CHA:星云研究院：Hyperledger Fabric論文分析

本文作者：星云研究院資深研究院湯載陽博士。華中科技大學計算機博士，日本會津大學和法國南巴黎國立電信學院訪問學者，研究方向包括分布式系統、無線網絡和區塊鏈共識，在TPDS、ICDCS等頂級期刊會議上發表過論文。前言最近部門開始了Survey的計劃，從Cryptology，Consensus和傳統分布式系統三個方向調研目前業內關于Blockchain的最新進展。在寒冷的冬天，能窩在被窩里看論文也算是不幸中的萬幸。本來一直也有想寫專欄的計劃，剛好借此機會整理下看過的論文。既然是系列開頭，第一篇論文選擇還是比較慎重的，我們最終選擇了發表于EuroSys18的論文《HyperledgerFabric:ADistributedOperatingSystemforPermissionedBlockchains》，該論文介紹了IBM在聯盟鏈方向的最新研究成果。話不多說，開始正文。FabricFabric是屬于Hyperledger的一個子項目，后者是由Linux基金會發起面向區塊鏈技術的開源項目，主要成員包括IBM、R3、Intel等等。Hyperledger實際上還有很多子項目，其中另一個比較著名的是SawtoothLake，由Intel主導，包含了一種全新的共識機制Proof-of-ElapsedTime，該共識策略支持Intel的SGX技術。Fabricv0.6在2016年九月發布，當時的Fabric和其他聯盟鏈沒有太大區別，采用PBFT共識。這篇論文介紹的是最新v1.0Fabric，主要對上述若干問題進行了較大改進，從節點架構上來看，取消了原來的Validating和Non-Validating節點，取而代之的是Endorser節點、Committer節點和全新的Orderer模塊。專有名詞解釋：BFT：Byzantine-faulttolerant拜占庭容錯，即有惡意節點情況下的容錯CFT：crashfaulttolerant無惡意節點情況下的容錯SMR：state-machinereplication狀態機復制，分布式系統中最重要概念MSP：membershipserviceprovider成員管理模塊，負責Fabric中三類節點的認證管理PTM：peertransactionmanager更新最新的交易的狀態，以<k,v>形式存儲VSCC：validationsystemchaincode驗證chaincode，后文會詳細介紹ESCC：endorsementsystemchaincode背書chaincode，后文會詳細介紹Basics關于區塊鏈的劃分，通常包括公鏈、聯盟鏈和私有鏈。最近幾年學術圈給出了更為嚴謹的定義，即permissionlesschain和permissionedchain。在本文中，作者給出publicblockchain和permissionedblockchain的定義如下：Publicblockchainstypicallyinvolveanativecryptocurrencyandoftenuseconsensusbasedon“proofofwork”(PoW)andeconomicincentives.Apermissionedblockchainprovidesawaytosecuretheinteractionsamongagroupofentitiesthathaveacommongoalbutwhichdonotfullytrusteachother.可以看出來兩者最主要的區別在于參與節點的身份是否確定以及是否引入了經濟激勵機制。當然無論publicchain還是permissionedchain，其本質仍然都是狀態機復制，但由于智能合約的出現產生了新的變化。如果我們將智能合約看做一種分布式應用，blockchain和傳統SMR的區別在于：多個智能合約可以同時運行；任何人都可以隨時部署智能合約；智能合約代碼不可信，甚至可能產生惡意后果Order-execute大部分區塊鏈所采用的流程是：將transactions排序打包然后同步到每個節點，每個節點再按順序執行這些交易。在論文中，這種架構被稱之為“order-executearchitecture”，即先“order”再“execute”。如下圖所示：

