Gear 的技术优势

B& Z& i- F( z& t0 y# _: |

在上一篇文章中，我们介绍了新推出的 Polkadot/Kusama 平行链——Gear，它拥有最先进的智能合约引擎，还介绍了 Gear 的使命、主要功能和团队成员。

. N! ]) f( v7 B

现在，让我们深入了解 GEAR 突破性技术的关键优势。

/ ?6 g- a% E% A9 w4 e6 x

摘要

m" L# l) [2 `0 Z5 H2 q3 [" h

Gear 关键的技术创新在于其新颖的跨合约通信方式。Gear 使用 Actor 通信模型和 WebAssembly VM，支持并行处理，并具有速度快、成本低的优势。

事实证明， WebAssembly VM 比任何其他方案运行速度都要快。使用 WebAssembly 可以让 GEAR 的智能合约直接编译成机器码，运行速度媲美原生。更快的速度意味着更低的交易成本和更高的效率。

& a; A& E. s# {) y* S& `/ x

背景

D6 T! b+ o1 s% @0 Z2 e1 c1 x

我们可以看一看基本原理和组成部件，通过了解背景知识，更好地了解 Gear 的技术。

" b7 K; B y( b" A2 F9 I

同其他区块链系统一样，Gear 也维护分布式状态。运行时代码将被编译成 WebAssembly 并成为区块链存储状态的一部分。

' |; v L4 f k6 ~4 F# f+ f# i

存储状态包括以下部分：

• 程序和内存（包括程序代码和私有内存）

• 消息队列（网络的全局消息队列）

• 账户（网络账户及其余额）

• 程序和内存

程序代码存储为不可变的 Wasm blob，每个程序都有固定数量的独立内存，这些内存在程序初始化时被预留，并在消息处理期间保持不变（所谓的静态区）。程序只能在自己的内存空间内读写，不能访问其他程序的内存空间。

2 X" ?$ n1 S! |$ @% O' J' x

程序可以从 Gear 实例提供的内存池中分配到更多内存。程序以 64KB 为单位分配自身所需的内存。每个分配的内存块分散存储在分布式数据库后端，但在运行时中，Gear 节点构造连续的运行时内存，并允许程序在其上运行而无需重载。

/ k, L! }5 \/ c+ ]& G2 c

消息队列

Gear 实例持有一个全局消息队列。使用 Gear 节点，用户可以向特定程序发送包含一条或多条消息的交易。这些消息将填充消息队列。在区块构造过程中，消息将被移出队列并被路由到特定程序。

账户

对于公共网络，防御 DoS 攻击常常在交易处理时支付 gas/fee。Gear 提供了一个 Balance 模块，允许存储用户和程序余额，并支付交易费用。

3 e2 p& Z1 D$ k5 q

常规余额转移是在 Substrate 的 Balances 模块中进行的。余额在用户、程序和验证者帐户之间转移。

除了常规余额转移外，Gear 网络还定义了 gas balance 转移，用于奖励验证者节点的工作，并保护网络免受 DoS 攻击。

0 p* T) U. k2 G- q' Q3 r4 ?

状态转换

; i O! |3 w6 y5 l/ W x% }

每个系统都遵循系统状态演化所依据的规则。当网络处理新的输入数据时，状态将根据状态转移规则前进。这些输入数据被打包在称为交易的原子粒度的信息中。

2 X' L" R3 w3 `+ @" ?2 ?

Gear 节点维护并同步包含所有新交易的交易池。当任何节点（验证者节点或者不是）接收到交易时，该节点将交易传播到所有连接的节点。 当 Gear 验证节点生成新块时，池中的一些（或所有）交易将合并到一个块中，网络将通过该块进行状态转换。上一个区块中未打包的交易将留在池中，直到生成下一个区块。

Gear 支持以下交易类型：

$ h/ n0 _' r8 {2 ~9 p4 }1 k2 s# k! @

• 创建程序（用户上传新程序——智能合约）

• 发送消息（程序填充消息队列）

• 退出消息队列（验证者（或块生产者）退出多条消息，运行相关程序）

• 余额转移（Gear 引擎执行用户——程序——验证者余额交易）

. W2 G3 V5 Q: i& g5 q

Actor 通信模型

9 b/ ~5 F* w& X! E0 n$ L2 R

并发系统的主要挑战之一是并发控制。它定义了不同程序之间正确的通信顺序，并协调共享资源的访问。潜在问题包括竞争条件、死锁和资源匮乏。 并发计算系统可分为两类通信模式：

