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超级账本Fabric的架构与设计

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超级账本Fabric项目自诞生之日起就吸引了全球众多企业的密切关注,已经先后发布了两个大的版本,0.6实验版本(2016年9月)和1.0正式版本(2017年7月)。

目前,超级账本Fabric架构上核心特性主要包括:

  • 解耦了原子排序环节与其他复杂处理环节,消除了网络处理瓶颈,提高可扩展性;
  • 解耦交易处理节点的逻辑角色为背书节点(Endorser)、确认节点(Committer),可以根据负载进行灵活部署;
  • 加强了身份证书管理服务,作为单独的Fabric CA项目,提供更多功能;
  • 支持多通道特性,不同通道之间的数据彼此隔离,提高隔离安全性;
  • 支持可拔插的架构,包括共识、权限管理、加解密、账本机制都模块,支持多种类型;
  • 引入系统链码来实现区块链系统的处理,支持可编程和第三方实现。

超级账本Fabric的整体架构如下图所示。

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Fabric整体架构

Fabric为应用提供了gRPC API,以及封装API的SDK供应用调用。应用可以通过SDK访问Fabric网络中的多种资源,包括账本、交易、链码、事件、权限管理等。应用开发者只需要跟这些资源打交道即可,无需关心如何实现。其中,账本是最核心的结构,记录应用信息,应用则通过发起交易来向账本中记录数据。交易执行的逻辑通过链码来承载。整个网络运行中发生的事件可以被应用访问,以触发外部流程甚至其他系统。权限管理则负责整个过程中的访问控制。账本和交易进一步地依赖核心的区块链结构、数据库、共识机制等技术;链码则依赖容器、状态机等技术;权限管理利用了已有的PKI体系、数字证书、加解密算法等诸多安全技术。底层由多个节点组成P2P网络,通过gRPC通道进行交互,利用Gossip协议进行同步。

层次化结构提高了架构的可扩展和可插拔性,方便开发者以模块为单位进行开发。

超级账本Fabric根据交易过程中不同环节的功能,在逻辑上将节点角色解耦为Endorser和Committer,让不同类型节点可以关注处理不同类型的工作负载。典型的交易处理过程如下图所示。

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示例交易处理过程

在整个交易过程中,各个组件的功能主要为:

  • 客户端(App):客户端应用使用SDK来跟Fabric网络打交道。首先,客户端从CA获取合法的身份证书来加入到网络内的应用通道。发起正式交易前,需要先构造交易提案(Proposal)提交给Endorser进行背书(通过EndorserClient提供的ProcessProposal(ctx context.Context, signedProp *pb.SignedProposal)(*pb.ProposalResponse,error)接口);客户端收集到足够(背书策略决定)的背书支持后可以利用背书构造一个合法的交易请求,发给Orderer进行排序(通过BroadcastClient提供的Send(env *cb.Envelope)error接口)处理。客户端还可以通过事件机制来监听网络中消息,来获知交易是否被成功接收。命令行客户端的主要实现代码在peer/chaincode目录下。
  • Endorser节点:主要提供ProcessProposal(ctx context.Context,signedProp *pb.SignedProposal)(*pb.ProposalResponse,error)方法(代码在core/endorser/endorser.go文件)供客户端调用,完成对交易提案的背书(目前主要是签名)处理。收到来自客户端的交易提案后,首先进行合法性和ACL权限检查,检查通过则模拟运行交易,对交易导致的状态变化(以读写集形式记录,包括所读状态的键和版本,所写状态的键值)进行背书并返回结果给客户端。注意网络中可以只有部分节点担任Endorser角色。主要代码在core/endorser目录下;
  • Committer节点:负责维护区块链和账本结构(包括状态DB、历史DB、索引DB等)。该节点会定期地从Orderer获取排序后的批量交易区块结构,对这些交易进行落盘前的最终检查(包括交易消息结构、签名完整性、是否重复、读写集合版本是否匹配等)。检查通过后执行合法的交易,将结果写入账本,同时构造新的区块,更新区块中BlockMetadata[2](TRANSACTIONS_FILTER)记录交易是否合法等信息。同一个物理节点可以仅作为Committer角色运行,也可以同时担任Endorser和Committer这两种角色。主要实现代码在core/committer目录下;
  • Orderer:仅负责排序。为网络中所有合法交易进行全局排序,并将一批排序后的交易组合生成区块结构。Orderer一般不需要跟账本和交易内容直接打交道。主要实现代码在orderer目录下。对外主要提供Broadcast(srv ab.AtomicBroadcast_BroadcastServer)error和Deliver(srv ab.AtomicBroadcast_DeliverServer)error两个RPC方法(代码在orderer/server.go文件);
  • CA:负责网络中所有证书的管理(分发、撤销等),实现标准的PKI架构。主要代码在单独的fabric-ca项目中。CA在签发证书后,自身不参与到网络中的交易过程。