星云鏈創始人徐義吉：波卡還不能被稱為第三代公鏈:金色財經現場報道，2020 Cointelegraph中文大灣區·國際區塊鏈周8月6日在深圳舉行。星云鏈創始人徐義吉在“第三代公鏈的技術演進之路”圓桌論壇上表示，每一個公鏈的目標都是做第三代公鏈。第一代公鏈是比特幣，第二代公鏈是以以太坊為首的競爭公鏈，但第三代公鏈的概念是模糊的，苗頭是Filecoin，承載去中心化數據的公鏈可能成為第三代公鏈。波卡只是負責鏈接，還不能被稱為第三代公鏈。[2020/8/6]

這樣的架構存在一些問題，首先所有節點按照順序執行交易會限制性能，通常將不相關的操作并發執行可以提升性能，但是對智能合約很難做到并發，因為代碼之間的依賴關系很難確定。此外，order-execute最大的限制是，所有節點所執行的交易必須滿足確定性。類似以太坊這樣采用Solidity這樣的編程語言可以一定程度上保證代碼確定性，但對于更流行的語言，則很難保證確定性。在聯盟鏈中，一種可行的做法是，僅讓部分節點運行代碼，然后同步最終狀態至全網。這樣子一方面通過選擇運行代碼的節點從而保證代碼運行的一致性，并且減少了驗證節點數也提升了性能。但論文中也指出現有的聯盟鏈存在一些問題，例如：Fixedtrustmodel：即合約執行背書和共識機制綁定，這種緊耦合的架構不夠靈活；Hard-codedconsensus：共識機制通常為硬編碼的形式固定，但實際上即便是BFT這一類的算法在不同場景下表現也不盡相同Execute-order-validateFabric采用了全新的交易架構，稱之為execute-order-validate，如下圖所示。

火星云礦總裁商思林：Filecoin短期很難與云存儲巨頭競爭，但長期看好:IPFS100.com現場報道，8月3日，由IPFS100.com主辦，CapitalN節點咨詢承辦，金色算力云聯合主辦，深圳市先河系統技術有限公司金牌贊助，逆熵科技銀牌贊助，金色財經作為聯合主辦媒體的星際漫游指南·逐鹿中原·IPFS技術與應用研討論壇在鄭州舉行。

在主題為《純粹的技術信仰與熾熱的代幣激勵》的圓桌環節，火星云礦總裁商思林表示，目前云存儲上的商用非常成熟，Filecoin短期很難正面競爭。不過，在增量市場里面 ，Filecoin的效率和隱私性可以助其在市場占據一席之地。如果Filecoin要想真正的爆發和應用，還需要基于區塊鏈誕生原生的去中心化應用。[2020/8/4]

在上述架構中，智能合約這種分布式應用包括了兩個部分：chaincode：即原來的smartcontractcode，在execute階段可以運行，值得注意的是，還有一種特殊的systemchaincodes，這類chaincodes定義了整個鏈的底層設置，包括validationsystemchaincode和endorsementsystemchaincode。endorsementpolicy：這個概念理解起來就有點繞了，可以理解為獨立于共識模塊的一種驗證或者背書機制。傳統consensus包括了驗證節點是否作惡以及交易本身是否正確兩個任務，而在Fabric中，將后者抽離成為endorsementpolicy。實際上這個模塊也是可以替換的，比如“五個endorser節點中只要有三個執行結果一致則完成驗證”這種策略完全可以換成“只需要XXXendorser節點完成執行則通過驗證”。如下圖所示，在Fabric中有三類節點，包括：

星云鏈激勵計劃首周冠軍產生，約合￥50萬的獎勵已發放:星云激勵計劃第一周已經順利結束，本周共收到822個應用。在通過評審的231個應用中，一款名為NAS手氣紅包的Dapp，摘下星云激勵計劃首周桂冠。5月19日，周冠軍10000個NAS獎勵已發放（折合人民幣50萬元）。剩余約170萬人民幣的獎勵將會陸續發放到其他獲獎者手上。星云鏈開發者激勵還在火熱進行中，獎池還有總計35萬個NAS等待發放。星云鏈（NAS）是致力于構建可持續升級的良性生態3.0公鏈。[2018/5/19]

