【Substrate开发教程】10 - Substrate层级架构、区块结构、交易池

之前的几篇文章介绍了使用Substrate开发区块链网络的流程，这篇文章开始从理论上介绍Substrate框架的各方面知识。

Substrate客户端

Substrate客户端是运行基于Substrate的区块链节点的应用程序，它由包括但不限于以下的组件组成：

Substrate的层级架构

Substrate的层级架构具有很高的灵活性，可以通过以下三种方式使用Substrate：

之前的文章介绍了如何启动一个Substrate Node，是通过substrate-node-template启动的，通过Substrate Node可以创建一条具有基础功能的区块链。

Substrate FRAME是一个模块化实体运行时聚合框架（Framework for Runtime Aggregation of Modularized Entities ），又称为runtime层，Substrate支持的可定制化基本发生在这一层。可以在这一层修改区块链的运行逻辑，如通证系统、转账手续费、出块时间、治理方式、链上升级逻辑、抵押操作等。

Substrate Core可以忽略整个FRAME系统，从头开始设计和实现运行时逻辑，是使用Substrate最困难的方法，同时也提供了最大的创新自由。

Substrate Node、Substrate FRAME、Substrate Core三者比较如下：

向右技术更自由，向左开发更简单。

基于Substrate的区块链开发，主要就是Substrate FRAME层，即runtime逻辑的开发。

Substrate的链上逻辑代码会编译为两种结果：

Substrate会同时存储native和wasm两种链上运行时逻辑代码，如果两种格式代码逻辑相同，就会运行native版本，其运行速度更快。

区块结构和Extrinsics

Substrate中区块（Trait sp_runtime::traits::Block）的构造函数如下：

fn new( header: Self::Header, extrinsics: Vec<Self::Extrinsic> ) -> Self

由一个区块头和一组extrinsic组成。

区块头（Trait sp_runtime::traits::Header）的构造函数如下：

fn new( number: Self::Number, extrinsics_root: Self::Hash, state_root: Self::Hash, parent_hash: Self::Hash, digest: Digest<Self::Hash> ) -> Self

包含字段有：区块高度、extrinsic根哈希、链状态根哈希、父区块哈希、摘要。

Trait sp_runtime::traits::Extrinsic的构造函数如下：

fn new( _call: Self::Call, _signed_data: Option<Self::SignaturePayload> ) -> Option<Self>

Extrinsics是指会被添加进区块的来自链外的信息，分为：

Extrinsics被打包到进当前区块中被执行，每个extrinsic都在runtime进行了定义，extrinsics_root是由这组待执行的extrinsic通过哈希算法计算出的信息摘要。

extrinsics_root主要有两个作用：

Inherents指区块创建者插入到区块的无签名信息，不会广播到区块链网络，比如时间戳就可以包含在inherent信息中，验证人根据其他验证人认为该时间戳的合理性来接受或拒绝该块，而不是通过签名进行验证。

签名交易和其他区块链系统（比特币、以太坊、EOS等）的“交易（Transaction）”概念相同，发起交易的用户使用自己的私钥对交易签名并支付交易费用，验证人使用其公钥验证交易。

无签名交易无人支付交易费用，验证人定时发送的I'm Online心跳就是一种无签名交易，signed extension可以用于无签名交易，它一个trait，可以通过它来使用额外的数据或逻辑来扩展交易。

交易池

交易池（transaction pool）包含所有广播到网络中的签名的和未签名的交易。

交易池检查交易的有效性，包括检查交易索引（nonce）是否正确、账户是否有足够余额以支付交易费用、签名是否正确等。

交易池定期检查池中现有交易的有效性，无效或过期的交易会从池中被删除。

交易池还负责对交易进行排序，如果交易是有效的，会被排入两组交易队列（transaction queue）中：

交易的生命周期

一笔交易的生命周期可以遵循两种路径：

对于第一种情况，交易的生命周期如下：

对于第二种情况，区块以事务的特性被执行，整个区块执行成功或失败。

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编译者/作者：松果

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