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IBM技术专家:Hyperleger Fabric 架构与部署实例解析

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IBM技术专家:Hyperleger Fabric 架构与部署实例解析

雪花又一年 2018-04-12 14:06:05 浏览58916 评论0

摘要: 策划|Linda编辑|Linda区块链前哨导语:2018 年 3 月 28 日晚 8 点半,区块链前哨迎来了第五期社群分享“超级账本 Fabric 的架构与设计”,邀请了来自 IBM 的技术专家赵振华先生现场分享。

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策划|Linda
编辑|Linda
区块链前哨导语:2018 年 3 月 28 日晚 8 点半,区块链前哨迎来了第五期社群分享“超级账本 Fabric 的架构与设计”,邀请了来自 IBM 的技术专家赵振华先生现场分享。本文根据分享内容整理而成。本文主要介绍 Hyperledger Fabric 的特性、架构与核心组件,并具体分析交易过程的实现,企业案例等内容。从技术角度介绍下 Hyperledger Fabric 是什么,其实现过程是怎样的。

更多干货内容请关注微信公众号“区块链前哨”,(ID:blockchain-666)

新事物往往不是凭空产生的,其发展过程也并非一蹴而就。时下如火如荼的区块链技术,自 2009 年到今天已经经历了三个阶段的发展。

  • 区块链 1.0 是以比特币为代表的数字货币应用,其场景包括支付、流通等货币职能;

  • 区块链 2.0 是挣脱了数字货币枷锁的智能合约,也就是区块链的 token 化,主要应用于金融领域的股票、债券、按揭贷款、产权等方面;

  • 区块链 3.0 则超出货币和金融领域,为各种行业提供去中心化解决方案,如医疗、文化、艺术、物联网等。支持行业应用意味着区块链平台必须具备企业级属性。

3.0 时期,诞生了几个具有代表性的平台。公有链的代表是以太坊,私有链则以 R3 Corda 声名最盛,联盟链的代表作品是 Hyperledger 名下的 Fabric。

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Hyperledger 是面向企业应用的全球最大的分布式账本开源项目,由 Linux 基金会支持,创建于 2015 年底。目前已有 200 多家科技、金融行业领军企业加入成员,包括 IBM、Intel、摩根、甲骨文、万达、百度、腾讯等。大量基于超级账本技术的企业界区块链项目已经成功落地。

如今说到 Hyperledger 基本都是指的当中 IBM 开发的 Fabric 平台。而 Hyperledger 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),1.0 正式版本(2017 年 7 月),1.1 正式版本(2018 年 3 月 20 日)。

Hyperledger Fabric,也叫超级账本。现在由 Linux 基金会管理,主要由 IBM 和 Digital Asset 发起。IBM 和 Digital Asset 的客户都是企业、政府部门。那么超级账本的也是是针对企业应用的开发的。

除了 Fabric 之外,Hyperledger 项目还管理一些别的工具,有兴趣的同学可以到官网了解 https://www.hyperledger.org/

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 1. 开放

谈到 Linux 基金会的大家首先会想到 Lnux Github。Linux 毫无疑问是应用最广的 OS,Github 是最大的开源社区里面,github 上有无数的开源软件,遍布全球的程序员每天都在 Github 上提交新项目,改进代码。

Linux 基金会的会员非常多,目前企业会员就超过 1000 家,当然也包括很多中国的大企业,例如 BAT,华为,中国移动,招商银行,中国电信,中信银行等。

超级账本的是 Linux 基金会 2015 年底宣布成立的,成立之后很快就吸引了大批的企业。到 2016 年底,加入的企业数达到 120 多家,大约四分之一是中国企业。也可以看出中国的 IT 现在是非常活跃的,对区块链的投入也非常大。

目前这个项目有 18 家白金会员(见下图)

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现在的 Fabric 的代码,主要是由 IBM 和 Digital Asset 这两家公司提供的。IBM 把代码贡献出去之前,内部叫 Openblockchain,是 IBM 开源的 blockchain 项目,中国有很多企业在研究这个项目,包括中信,民生,华为,浪潮,腾讯,招商银行等。

 2. 开源

它的源代码是开放的,Github 上有镜像,大家可以很方便地下载。

 3. 支持多语言

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SDK 目前支持 go, java, js, python 四种语言,基本是目前最流行的编程语言,绝大部分写代码的同学至少会其中的一种。这也就大大降低了使用 Fabric 的门槛,开发者不用再学习新的语言就可以开始写程序做区块链的应用了。

