Substrate 合约书之合约综述

前言

「Substrate 合约书」用于介绍 Substrate 中与合约体系相关的一系列知识。本书由 Patract (https://patract.io/）主导编写，由 Aten （https://github.com/atenjin）负责。本书仓库位于 https://github.com/patractlabs/substrate-contracts-book(opens new window)，欢迎有志之士一起为本书做出贡献。

本书当前主要以 Pallet-Contracts （即 Wasm 合约）作为主体进行介绍。因此本书内容包含：

• 运行合约的合约平台（模块）
• Pallet-Contracts
• 编写合约的语言
• ink!
• Ask!
• Solang
• 帮助合约开发的工具们
• Redspot
• Europa
• Elara

其中由于 Pallet-EVM（即 EVM/Solidity 体系的合约）在以太坊生态中已有比较丰富的资料，故不会在本合约书中当做重点讲解。而另外的合约体系如 Pallet-Actor，或 Libra 移植合约平台等皆处于比较早期的研究阶段，因此也不会作为本书的重点。

为了让合约开发者更好的理解 Pallet-Contracts 模块与 Wasm 合约的运行方式，本书也会涉及一些 Wasm 的介绍以及区块链合约模型的介绍。

合约综述

区块链运行合约的模型从本质上可以认为是 “区块链的环境（分布式共识系统）”+“能运行一段逻辑的平台”，例如：

• 比特币的模型可以拆成区块模型/PoW + 比特币脚本
• 以太坊的模型可以拆成区块，状态模型/PoW + EVM
• Substrate 的模型可以拆成区块，状态模型/BFT共识 + Runtime

因此一般来说，我们可以将区块链的模型拆成：

• 运行区块链的底层系统：提供分布式可信环境
• 链的业务逻辑：运行在这个可信环境中

而由于区块链系统的特性，要求对相同的代码，相同的状态，执行的结果一定需要一致，因此在提供“链的业务逻辑”这一层，为了保证执行结果的一致性，要求整个运行环境必须是“无副作用的”，因此不会因为运行节点的不一致（指不是同一个节点）而导致运行的结果不一致。

因此为了保证这种特性，绝大部分区块链都会采用沙盒/虚拟机的模型加上裁剪一些功能来做到。

“运行合约的平台”即是一种链的业务逻辑，且这种业务逻辑特殊在其上面可运行的代码是开放的，合约内容不受链本身控制。因此对于这种情况，更需要一种“沙盒”的环境来隔离各个合约之间的运行。

什么是沙盒（虚拟机）？

“沙盒”在计算机领域中的概念很广泛，而在区块链中，一般而言沙盒都会由一个虚拟机去运行（因为使用虚拟机最容易模拟沙盒的环境）。

因此不同的链就会采用不同的虚拟机来运行合约的沙盒：

• Ethereum

Gavin Wood 写的黄皮书提出了EVM的模型，创建了EVM虚拟机的概念并拟定了 EVM 的 OP_CODE。之后设计了 Solidity 编译到OP_CODE，才有了 Ethereum 的整个生态。相当于 Ethereum 处理区块链的合约沙盒模型，从零到一构建所有设施。因此 Solidity 的语法以及 EVM 能做的事对比现在的区块链显得十分简陋（例如 Solidity 的语法，EVM 的栈深限制等等），但其作为先行者开创了区块链合约虚拟机模型先河。

• Fabric:

作为联盟链，在使用场景上与公有链存在区别。因此 Fabric 提出链码的概念，并将链码运行在了 Docker 中。Docker 就是比较重的一种虚拟机（相对于 EVM 而言），因此与EVM比较，Fabric 的链码可以做到比 Solidity 更多的事，当然相对的，其运行的代价与 EVM 相比就高得多。

