超级账本项目:架构设计

架构设计

整个架构如下图所示。

包括三大组件：区块链服务（Blockchain）、链码服务（Chaincode）、成员权限管理（Membership）。

基本术语

交易处理（Transaction）：执行账本上的某个函数调用。函数在 chaincode 中实现；
交易员（Transactor）：作为客户端发起交易调用；
账本（Ledger）：即区块链，带有所有的交易信息和当前的世界状态（world state）；
世界状态（World State）：当前账本的一个（稳定）状态，包括所有 chaincode 中所有键值对的集合。是一个键值集合，一般用 {chaincodeID, ckey} 代表键；
链码（Chaincode）：区块链上的应用代码，延伸自“智能合约”，支持 golang、nodejs 等；
验证节点（Validating Peer）：维护账本的核心节点，参与一致性维护、对交易的验证和执行；
非验证节点（Non-validating Peer）：不参与账本维护，仅作为交易代理响应客户端的 REST 请求，并对交易进行一些基本的有效性检查，之后转发给验证节点；
带许可的账本（Permissioned Ledger）：网络中所有节点必须是经过许可的，非许可过的节点则无法加入网络；
隐私保护（Privacy）：交易员可以隐藏交易的身份，其它成员在无特殊权限的情况下，只能对交易进行验证，而无法获知身份信息；
秘密保护（Confidentiality）：只有交易双方可以看到交易内容，其它人未经授权则无法看到；
审计性（Auditability）：在一定权限和许可下，可以对链上的交易进行审计和检查。

区块链服务

区块链服务提供一个分布式账本平台。一般地，多个交易被打包进区块中，多个区块构成一条区块链。

交易

交易意味着围绕着某个链码进行操作。

交易可以改变世界状态。

交易中包括的内容主要有：

交易类型：目前包括 Deploy、Invoke、Query、Terminate 四种；
uuid：代表交易的唯一编号；
链码编号 chaincodeID：交易针对的链码；
负载内容的 hash 值：Deploy 或 Invoke 时候可以指定负载内容；
交易的保密等级 ConfidentialityLevel；
交易相关的 metadata 信息；
临时生成值 nonce：跟安全机制相关；
交易者的证书信息 cert；
签名信息 signature；
metadata 信息；
时间戳 timestamp。

交易的数据结构（Protobuf 格式）定义为

message Transaction {
    enum Type {
        UNDEFINED = 0;
        // deploy a chaincode to the network and call `Init` function
        CHAINCODE_DEPLOY = 1;
        // call a chaincode `Invoke` function as a transaction
        CHAINCODE_INVOKE = 2;
        // call a chaincode `query` function
        CHAINCODE_QUERY = 3;
        // terminate a chaincode; not implemented yet
        CHAINCODE_TERMINATE = 4;
    }
    Type type = 1;
    //store ChaincodeID as bytes so its encrypted value can be stored
    bytes chaincodeID = 2;
    bytes payload = 3;
    bytes metadata = 4;
    string uuid = 5;
    google.protobuf.Timestamp timestamp = 6;

    ConfidentialityLevel confidentialityLevel = 7;
    string confidentialityProtocolVersion = 8;
    bytes nonce = 9;

    bytes toValidators = 10;
    bytes cert = 11;
    bytes signature = 12;}

区块

区块打包交易，确认交易后的世界状态。

一个区块中包括的内容主要有：

版本号 version：协议的版本信息；
时间戳 timestamp：由区块提议者设定；
交易信息的默克尔树的根 hash 值：由区块所包括的交易构成；
世界观的默克尔树的根 hash 值：由当前整个世界的状态值构成；
前一个区块的 hash 值：构成链所必须；
共识相关的元数据：可选值；
非 hash 数据：不参与 hash 过程，各个 peer 上的值可能不同，例如本地提交时间、交易处理的返回值等；

注意具体的交易信息并不存放在区块中。

交易的数据结构（Protobuf 格式）定义为

message Block {
    uint32 version = 1;
    google.protobuf.Timestamp timestamp = 2;
    repeated Transaction transactions = 3;
    bytes stateHash = 4;
    bytes previousBlockHash = 5;
    bytes consensusMetadata = 6;
    NonHashData nonHashData = 7;}

