
  • 學習Susbtrate鏈的配置方法，以及如何使用Polkadot JS瀏覽區塊鏈狀態
  • 學習運行時模塊的結構，以及如何使用運行時模塊爲你本身的定製區塊鏈添加功能

一、關於Rust

Substrate和運行時模塊都是使用Rust開發的。node

Rust是一種底層靜態類型語言，它的特色在於速度保障與可靠性，可是學習難度比較高。在區塊鏈開發中一個很是重要但卻常常被忽略的話題是：如何掌握Rust。在這個教程中咱們不會分析Rust代碼，可是對於但願使用Susbtrate進行區塊鏈開發的工程師來講，掌握Rust是一個前提條件。python

做爲一種程序開發語言，Rust的學習曲線是比較陡峭的。部分緣由在於Rust所採用語法規範，極其依賴於像泛型、特性萃取、生命週期和宏這樣的特性，以及其餘一些考慮例如做用於和不變性。react

其餘的Substrate學習資源，例如Substrate Kitties collectibles workshop 生成Rust很是容易掌握，但這不是真實的狀況，除非你已經有比較多的底層語言的開發經歷，例如C++，並且接觸過比較多的涉及系統級管理的API。git

實際上，若是你是剛接觸Rust，那麼須要一點耐心，須要花時間來了解這門開發語言的核心概念和特性。在掌握Rust以後，Substrate的開發將變得使人享受。這本Rust書寫的很好，很適合新手學習，也適合有經驗的用戶溫習Rust。github

二、安裝Susbtrate

安裝Substrate只須要調用Parity網站上的一個bash腳本。Substrate提供了兩種安裝方式：json

若是但願快速掌握區塊鏈應用的開發，推薦匯智網的區塊鏈應用開發系列教程， 內容涵蓋比特幣、以太坊、eos、超級帳本fabric和tendermint等多種區塊鏈， 以及 java、go、nodejs、python、php、dart等多種開發語言瀏覽器

2.1 快速安裝

快速安裝將安裝預構建的Substrate開發鏈、Substrate腳本、Substrate鏈命令行配置工具和運行時模塊。bash

使用--fast標誌來運行Substrate安裝腳本會跳過安裝那些對運行Sbustrate來講並不是必要的工具：

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

上面的命令將拉取Susbtrate的依賴項，包括Rust、OpenSSL、LLVM等等，而後進行安裝。

2.2 完整安裝

完整安裝除了包含上面的內容，還將安裝如下兩個工具：

  • SubKey：用於建立或恢復Substrate密鑰的命令行工具，當你須要在命令行管理帳戶時會比較有用
  • Substrate node：預配置的Substrate節點，能夠直接接入Substrate測試網絡

運行下面的命令進行完整安裝：

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

一旦安裝腳本執行完畢，更新你的cargo環境以便調用新安裝的程序：

~$ source ~/.cargo/env

如今使用substrate命令就能夠訪問預編譯好的Substrate節點了。要驗證Substrate node和SubKey是否正確安裝，能夠檢查這兩個程序的版本：

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

注意：Polkadot JS 應用已經在其帳戶管理界面中實現了subkey的功能 —— 能夠在瀏覽器中管理帳戶而無需subkey，這也是subkey是可選安裝的緣由。

默認狀況下，Substrate和工具程序安裝在 ~/.cargo/bin目錄中。你能夠看一下具體的 安裝內容：

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

你會注意到除了substrate和subkey，還有substrate-node-new和substrate-module-new這兩個程序，接下來咱們將使用這些程序來建立新的定製節點和運行時模塊。

三、更新Substrate腳本

更新Substrate腳本須要克隆最新版本，而後使用下面的命令替換cargo的二進制程序：

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

如今咱們已經安裝好了Substrate工具，能夠運行Substrate開發節點了。這個節點會開始出塊，可是對於開發而言沒什麼用。

在任何狀況下，咱們可使用下面的命令啓動Substrate開發鏈：

~$ substrate --dev

節點如今就起來了，你能夠看到開始出塊。要查看區塊鏈的更多信息，例如每一個支持模塊的狀態，咱們將使用Polkadot JS應用。

要查看substrate的命令行選項，能夠查看--help的輸出：

~$ substrate --help

熟悉一下help命令的輸出，是瞭解命令行程序的功能的獲得驗證的方法。目前的版本包含了一些對測試有用的標誌，例如預配置的帳戶--alice、 --bob等等。--light標誌能夠按輕量模式運行節點，在框架中內置了對輕量客戶端的支持。