• EOS：

EOS 采用了 Wasm 作为合约的虚拟机，也是当时 EOS 的卖点。相比于运行 Solidity 的 EVM，EOS 的 Wasm 虚拟机的运行效率高了许多，以 C++ 作为编译到 Wasm 的语言也天然拉近了许多传统的开发者。EOS 作为 Wasm 虚拟机的先行者，在当时已经体现出 Wasm 相对于 EVM 的优势，但是由于其合约模型的设计（见下一章节）的缺陷以及当时环境的约束，再加上 EOS 并非真正的去中心化系统，导致 EOS 并没有很好的发挥出 Wasm 合约系统的能力。

• Substrate 的 Pallet-Contracts：

Pallet-Contracts 采用了 Wasm 虚拟机来运行合约，当前出于安全考量只采用了 Wasmi 解释器来执行 Wasm。但其合约模型与 EVM 的合约模型近似（见下一章节）。Wasm 虚拟机与 EVM 同样具有启动快，随用随丢的特性，具备高性能和高扩展性的同时又不像 Docker， JVM 一样太过庞大。因此 Wasm 慢慢在除了浏览器环境以外的更多场景被采用，例如边缘计算，热更新等等。所以当前越来越多的新区块链在需要一个沙盒环境时会将Wasm虚拟机作为主要方案。另一方面 Wasm 也具备从不同语言编译到Wasm的特性，例如 Rust，AssemblyScript，C++等等，可以吸引到各类开发者加入到合约开发过程中。

• 其他

其他区块链为了完成这个“沙盒”的目标也会有各自的方案，有的联盟链采用了裁剪过的 JVM，有的公链采用了 RISC-V 的虚拟机，有的链采用了从零设计一个虚拟机（如 Libra）。这些方案各自有各自的需求与特性，但从模型上而言，无论什么方案，最终目标都是为了提供一个虚拟机环境以运行合约沙盒。

运行合约的沙盒

上文已描述链的业务逻辑大部分会运行于沙盒的系统中，且“运行合约”这种业务逻辑更是需要沙盒隔离。而另一方面 Substrate 的 Runtime 就是一个沙盒环境（运行于 Wasm 中），因此在 Substrate 的合约模块（Pallet-EMV，Pallet-Contracts），就是需要在一个沙盒环境中运行另一个沙盒，如下图所示：

其中：

• 左边是以太坊模型，表示每运行一个合约，需要在链的平台上启动一个 EVM 虚拟机去运行。

• 右边是 Substrate 模型，我们当前已知 Substrate 的链的业务逻辑是运行在 Wasm 虚拟机当中的：

• Pallet-EVM：将以太坊的 EVM 编译到了 Runtime Wasm 当中，因此每运行一个合约实际上与以太坊一致，创建了一个 EVM 虚拟机去运行。如果链是以 Wasm 形态运行，即是在 Wasm 虚拟机中生成了一个 EVM 虚拟机去运行。

• Pallet-Contracts：Wasm 合约使用 Wasm 虚拟机运行合约，与Pallet-EVM 不同的地方是，如果链是以 Wasm 形态运行，Wasm 合约的虚拟机是跳出当前 Runtime Wasm 虚拟机重新创建了一个新的 Wasm 虚拟机运行。

• 当前（在 Substrate 的提交之前 0b0d124 (opens new window)）Runtime 的 Wasm 虚拟机推荐采用的是Wasmtime而 Pallet-Contracts 合约只能采用Wasmi。

• Pallet-Contracts也可以使用Wasmtime执行，但是当前 Parity 认为Wasmtime不可控性比较大，因此暂时还未采用Wasmtime。当前他们有相关计划，也有原型代码来使用Wasmtime运行Pallet-Contracts 的合约。（注1）

• 总之运行合约的过程中，大部分链都采用了一种沙盒的模型去运行合约。而对于 EVM，Pallet-Contracts 模型而言，是每运行一个合约就会创建一个虚拟机。

注解

1.Wasmtime 是实现了 JIT 的 Wasm 虚拟机，而 Wasmi 是纯解释器型的 Wasm 虚拟机。

2.Wasmtime 的执行效率比 Wasmi 高很多。

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