另外,超级账本还有一个叫做 Hyperledger Composer 的工具。借助这个工具,可以很快的搭建区块链环境。

 4. 可插拔,可扩展

Fabric 中的 CA,数据库,共识算法等,都是可以插拔的。而且,Farbric 的 Chaincode 通过 docker 实现。

Chaincode 是什么呢?这又要回到共识机制。共识机制就是所有参与者对每个合约的确认过程。举个简单的例子,A 转账给 B100 元:“A 付款,B 收款确认”,这些信息被记录在账本上,这就是共识机制。

代码怎么实现这个动作呢?A 转账的动作,B 确认的动作,都是在 chaincode 实现。类似于我们定义一个转账的接口,A 实现付款的代码,B 实现确认的代码。这些代码就是 chaincode。

 5. 兼顾数据共享和隐私保护

隐私一直是大家都比较关心的话题。Facebook 也因为 Cambridge Analytica 被搞得焦头烂额,很多公司也都修改了隐私保护规则。欧盟也出了新的数据保护条例——GDPR(General Data Protection Regulation),于 5 月 25 日生效,对数据保护提出了更高的要求。据说目前欧盟超过一半的企业达不到要求。

区块链的账本是共享的,像比特币,以太坊等,交易数据大家都可以查看。虽然不知道是谁的数据,但是让人们很担心。在 Fabric 中,账本不是共享给所有人的。而是通过 channel 隔离数据,虽然大家都在同一个区块链网络里,但是不在同一个 channel,也没办法共享账本。所以,通过建立不同的 channel 可以达到按需共享的目的。

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Fabric 核心组件Fabric 有三大核心组件:Peer——节点,大部分代码都在 peer 里面实现;Ordering-Service——完成共识机制的地方;CA——成员管理。(如下图所示)

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 1. 节点 (Peer)

Peer 是在网络中具有一定功能的服务或者软件。它在 Fabric 网络中,主要负责接收交易请求。维护账本,一般都是运行在容器。节点之间通过 gRPC 进行通信。

在 Fabric 中,Peer 主要有三种类型:Endorser, Committer, Submitter。

  1. Endorser(背书节点): 负责对交易提案进行检查背书,根据定义好的规则读写数据,读写集,这个读写的数据叫 state db,或者叫 world state db。背书就是签署,它做的具体事情就是根据约定,往事务里读写数据,可以理解为执行合同里的每个条款。注意这个数据没有写到账本数据,因为账本是共享的。

  2. Committer(确认节点):负责检查交易请求,验证 endorsements 和 transaction 结果,并且执行交易,并维护区块链和账本结构。Commiter 会写到共享账本数据。

  3. Submitter:目前版本中还未公布其具体功能,可能会参与写账本,请大家期待。

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如下图所示,左边的是账本,每个 peer 都保存一份。右边的是 state db 或者叫 world state db,它记录背书的数据,签名等等。

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账本数据本身是文件系统。World State DB 可以是 CouchDB 或者 LevelDB。

 2. 排序者 (Orderer)

Orderer 负责对收到的交易在网络中进行全局排序。Order 是接收 transaction,产生 block。并且负责共识机制的 policy 管理,RWSet。有点类似比特币里面的矿工。

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 3.CA 节点

负责对网络中的成员身份进行管理。目前采用的事数字证书机制,CA 节点实现了 PKI 服务。

PKI 体系 PKI (Public Key Infrastructure),它不是某一种技术,而是综合多种密码学手段来实现安 全可靠传递消息和身份确认的一个框架和规范。 一般情况下,包括如下组件: CA(Certification Authority) :负责证书的颁发和作废,接收来自 RA 的请求; RA(Registration Authority):对用户身份进行验证,校验数据合法性,负责登记,审 核过了就发给 CA; 证书数据库:存放证书,一般采用 LDAP 目录服务,标准格式采用 X.500 系列。

CA 是最核心的组件,主要完成对公钥的管理。密钥有两种 类型:用于签名和用于加解密,对应称为 签名密钥对 和 加密密钥对 。 用户基于 PKI 体系要申请一个证书,一般可以由 CA 来生成证书和私钥,也可以自己生成公钥和私钥,然后由 CA 来对公钥进行签发。

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事务就是合约、合同,完成这个合同不同的参与者需要完成不同的任务

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如图所示,右上角的紫色的框内是签署规则,根据这个规则,E0,E1,E2 三方需要完成签名。

第一步就是客户端根据规则向这个网络中广播一条消息

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E0,E1,E2 收到消息就执行背书

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E0,E1,E2 完成背书之后,通知客户端

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客户端收到大家的确认之后就,就向 Orderer service 发送请求。Order service 对这个 transaction 进行排序,之后写到 block 中,并发送给 committing peers。这个 block 就是区块链的 block.