在咱們開始定製構建以前，然咱們回顧一下如何查看Substrate鏈。基本的方法是使用Polkadot JS應用，該應用使用Typescript和react開發。

四、使用Polkadot JS App

Polkadot JS應用提供了基本的區塊鏈瀏覽器功能，同時也提供了管理Substrate模塊的API和接口。正如其名稱所示，這個應用也支持Polkadot區塊鏈。咱們有兩種途徑來使用Polkadot JS：

讓咱們克隆項目在本地運行，一旦安裝完成，咱們能夠指向咱們的Susbtrate鏈的節點，在咱們機器上的另外一個運行進程。

首先克隆並運行Polkadot JS應用：

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

而後在另外一個終端啓動substrate開發鏈：

substrate --dev

在瀏覽器中訪問localhost:3000。爲了讓JS App鏈接到咱們本地的開發鏈，在側欄菜單中選擇Settings，而後切換到Local Node endpoint，相似下圖：

在這裏插入圖片描述

點擊Save & Reload，你將注意到側欄菜單中的許多連接激活了，具體哪些連接會激活取決於你的鏈的支持。

讓咱們看一下幾乎全部鏈都會支持的特性 - 帳戶。進入到應用的Accounts部分 - 在My Account選項頁你將看到一組帳戶，這些都是預配置的含餘額的帳戶，咱們也能夠在這些帳戶之間轉帳、刪除帳戶以及備份帳戶密鑰。這代表了Plokadot JS App的定位 —— 在UI層與你的Substrate鏈交互。

在繼續以前，咱們要提一下Polkadot UI能夠完成的任務：

  • 能夠上傳wasm編譯的Ink智能合約
  • 做爲一個POS共識鏈，Staking區域容許你抵押資金以成爲交易驗證人。
  • 設計Democracy區域的目的是處理鏈上的投票和管理
  • 在Toolbox區域能夠測試Substrate的JSON RPC

你能夠會困惑，哪些預配置的帳戶是哪裏來的。事實上，這些帳戶，包括運行時邏輯自身的編譯代碼，都是保存在一個Chain Specification文件中，也被稱爲chain spec。

使用Chain Spec JSON文件配置鏈

鏈配置是一個大型JSON對象，使用substrate的build-spec命令生成。該命令將提取節點引入的運行時模塊的配置項，有些是空值，有些則提供了默認值。

基本上，運行時模塊能夠依賴於創世配置，也就是在區塊鏈初始化時咱們提供的配置。區塊鏈狀態是由創世區塊 —— 鏈的第一個區塊 —— 來初始化的。chain specJSON文件的工做，就是定義這個初始狀態。

一旦生成配置文件，咱們就能夠打開該文件，根據咱們的須要進行修改。

節點提供了purge-chain命令來複位區塊鏈，這一般用於開發中：

~$ substrate purge-chain --dev

框架提供了三個默認的鏈規格，也就是配置：dev、local和staging。

  • dev：dev規格提供了主要用於開發，該配置中包含了一組帳戶以及運行時模塊
  • local：local規格相似於dev，主要用於私有鏈。
  • staging：staging規格更加保守一些，定義了有限數量的帳戶，須要本身定義 模塊相關的配置。當構建產品鏈時，應當選擇這個規格。

咱們如今要作的，就是使用build-spec命令建立一個新的chainspec，將輸出結果存入單獨的文件。例如，將規格寫入當前用戶主目錄的my-chainspec.json文件：

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

在文件編輯器裏打開這個文件，查看可用的配置選項。

  • id：能夠改成你本身的名字
  • name：給人看的名字
  • telemetryEndpoints：提供Telemetry服務的訪問端結點
  • ...