Clients：這類節點即發起交易或者調用智能合約的普通節點；Peers：執行驗證交易的節點，這類節點需要有全量ledger數據，在這類節點中，只有一部分負責執行交易，即endorsingpeers；OSNs：上述所有節點都需要認證，由MSP統一發放，形式可以為offline也可以為online。詳細的交易流程如下圖所示：

1.client發起交易，首先將交易信息發給定義好的若干endorsers，注意此處的endorsers是由交易本身的chaincode和其中的endorsementpolicy共同決定；此處proposemessage包括信息如下：tx=<clientID,chaincodeID,txPayload,timestamp,clientSig>clientID:提交交易的client的IDchaincodeID：交易所屬的chaincode的IDtxPayload：交易本體信息timestamp：時間戳clientSig：client簽名endorser收到message后，用client公鑰驗證clientSig，然后運行交易并驗證輸出結果。如果該endorser被選擇為背書節點，則把結果發回給提交的client；該client收集每個endorser返回的信息，當滿足endorsementpolicy后，則進入ordering階段，反之該交易失敗；client將通過endorsement的交易廣播至所有orderers，后者通過某種共識機制對所有通過endorsement的交易進行排序，保證所有節點的數據滿足時序一致性；orderers再將排序后的交易廣播至其他peers，這里廣播的實際上就是一個包含了若干交易的block和一個sequencenumber；所有peers驗證block之后，更新自身的ledger，即完成上鏈。當然上述流程中有一些較強的假設，比如對于P2P傳輸而言，需要滿足liveness，即broadcast(tx)操作在有限的時間內一定可以到達所有其他節點。關于ordering，可采用不同的共識機制，目前支持Kafka，BFT-SMaRt和Solo。Kafka是基于ZooKeeper的Paxos實現，可以實現50%的CFT；BFT-SMaRt則是PBFT的實現，可以實現33%的BFT；Solo是單order節點的ordering，主要用于開發測試。P2P傳輸，采用的是epidemicmulticast，包括了push和pull兩種模式。Chaincode每一條鏈的配置位于特殊的configurationblocks中，包括了：MSPs定義OSNs地址consensus和ordering的部分參數，例如batchsize、timeoutsordering中的基本操作定義通過channelconfigurationupdatetransaction可以更新channel的配置每個application的chaincode包括了endorsementsystemchainco和validationsystemchainc。Evaluation為了測試，Fabric設計了一種UTXO模型的代幣，簡稱Fabcoin。通過一個chaincode不斷產生SPEND和MINTtransactions，分別模擬Fabcoin的產生和銷毀。實驗1：測試blocksize和Throughput關系，結論是在blocksize超過2MB之后TPS不再顯著提升；不同transaction的size略有差別，比如MINTtransaction因為需要帶有CB驗證所以更大。

星云官方APP錢包測試網公測啟動公告:在星云主網和Web錢包配套上線后，星云技術團隊開發官方APP版錢包應用——NAS Nano，提供儲存NAS、進行交易、私鑰備份等功能。現已在測試網上發布，進入公測階段。[2018/5/11]

實驗2：性能測試，

結論是validation是主要瓶頸，但隨著vCPU增加得到了緩解，但是endorsement由于很難并行因此提升有限。32-vCPUpeers可以達到3560tps和3420tps；實驗3：RAMdisk，tmpfs相比SSD提升了9%；實驗4：Scalability，

星云鏈NAS推出激勵計劃后，市值單日漲幅超20%:據數據行情顯示，今日NAS快速升高突破10美元，單日漲幅超過20%。近一周NAS保持連續上漲勢頭，主力資金流入及換手率均居于前五，交易量猛增。星云鏈（NAS）是新一代區塊鏈公鏈，致力于構建可持續升級的良性生態。[2018/4/29]

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