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第六步 Committer peer 验证 transcation

Committing peer 调用 validate chaincode 对这个 transaction 进行验证。验证通过,就写入到账本里面。

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最后再通知客户端,交易完成

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IBM 目前已经完成了 400 多个区块链的项目,包括以下几个:

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We Trade 这个项目主要做金融方面的审计。审计就是各个公司各个部门之间去对账,以前这些数据是分散在不同的公司的,对起帐来非常费时费力。有了区块链之后,因为数据都是共享的,所以这个查起来就非常方便,据说他们效率提高了五倍。

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这是 IBM 为荷兰银行做的第三个项目,前两个都是和金融相关的,而这个是跟中国的渤海实业合作的。渤海实业是我国农业的龙头企业,这个项目主要是跟踪大豆的进口。我国是大豆的进口大国,每年大约有 1 亿吨的大豆,进口价值 400 多亿美元。采用区块链技术可以比较完整的跟踪整个大豆的生产和贸易。

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以上内容基于 IBM 技术专家赵振华的分享整理而成。现场,前哨的伙伴们也提出了各种问题,振华老师也做了相应的回答。

问题 1:如果区块上有部分交易数据需要保护隐私(不想让其他能够访问 block 的 member 看到),如何设置?

赵振华可以通过创建不同 channel 来隔离用户和数据,只有在同一个 channel 上的用户才可以访问这个 channel 对应的账本上的数据。

问题 2:ordering service 可以有多个实例吗? 如果是多个组织构成的联盟链,谁负责这个 order?

赵振华:每一个 channel 都有一个 ordering service, ordering service 可以有一个或者几个节点共同组成。

问题 3:针对【E0,1,2 完成背书之后,通知客户端】这部分,是都通知吗,还是最后完成的那个通知有效?

赵振华:E0,1,2 执行不同的背书业务,它们背书的顺序是不确定的,每一个完成之后都需要通知。但是可以制定不同的 policy,比如 5 个节点,3 个完成背书就可以认为是有效的。客户端收到 3 个就认为已经完成了。

问题 4:peer 可以即是 endosor,又是 commiter 吗?

赵振华:每个 peer 只有一个角色。

问题 5:State DB 存储的是啥,交易结果吗? 和账本的区别是什么?

赵振华:State DB 存储的交易的最新状态。验证完 Block 中的所有 Transactions 后,提交节点会把 Block 写入账本,并且根据这个 Transaction 更新 State Database。举一个存款的例子,客户 A 银行账户中 1000 元,现在通过 ATM 再存 500 元。ATM 收到钱后,从 state db 中读取 A 的余额 1000,然后把 A 的账户余额改为 1500,这个交易被验证之后写入账本。State DB 中记录的 A 的余额就是 1500,而不是以前的 1000 元了。

问题 6:orderer 节点是通过排序 rwset 使逻辑执行顺序一致,从而达到共识的目的么?

赵振华:不仅是读取数据,还需要检查业务逻辑。

问题 7:达成共识需要多久时间?比特币的账本更新 peer 会越来越庞大,更新都很慢。

赵振华:比特币是按 PoW 计算的,所以比较耗时。在 Fabric 中,完成背书,排序和验证就达到共识了。

问题 8:目前的联盟链里多少个点,每个点做了多大的存储冗余

赵振华:每个节点存储一份账本,账本数据一般都不大。空间不是问题。

问题 9:区块链怎么存储大文件,例如视频文件

赵振华:如果业务需要存储大文件,建议把大文件的摘要信息存储在账本里,比如 MD5 码,大文件存在文件系统上。

问题 10:区块链技术目前成熟度低于数据库,成本 / 难度高于数据库,企业内自身似乎很难找到非用不可的场景与理由?

赵振华:区块链确实是比较新的技术,也有不足,但是很多应用场景用区块链比传统方案更好。

问题 11:Fabric 中账本实际包括 Key-value 数据库和区块链,其中的 key-value 数据库中的记录实际上是可以修改的。不能修改的只是区块链账本。这样防篡改功能实际上是打问号的。请问老师如何看待这个问题?

赵振华:数据以账本上的数据为主,peer 启动的时候会根据账本 recover state db,也可以根据需要随时 recover state db。

问题 12:除了 jira 还有没有开发交流社区,感觉文档不是很全。Fabric-CA 有点鸡肋,实际项目中有用到吗?因为只是证书颁发而与 MSP 没直接关联,用 openssl 库去做证书管理到自己的平台可能更快点? 另外,目前项目好像只有 ECC 的签名实现,有计划做加解密吗?目前要加密 aes key 是否意味着需要同时生成一套 rsa 证书?

赵振华:Fabric 是 permissoned 区块链,企业的合作对象都是已知的,每一个参与者都是经过大家同意。其实即使公有链,没有参与者也有 key,只是没有集中管理。



原文发布时间为:2018-04-02
本文作者:赵振华
本文来源:微信公众号-区块链前哨,如需转载请联系原作者。

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