核心概念与组件

超级账本Fabric采用了模块化功能设计,整体的功能模块结构如下图所示。

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Fabric核心组件

超级账本Fabric面向不同的开发人员提供了不同层面的功能,自下而上可以分为三层:

  • 网络层:面向系统管理人员。实现P2P网络,提供底层构建区块链网络的基本能力,包括代表不同角色的节点和服务;
  • 共识机制和权限管理:面向联盟和组织的管理人员。基于网络层的连通,实现共识机制和权限管理,提供分布式账本的基础;
  • 业务层:面向业务应用开发人员。基于分布式账本,支持链码、交易等跟业务相关的功能模块,提供更高一层的应用开发支持。

下面介绍网络层相关组件的功能和作用。

网络层相关组件

网络层通过软、硬件设备,实现了对分布式账本结构的连通支持,包括节点、排序者、客户端等参与角色,还包括成员身份管理、Gossip协议等支持组件。

节点(Peer)的概念最早来自P2P分布式网络,意味着在网络中担任一定职能的服务或软件。节点功能可能是对等一致的,也可能是分工合作的。在超级账本Fabric网络中,Peer意味着在网络中负责接受交易请求、维护一致账本的各个fabric-peer实例。这些实例可能运行在裸机、虚拟机甚至容器中。节点之间彼此通过gRPC消息进行通信。按照功能角色划分,Peer可以包括三种类型:

  • Endorser(背书节点):负责对来自客户端的交易提案进行检查和背书;
  • Committer(确认节点):负责检查交易请求,执行交易并维护区块链和账本结构;
  • Submitter(提交节点):负责接收交易,转发给排序者,目前未单独出现。
    这些角色是功能上的划分,彼此并不相互排斥。一般情况下,网络中所有节点都具备Committer功能;部分节点具有Endorser功能;Submitter功能则往往集成在客户端(SDK)进行实现。

Peer节点相关的主要数据结构包括PeerEndpoint和endorserClient。前者代表一个Peer节点在网络中的接入端点;后者实现EndorserClient接口,代表连接到Peer节点的客户端句柄,提供对Endorser角色实现的ProcessProposal(ctx context.Context,signedProp *pb.SignedProposal)(*pb.ProposalResponse, error)方法的访问。如下图所示。

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Peer节点相关数据结构

排序者(Orderer),或称为排序节点,负责对所收到的交易在网络中进行全局排序。Orderer主要提供了Broadcast(srv ab.AtomicBroadcast_BroadcastServer) error和Deliver(srv ab.AtomicBroadcast_DeliverServer) error两个接口。前者代表客户端将数据(交易)发给Orderer,后者代表从Orderer获取到排序后构造的区块结构。客户端可以使用atomicBroadcastClient结构访问这两个接口。atomicBroadcastClient结构如下图所示,维持了一个gRPC的双向通道。

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atomicBroadcastClient结构

Orderer可以支持多通道。不同通道之间彼此隔离,通道内交易相关信息将仅发往加入到通道内的Peer(同样基于gRPC消息),从而提高隐私性和安全性。在目前的设计中,所有的交易信息都会从Orderer经过,因此,Orderer节点在网络中必须处于可靠、可信的地位。