一个真实的区块内容示例：

{
    "nonHashData": {
        "localLedgerCommitTimestamp": {
            "nanos": 975295157,
                "seconds": 1466057539
        },
            "transactionResults": [
            {
                "uuid": "7be1529ee16969baf9f3156247a0ee8e7eee99a6a0a816776acff65e6e1def71249f4cb1cad5e0f0b60b25dd2a6975efb282741c0e1ecc53fa8c10a9aaa31137"
            }
            ]
    },
        "previousBlockHash": "RrndKwuojRMjOz/rdD7rJD/NUupiuBuCtQwnZG7Vdi/XXcTd2MDyAMsFAZ1ntZL2/IIcSUeatIZAKS6ss7fEvg==",
        "stateHash": "TiIwROg48Z4xXFFIPEunNpavMxnvmZKg+yFxKK3VBY0zqiK3L0QQ5ILIV85iy7U+EiVhwEbkBb1Kb7w1ddqU5g==",
        "transactions": [
        {
            "chaincodeID": "CkdnaXRodWIuY29tL2h5cGVybGVkZ2VyL2ZhYnJpYy9leGFtcGxlcy9jaGFpbmNvZGUvZ28vY2hhaW5jb2RlX2V4YW1wbGUwMhKAATdiZTE1MjllZTE2OTY5YmFmOWYzMTU2MjQ3YTBlZThlN2VlZTk5YTZhMGE4MTY3NzZhY2ZmNjVlNmUxZGVmNzEyNDlmNGNiMWNhZDVlMGYwYjYwYjI1ZGQyYTY5NzVlZmIyODI3NDFjMGUxZWNjNTNmYThjMTBhOWFhYTMxMTM3",
            "payload": "Cu0BCAESzAEKR2dpdGh1Yi5jb20vaHlwZXJsZWRnZXIvZmFicmljL2V4YW1wbGVzL2NoYWluY29kZS9nby9jaGFpbmNvZGVfZXhhbXBsZTAyEoABN2JlMTUyOWVlMTY5NjliYWY5ZjMxNTYyNDdhMGVlOGU3ZWVlOTlhNmEwYTgxNjc3NmFjZmY2NWU2ZTFkZWY3MTI0OWY0Y2IxY2FkNWUwZjBiNjBiMjVkZDJhNjk3NWVmYjI4Mjc0MWMwZTFlY2M1M2ZhOGMxMGE5YWFhMzExMzcaGgoEaW5pdBIBYRIFMTAwMDASAWISBTIwMDAw",
            "timestamp": {
                "nanos": 298275779,
                "seconds": 1466057529
            },
            "type": 1,
            "uuid": "7be1529ee16969baf9f3156247a0ee8e7eee99a6a0a816776acff65e6e1def71249f4cb1cad5e0f0b60b25dd2a6975efb282741c0e1ecc53fa8c10a9aaa31137"
        }
    ]}

链码服务

链码包含所有的处理逻辑，并对外提供接口，外部通过调用链码接口来改变世界观。

链码目前支持的交易类型包括：部署（Deploy）、调用（Invoke）和查询（Query）。

部署：VP 节点利用链码创建沙盒，沙盒启动后，处理 protobuf 协议的 shim 层一次性发送包含 ChaincodeID 信息的 REGISTER 消息给 VP 节点，进行注册，注册完成后，VP 节点通过 gRPC 传递参数并调用链码 Invoke 函数完成初始化；
调用：VP 节点发送 TRANSACTION 消息给链码沙盒的 shim 层，shim 层用传过来的参数调用链码的 Invoke 函数完成调用；
查询：VP 节点发送 QUERY 消息给链码沙盒的 shim 层，shim 层用传过来的参数调用链码的 Query 函数完成查询。

不同链码之间可能互相调用和查询。

成员权限管理

通过基于 PKI 的成员权限管理，平台可以对接入的节点和客户端的能力进行限制。

证书有三种，Enrollment，Transaction，以及确保安全通信的 TLS 证书。

注册证书 ECert：颁发给提供了注册凭证的用户或节点，一般长期有效；
交易证书 TCert：颁发给用户，控制每个交易的权限，一般针对某个交易，短期有效。
通信证书 TLSCert：控制对网络的访问，并且防止窃听。

消息类型

节点之间通过消息来进行交互，所有消息都由下面的数据结构来实现。

message Message {
   enum Type {
        UNDEFINED = 0;

        DISC_HELLO = 1;
        DISC_DISCONNECT = 2;
        DISC_GET_PEERS = 3;
        DISC_PEERS = 4;
        DISC_NEWMSG = 5;