一旦修改完chainspec文件，咱們能夠用--raw標誌將其轉化爲原始編碼狀態：

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

最終，咱們使用這個鏈規格文件來啓動咱們的substrate鏈。如下假設你運行了一個自定義編譯的substrate節點，使用節點的路徑替換下面的<node_path>：

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

接下來讓咱們看看如何初始化並編譯自定義的Substrate節點。

初始化Substrate節點

到目前位置，咱們已經使用了預編譯的Substrate節點。對於測試一下開發鏈很好，可是這限制了咱們使用本身的運行時模塊以及自定義配置。爲解決此問題，咱們須要下載Substrate源代碼。

有兩種方法來着手咱們的自定義Substrate鏈：

  • 下載一個已經配置好的節點模板，例如使用下載腳本完整安裝時包含的測試網節點模板
  • 使用Substrate腳本，下載官方的節點模板

基本上全部的Substrate項目都會基於官方的節點模板展開，除非一些特殊狀況。

用下面的命令生成一個新的節點模板：

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

命令執行須要花點時間 —— 要拉取最新的Substrate源碼而且進行編譯。

一旦完成，能夠修改runtime/src目錄下的lib.rs文件。同時也包含了運行時模塊的模板template.rs。 接下來咱們看一下運行時模塊。

構建自定義節點

在節點目錄中，在使用cargo編譯出二進制程序以前，使用build.sh腳本將節點編譯爲wasm：

# build wasm
./scripts/build.sh

# build binary
cargo build --release

節點程序如今位於./target/release/ 目錄。

以前咱們已經使用substrate調用了一些命令，如今可使用咱們新編譯出來的程序。要復位區塊鏈並從新運行，執行以下命令：

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

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

咱們要介紹的最後一部份內容，是運行時模塊。讓咱們看看什麼是運行時模塊以及如何在substrate節點中引入運行時模塊。

Substrate運行時模塊：區塊鏈的插件機制

Substrate的通用和模塊化結構使其實用性大大加強，開發人員能夠將功能以插件形式加載到節點運行時，從而能夠輕鬆地建立知足個性化需求的區塊鏈。

這些插件化的功能包被稱爲模塊，或者更確切地說，運行時模塊。Substrate預置的運行時模塊集合被稱爲Substrate運行時模塊庫 —— SRML。

這些模塊很是有用，它們實現了其餘區塊鏈框架中的不少功能，能夠在github瀏覽這些模塊的代碼。有了這些模塊，開發人員不須要從新發明輪子，能夠節省大量時間。當實現新特性時，也是以運行時模塊的形式開發的。

SRML模塊由Substrate統一維護，所以可靠性獲得保障。下面是如今可用的一些模塊：

  • Assets：提供相似ERC20代幣支持的資產模塊
  • Balances：管理帳戶餘額的模塊
  • Staking：: 網絡維護者管理抵押資金的模塊

你會注意到這些模塊都是Rust crate格式，該格式被設計用於Substrate運行時環境。

每一個SRML模塊都打包爲crates，並在模塊名前加以srml_前綴，在Parity的crate庫的左側菜單中，能夠找到這些模塊。

運行時模塊結構概述

每一個模塊都是定義在它本身的src/lib.rs文件中，遵循約定的結果。咱們能夠看一下一個substrate模塊的頂層特徵：

  • 一個模塊一般自身是一個crate，但不是必需要求
  • 一個模塊能夠定義爲單一文件module-name.rs，或者更常見的lib.rs，若是模塊 是一個crate。一個模塊也能夠有其餘支持文件
  • 一個模塊必須遵照特定的結構，依賴於特定的Substrate API

最後一點指的是什麼？一個模塊爲你的區塊鏈增長功能，功能能夠多種形式的組件提供：

事件：一個模塊能夠聲明自定義事件，當特定條件知足時觸發，例如，當你鑄造非同質化通證時，多是一個TokenCreated事件。事件被封裝在 decl_event! 宏裏:

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

存儲：一個模塊能夠定義鏈上的持久化數據結構，例如映射表、列表等等。存儲條目定義 在decl_storage!宏裏：

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;
        ...
   }
}

可分發函數：JSON RPC能夠調用的函數。

公開/私有函數：模塊能夠提供在運行時環境中可調用的公開函數，以及只能夠在模塊中調用的私有函數。

結構：模塊能夠定義結構，例如，在一個跟蹤全球運輸的區塊鏈實現中，可能會定義一個ShipmenItem結構。

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

初始化模塊

相似於substrate-node-new工具，咱們也下載了substrate-module-new工具。在節點運行時目錄，使用下面的命令準備一個新的模塊：

substrate-module-new <module_name>

讓咱們將其命名爲my-module：

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;

結果文件my-module，將和最初目錄中包含的template.rs文件一致。可是使用substrate-module-new是初始化一個新的運行時模塊的官方推薦的方式。

如今咱們能夠開發這個模塊，打包稱create，甚至分發到github以便你們均可以維護。

原文連接：Substrate區塊鏈及運行時模塊簡介 — 匯智網

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