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3.1 系统逻辑架构

2527 人参与  2018年10月15日 11:11  分类 : 区块链精品文章  评论

第3章 超级账本的系统架构

区块链的业务需求多种多样,一些要求在快速达成网络共识及快速确认区块后,才可以将区块加入区块链中。有一些可以 接受相对缓慢的处理时间,以换取较低级别的信任。各行各业在扩展性、可信度、合法性、工作流复杂度以及安全性等方面的需求和用途都不尽相同。我们先来看一 下在企业级区块链系统中常见的模块构成

一些常用的功能模块有:应用程序、成员管理、智能合约、账本、共识机制、事件机制、系统管理等。纵轴代表用户或者开发 者更关心的内容,越往上代表用户更关注,比如应用程序和钱包等,越靠下是开发者更关注的模块,比如事件机制。而横轴则是从时间的维度来看的,左边是一开始 关注的功能,直到完成所有的功能。

Hyperledger Fabric 1.0是一种通用的区块链技术,其设计目标是利用一些成熟的技术实现分布式账本技术(Distributed Ledger Technology,DLT)。超级账本采用模块化架构设计,复用通用的功能模块和接口。模块化的方法带来了可扩展性、灵活性等优势,会减少模块修改、 升级带来的影响,能很好地利用微服务实现区块链应用系统的开发和部署。Hyperledger Fabric 1.0设计有几个特点:加 入 会 员 微 信 dedao555

1)模块插件化:很多的功能模块(如CA模块、共识算法、状态数据库存储、ESCC、VSCC、BCCSP等)都是可插拔的,系统提供了通用的接口和默认的实现,这满足了大多数的业务需求。这些模块也可以根据需求进行扩展,集成到系统中。

2)充分利用容器技术:不仅节点使用容器作为运行环境,链码也默认运行在安全的容器中。应用程序或者外部系统不能直接操作链码,必须通过背书节点提供的接口转发给链码来执行。容器给链码运行提供的是安全沙箱环境,把链码的环境和背书节点的环境隔离开,链码存在安全问题也不会影响到背书节点。

3)可扩展性:Hyperledger Fabric 1.0在0.6版本的基础上,对Peer节点的角色进行了拆分,有背书节点(Endorser)、排序服务节点(Orderer)、记账节点 (Committer)等,不同角色的节点有不同的功能。节点可以加入到不同的通道(Channel)中,链码可以运行在不同的节点上,这样可以更好地提 升并行执行的效率和吞吐量。

4)安全性:Hyperledger Fabric 1.0提供的是授权访问的区块链网络,节点共同维护成员信息,MSP(Membership Service Provider)模块验证、授权了最终用户后才能使用区块链网络的功能。多链和多通道的设计容易实现数据隔离,也提供了应用程序和链码之间的安全通道, 实现了隐私保护。

3.1 系统逻辑架构

图3-2所示为Hyperledger Fabric 1.0设计的系统逻辑架构图。

image.png

图3-2 Hyperledger Fabric 1.0的系统逻辑架构图

图3-2所示的系统逻辑架构图是从不同角度来划分的,上层从应用程序的角度,提供了标准的gRPC接口,在API 的基础之上封装了不同语言的SDK,包括Golang、Node.js、Java、Python等,开发人员可以利用SDK开发基于区块链的应用。区块链 强一致性要求,各个节点之间达成共识需要较长的执行时间,也是采用异步通信的模式进行开发的,事件模块可以在触发区块事件或者链码事件的时候执行预先定义 的回调函数。下面分别从应用程序和底层的角度分析应该关注的几个要素。

1.应用程序角度

(1)身份管理

用户注册和登录系统后,获取到用户注册证书(ECert),其他所有的操作都需要与用户证书关联的私钥进行签名,消息接收方首先会进行签名验证,才进行后续的消息处理。网络节点同样会用到颁发的证书,比如系统启动和网络节点管理等都会对用户身份进行认证和授权。

(2)账本管理

授权的用户是可以查询账本数据(ledger)的,这可以通过多种方式查询,包括根据区块号查询区块、根据区块哈希查询区块、根据交易号查询区块、根据交易号查询交易,还可以根据通道名称获取查询到的区块链信息。

(3)交易管理

账本数据只能通过交易执行才能更新,应用程序通过交易管理提交交易提案(Proposal)并获取到交易背书 (Endorsement)以后,再给排序服务节点提交交易,然后打包生成区块。SDK提供接口,利用用户证书本地生成交易号,背书节点和记账节点都会校 验是否存在重复交易。

(4)智能合约

实现“可编程的账本”(Programmable Ledger),通过链码执行提交的交易,实现基于区块链的智能合约业务逻辑。只有智能合约才能更新账本数据,其他模块是不能直接修改状态数据(World State)的。

2.底层角度

下面的内容是从Hyperledger Fabric 1.0底层的角度来看,如何实现分布式账本技术,给应用程序提供区块链服务。

(1)成员管理

MSP(Membership Service Provider)对成员管理进行了抽象,每个MSP都会建立一套根信任证书(Root of Trust Certificate)体系,利用PKI(Public Key Infrastructure)对成员身份进行认证,验证成员用户提交请求的签名。结合Fabric-CA或者第三方CA系统,提供成员注册功能,并对成 员身份证书进行管理,例如证书新增和撤销。注册的证书分为注册证书(ECert)、交易证书(TCert)和TLS证书(TLS Cert),它们分别用于用户身份、交易签名和TLS传输。

(2)共识服务

在分布式节点环境下,要实现同一个链上不同节点区块的一致性,同时要确保区块里的交易有效和有序。共识机制由3个 阶段完成:客户端向背书节点提交提案进行签名背书,客户端将背书后的交易提交给排序服务节点进行交易排序,生成区块和排序服务,之后广播给记账节点验证交 易后写入本地账本。网络节点的P2P协议采用的是基于Gossip的数据分发,以同一组织为传播范围来同步数据,提升网络传输的效率。

(3)链码服务

智能合约的实现依赖于安全的执行环境,确保安全的执行过程和用户数据的隔离。Hyperledger Fabric采用Docker管理普通的链码,提供安全的沙箱环境和镜像文件仓库。其好处是容易支持多种语言的链码,扩展性很好。Docker的方案也有 自身的问题,比如对环境要求较高,占用资源较多,性能不高等,实现过程中也存在与Kubernetes、Rancher等平台的兼容性问题。

(4)安全和密码服务

安全问题是企业级区块链关心的问题,尤其在关注国家安全的项目中。其中底层的密码学支持尤其重 要,Hyperledger Fabric 1.0专门定义了一个BCCSP(BlockChain Cryptographic Service Provider),使其实现密钥生成、哈希运算、签名验签、加密解密等基础功能。BCCSP是一个抽象的接口,默认是软实现的国标算法,目前社区和较多 的厂家都在实现国密的算法和HSM(Hardware Security Module)。

Hyperledger Fabric 1.0在架构上的设计具有很好的可扩展性,目前是众多可见的区块链技术中最为活跃的,值得区块链技术爱好者深入研究。


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