• 共享内存通信——并发程序通过更改共享内存位置的内容进行通信。

• 消息传递通信——通过消息交换进行并发程序通信。消息传递并发比共享内存并发更容易理解。它通常被认为是一种更稳健的并发编程形式。

$ d5 |9 s3 P5 e; M/ M

通常，消息传递并发比共享内存具有更好的性能。在消息传递系统中，每个进程的内存开销和任务切换开销更低。

4 [. \/ R6 k3 K$ p& y! r

有很多数学理论可以用来理解消息传递系统，包括 Actor 模型。

: V; z( N0 H; c9 |% k# t

对于进程间通信，Gear 使用 Actor 模型。Actor 模型越来越流行，通常作为先进的语言概念，现在许多新的编程语言都在使用它。Actor 模型的原理是程序从不共享任何状态，只是在彼此之间交换信息。

7 ?- S9 k1 x; Q4 i1 s$ F0 Y/ N

虽然在一个通常的 Actor 模型中，消息顺序没有任何保证，但 Gear 额外保证了两个特定程序之间的消息顺序保持不变。

使用 Actor 模型可以使我们在程序（智能合约）逻辑中实现基于 Actor 的并发性。这样我们就可以利用各种语言结构进行异步编程（例如，Rust 中的 Futures 和 async/await）。

与类不同，actor 一次只允许一个任务访问其可变状态，这使得多个任务中的代码可以安全地与同一个 actor 实例交互。

3 J2 u; A+ W- G# p2 O- X6 Y

异步函数大大简化并发管理，但它们无法处理死锁或状态损坏的情况。为了避免死锁或状态损坏，异步函数应该避免调用可能阻塞其线程的函数。为了实现这一点，我们选择使用 await 表达式。

& v# S- @5 m7 B6 j. H( f. f

目前，典型的智能合约代码中缺乏对 async/await 模式的支持，这给智能合约开发人员造成了很多问题。实际上，通过添加手工函数（在 Solidity 智能合约中），在智能合约程序流中实现更好的控制是可能的。但是合约中许多函数的问题在于，人们很容易混淆，应该在合约生命周期中的哪个阶段调用哪个函数。

; B( X( s' A, c% m1 {

Gear 为程序提供通用的 async/await 语法。这大大简化开发和测试过程，降低智能合约开发中出错的可能性。如果程序逻辑需要，Gear API 还支持同步消息。

: \; _4 L, b2 }* f0 H+ j

内存并行性

每个程序的独立内存空间允许在 Gear 节点上进行并行化消息处理。并行处理流的数量等于 CPU 内核数。每个流将处理用于一组已定义程序的消息。它与从其他程序或外部（用户交易）发送的消息有关。

Gear 引擎使用运行时定义的流的数量，这个数量等于验证者机器上的 CPU 内核数，将目标程序的总量除以流数，并为每个流创建一个消息池。

# h$ r' N# q6 O7 K1 C1 j3 v. r/ s

程序被分配到独立的流中，每条消息都出现在其目标程序的流中。因此，发往特定程序的所有消息都会出现在一个处理流中。

在每个周期中，一个目标程序可以有多条消息，一个流将处理许多程序的消息。消息处理后，每个流的一组新消息将被添加到消息队列中，然后循环重复。消息处理过程中，生成的结果消息通常被发送到另一个地址（返回到原点或下一个程序）。

WebAssembly VM

Gear 在底层使用 WebAssembly（简称 Wasm ）。任何 Gear 程序都采用 WebAssembly 格式。WebAssembly 是用于部署程序的代码格式。在 Gear 上下文中，任何智能合约都是一个 WebAssembly 程序。

& k( T, q* G+ C" F" d4 B

WebAssembly 具有以下优点：

• 卓越的原生速度。因为它将程序代码转换为实际的硬件指令。更高的速度意味着更高的效率和更低的交易成本。

• 便携性。它可以在任何硬件上运行。

• 安全性。经过正确验证的 WebAssembly 程序不能离开沙箱(由规范保证)。

WebAssembly 能够成为一项引人注目的全球性行业技术有以下原因：

• 由该领域的所有主要竞争者合作设计和实施

• 设计和发布采用完整的数学和机器形式验证

! W7 u- c' \, y$ t" ^

请及时关注 Gear 的 GitHub，了解最新资讯！

关于 GearFans

Gear 是波卡生态的计算组件，GearFans 是 Gear 爱好者社区。

来源：金色财经