从功能上看,Orderer的目的是对网络中的交易分配全局唯一的序号,实际上并不需要交易相关的具体数据内容。因此为了进一步提高隐私性,发往Orderer的可以不是完整的交易数据,而是部分信息,比如交易加密处理后的结果,或者仅仅是交易的Hash值、Id信息等。这些改进设计会降低对Orderer节点可靠性和安全性的需求。社区目前也已经有了一些类似的设计讨论(参考FAB-1151:Side DB-Private Channel Data)。

客户端是用户和应用跟区块链网络打交道的桥梁。客户端主要包括两大职能:

  • 操作Fabric网络:包括更新网络配置、启停节点等;
  • 操作运行在网络中的链码:包括安装、实例化、发起交易调用链码等。

这些操作需要跟Peer节点和Orderer节点打交道。特别是链码实例化、交易等涉及到共识的操作,需要跟Orderer交互,因此,客户端往往也需要具备Submitter的能力。网络中的Peer和Orderer等节点则对应提供了gRPC远程服务访问接口,供客户端进行调用。目前,除了基于命令行的客户端之外,超级账本Fabric已经拥有了多种语言的SDK。这些SDK封装了对底层gRPC接口的调用,可以提供更完善的客户端和开发支持,包括Node.Js、Python、Java、Go等多种实现。

CA节点(Fabric-CA)负责对Fabric网络中的成员身份进行管理。Fabric网络目前采用数字证书机制来实现对身份的鉴别和权限控制,CA节点则实现了PKI服务,主要负责对身份证书进行管理,包括生成、撤销等。需要注意的是,CA节点可以提前签发身份证书,发送给对应的成员实体,这些实体在部署证书后即可访问网络中的各项资源。后续访问过程中,实体无须再次向CA节点进行请求。因此,CA节点的处理过程跟网络中交易的处理过程是完全解耦开的,不会造成性能瓶颈。

Fabric网络中的节点之间通过Gossip协议来进行状态同步和数据分发。Gossip协议是P2P领域的常见协议,用于进行网络内多个节点之间的数据分发或信息交换。由于其设计简单,容易实现,同时容错性比较高,而被广泛应用到了许多分布式系统,例如Cassandra采用它来实现集群失败检测和负载均衡。Gossip协议的基本思想十分简单,数据发送方从网络中随机选取若干节点,将数据发送过去;接收方重复这一过程(往往只选择发送方之外节点进行传播)。这一过程持续下去,网络中所有节点最终(时间复杂度为节点总个数的对数)都会达到一致。数据传输的方向可以是发送方发送或获取方拉取。

在Fabric网络中,节点会定期地利用Gossip协议发送它看到的账本的最新的数据,并对发送消息进行签名认证。通过使用该协议,主要实现如下功能:

  • 通道内成员的探测:新加入通道的节点可以获知其他节点的信息,并发送Alive信息宣布在线;离线节点经过一段时间后可以被其他节点感知。
  • 节点之间同步数据:多个节点之间彼此同步数据,保持一致性。另外,Leader节点从Orderer拉取区块数据后,也可以通过Gossip传播给通道内其他、节点。

推荐阅读:

《区块链原理、设计与应用》
ISBN:978-7-111-57782-9
作者:杨宝华
定价:89.00元
本书由超级账本核心设计和开发者撰写,区块链开发落地专业指南。Apache基金会创始人Brian Behlendorf倾情推荐,清华大学五道口金融学院常务副院长廖理博士作序。由浅入深,详细讲解超级账本Fabric架构设计精华与应用开发,是区块链开发落地专业指南。
作者介绍:
杨保华,博士,毕业于清华大学。超级账本(Hyperledger)大中华区技术工作组主席,IBM大中华区Blockchain技术社区首席顾问,资深研究员。曾主持多个大规模系统平台的架构设计和研发实施,是区块链、云计算、大数据等技术的早期研究者和实践者。他热爱开源技术,曾贡献OpenStack、OpenDaylight等开源项目,是超级账本Fabric项目核心设计和开发者,也是Cello和Fabric-SDK-Py项目的发起人。个人主页为https://yeasy.github.com

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