        CHAIN_STATUS = 6;
        CHAIN_TRANSACTION = 7;
        CHAIN_GET_TRANSACTIONS = 8;
        CHAIN_QUERY = 9;

        SYNC_GET_BLOCKS = 11;
        SYNC_BLOCKS = 12;
        SYNC_BLOCK_ADDED = 13;

        SYNC_STATE_GET_SNAPSHOT = 14;
        SYNC_STATE_SNAPSHOT = 15;
        SYNC_STATE_GET_DELTAS = 16;
        SYNC_STATE_DELTAS = 17;

        RESPONSE = 20;
        CONSENSUS = 21;
    }
    Type type = 1;
    bytes payload = 2;
    google.protobuf.Timestamp timestamp = 3;}

消息分为四大类：Discovery（探测）、Transaction（交易）、Synchronization（同步）、Consensus（一致性）。

不同消息类型，payload 中数据不同。

Discovery

包括 DISC_HELLO、DISC_GET_PEERS、DISC_PEERS。

Transaction

包括 Deploy、Invoke、Query。

Synchronization

SYNC_GET_BLOCKS 和对应的 SYNC_BLOCKS。

SYNC_STATE_GET_SNAPSHOT 和对应的 SYNC_STATE_SNAPSHOT。

SYNC_STATE_GET_DELTAS 和对应的 SYNC_STATE_DELTAS。

Consensus

CONSENSUS 消息。

新的架构设计

目前，VP 节点执行了所有的操作，包括接收交易，进行交易验证，进行一致性达成，进行账本维护等。这些功能的耦合导致节点性能很难进行扩展。

新的思路就是对这些功能进行解耦，让每个功能都相对单一，容易进行扩展。社区内已经有了一些讨论。

一种可能的设计是根据功能将节点角色解耦开。

submitting peer：负责检查客户端请求的签名，运行交易，根据状态改变构造 chaincode 交易并提交给 endorser；收集到足够多 endorser 支持后可以发请求给 consenter；
endorser peer：负责来自 submitting peer 的 chaincode 交易的合法性和权限检查（模拟交易），通过并返回支持（如签名）给 submitting peer；
consenter：负责一致性达成，给交易们一个全局的排序，不需要跟账本打交道，其实就是个逻辑集中的队列。
committing peer：负责维护账本，写入达成一致的交易结果等，某些时候不需要单独存在；

链码

什么是 chaincode

chaincode（链码）是部署在 Hyperledger fabric 网络节点上，可被调用与分布式账本进行交互的一段程序代码，也即狭义范畴上的“智能合约”。链码在 VP 节点上的隔离沙盒（目前为 Docker 容器）中执行，并通过 gRPC 协议来被相应的 VP 节点调用和查询。

Hyperledger 支持多种计算机语言实现的 chaincode，包括 Golang、JavaScript、Java 等。

实现 chaincode 接口

下面以 golang 为例来实现 chaincode 的 shim 接口。在这之中三个核心的函数是 Init, Invoke，和Query。三个函数都以函数名和字符串结构作为输入，主要的区别在于三个函数被调用的时机。

依赖包

chaincode 需要引入如下的软件包。

fmt：包含了 Println 等标准函数.
errors：标准 errors 类型包；
github.com/hyperledger/fabric/core/chaincode/shim：与 chaincode 节点交互的接口代码。shim 包提供了 stub.PutState 与 stub.GetState 来写入和查询链上键值对的状态。

Init()函数

当首次部署 chaincode 代码时，init 函数被调用。如同名字所描述的，该函数用来做一些初始化的工作。

Invoke()函数

当通过调用 chaincode 代码来做一些实际性的工作时，可以使用 invoke 函数。发起的交易将会被链上的区块获取并记录。

它以被调用的函数名作为参数，并基于该参数去调用 chaincode 中匹配的的 go 函数。

Query()函数

顾名思义，当需要查询 chaincode 的状态时，可以调用 Quer() 函数。

Main() 函数

最后，需要创建一个 main 函数，当每个节点部署 chaincode 的实例时，该函数会被调用。

它仅仅在 chaincode 在某节点上注册时会被调用。

与 chaincode 代码进行交互

与 chaincode 交互的主要方法有 cli 命令行与 rest api，关于 rest api 的使用请查看该目录下的例子。