Polkadot 和 Substrate 兼容链的客户端。

区块链概述

区块链本质上是一个分布式和去中心化的键值数据库。区块链的原则是使任何参与者都能够对数据库进行修改，并使所有参与者最终就数据库的当前状态达成一致。

在 Polkadot 和 Substrate 兼容链中，该数据库的状态被称为“存储”。存储可以看作是一个非常大的 HashMap。

因此，区块链主要由以下三部分组成

• 区块链启动时存储的初始状态。
• 一系列块，每个块表示对存储执行的修改集合。
• 客户端之间的点对点网络，相互连接并交换信息，如新产生的块。

块层层叠加，形成一个修改存储的顺序列表，这些修改基于其初始状态。

块

块主要由以下三个属性组成

• 父块，通过其哈希值进行引用。
• 有序的 extrinsics 列表，表示对存储的状态更改。外联可以是 事务 或 内在。
• 一系列 摘要日志项，包括验证块真实性的必要信息，例如作者对块的加密签名。

为了使抽象更容易，还存在所谓的 创世块 或块编号 0。它没有任何父块、外联或摘要项。

从这三个块属性中，可以导出以下其他属性

• 块的 哈希。这是一个独特的 32 字节标识符，通过以特定的方式将块的所有信息一起散列而获得。
• 区块编号。它等于父区块编号加一，或者创世区块为0。
• 存储状态。它由父区块的存储状态组成，块的外部交易（extrinsics）在此基础上应用。创世区块的存储状态是初始状态。

注意：并非所有这些属性都存储在内存中，甚至不在磁盘上。例如，存储状态非常大，保留链上每个区块的完整存储版本是不现实的。

trie

trie 是一种数据结构，在区块链的工作方式中起着重要作用。

它由一个与键关联的节点树组成，其中一些节点包含一个值。每个节点都与一个称为 Merkle值 的哈希关联，该哈希包含节点子节点的Merkle值。树根节点的Merkle值被称为“Merkle trie根”或“trie根”。

有关更多详细信息，请参阅trie模块。

区块头部

在实践中，当一个区块需要存储或在机器之间传输时，它被分为两部分：一个 头部 和一个 主体。区块的主体只是其外部交易列表。

注意：区块的主体和区块的外部交易列表是同一件事，这两个名称可以互换使用。

区块头部包含以下内容

• 父区块的哈希值。
• 区块编号。
• 状态trie根，它由该区块存储的所有键和值的trie根组成。
• 外部交易trie根，它由包含区块外部交易的trie的Merkle根组成。
• 摘要日志项列表。

区块的哈希是其头部 blake2 哈希。

有关更多信息，请参阅header模块。

运行时

从客户端的角度来看，每个区块的存储状态大多是不透明的。然而，存在一些硬编码的键，其中最重要的是 [0x3a, 0x63, 0x6f, 0x64, 0x65]（这是字符串 :code 的ASCII编码）。与该键关联的值必须始终是一个称为 运行时 的WebAssembly 二进制代码。

这个WebAssembly二进制代码必须遵循一定的ABI，并负责以下操作

• 验证区块是否被其作者正确创建。
• 提供由区块的头部和主体执行的存储修改列表。
• 生成新创建的区块的头部。
• 验证从第三方接收的交易，以便将来可能将其包含在区块中。
• 提供创建交易所需的工具。

换句话说，运行时负责链运行背后的所有实际 逻辑。例如，在执行一个账户到另一个账户的代币转账时，是运行时的WebAssembly代码验证余额是否正确并更新它们。

由于外置操作会改变存储状态，因此外置操作可能会修改这个WebAssembly二进制代码。这被称为 运行时升级。换句话说，任何区块都可能修改链的逻辑。

有关更多信息，请参阅 executor 模块。

分叉和最终化

虽然区块是层层叠建的，但它们不一定形成一个单一链条。多个不同的区块可能有相同的父区块，从而形成多个链条。这被称为 分叉。

当多个链条在网络中飞行时，每个节点会选择一条他们认为“最好”的链条。然而，由于延迟、断开连接或类似原因，节点可能不会立即意识到存在一个比当前最好的链条更好的链条。稍后，当这个节点了解到这个更好的链条时，它将需要进行 重组（简称 重组），其中原本属于最佳链条的区块不再存在。

为了避免重组带来的麻烦，Substrate/Polkadot 提供了 最终化 的概念。一旦一个区块被最终化，就保证它始终是最佳链条的一部分。由此扩展，最终化区块的父区块也总是被最终化。一个链条的创世区块定义为总是被最终化的。

因此，一个区块链条由两部分组成：一个 已最终化 的部分（通常是最长的部分），和一个非最终化部分。虽然已最终化部分是单个线性区块列表，但非最终化部分由一个 有向根树 组成。

为了最终化一个区块，Substrate/Polkadot 节点使用 GrandPa 算法。经运行时授权进行此操作的节点将在点对点网络中发出投票。当三分之二或更多授权节点为特定区块的最终化投票时，它实际上就变成了最终化。

收集完这些投票后，它们被收集在所谓的 证明 中。这个证明可以稍后被可能没有收到所有投票的节点请求，或者例如，如果它们处于离线状态。

请参阅 chain 和 finality 模块以获取更多信息。

用法

这个库故意不提供任何现成的区块链客户端。相反，它提供可以组合在一起创建客户端的工具。

最需要的组件是

• 连接到点对点网络。请参阅 network 模块。
• 用于存储区块的持久化存储。请参阅 database 模块。
• 一个状态机，用于保存有关链状态的信息并验证从网络接收到的区块的真实性和/或正确性。请参阅 sync 模块。

可选

• 创建新区块的能力。根据本文档的编写，这尚未实现。
• 一个 JSON-RPC 客户端，以便在客户端上放置方便使用的 UI。请参阅 json_rpc 模块。
• 待办事项：遥测