超级账本学习之二：了解Peer

在进一步了解超级账本以前，我觉得有必要了解一些基本概念，这些概念可以在官方文档中找到。其中，特别重要的是关于Peer的一些理解。在这里我尝试去翻译这篇文章，同时加入我自己的一些理解。

关于Peers

区块链网络主要由一系列的Peers节点组成。Peers是整个网络的基础，因为它是账本和智能合约的载体。通过智能合约，账本以不可篡改的方式记录了交易的全过程。在区块链中，智能合约和账本被用来封装整个网络中的共享处理工程和共享信息。从这个角度来说，Peer是了解超级账本的一个很好的入口。当然，超级账本还有很多其他的重要概念，比如，账本、智能合约、排序服务、通道、成员管理等。本文重点关注peers以及它与超级账本网络中其他模块的关系与交互。

一个区块链网络由peer节点组成，每一个peer节点持有一个或多个账本，以及一个或多个智能合约。上图中网络N由三个peer组成P1、P2和P3。每一个Peer都持有了一个账本实例L1；每个peer都通过链码（智能合约）S1去访问各自的账本副本L1。（注意：从这里我们知道，链码是一段可以访问账本的代码，账本是通过链码来访问的！）

通过暴露的一系列接口，可以允许管理员和运用程序来创建、开启、停止、重新配置甚至删除peer。

账本与链码

进一步了解peer，我们可以说peer持有了账本和链码。但是，更准确的说应该是peer持有了账本和链码的实例。实际上，一个peer可以持有多个账本实例和多个码实例。

正是由于peer持有了账本和链码，管理员和运用程序必须通过peer才能访问这些资源。正因如此，peer被称作超级账本区块链网络中最基础的模块。当peer被创建的时候，里面既没有账本也没有链码。后面将描述账本是如何创建的以及链码是如何安装的。

多账本和多链码

一个peer可以持有多个账本，这对于增加系统设计的灵活性至关重要。当然，超级账本也允许一个账本没有链码，但这种情况很少，因为这就意味着这个账本不能被访问和更改。通常情况，我们每个账本至少有一个链码用于查询或者更改账本实例。实际上，不管用户是否已经安装了自己的链码，每一个peer都有一些系统链码（据我所知，channel的建立以及lead节点的确定就是通过系统链码来完成的）。这些不在本章节的讨论之列。

此外，链码数量与账本数量也没有必然关系。如下图，账本L1可以通过链码S1和S2访问；账本L2可以通过S1和S3访问。因此，S1可以同时访问L1和L2（个人认为，这个特性在实际运用中非常重要，这使得跨系统的联盟链成为可能。）

实际上，由于一个Peer可能持有多个账本和多个链码，超级账本中通道(channel)就显得尤为重要了。

Application与Peer

接下来我们将介绍应用程序如何通过Peer去访问账本。简单的说，Application与Peer的交互主要包括账本查询与账本更新。账本查询只需要简单的三次会话；而账本更新需要额外的两次会话。Application总是通过Peer去访问账本和链码的。超级账本提供的SDK可以允许application连接peer、调用链码产生交易、提交交易到整个网络并接收处理过程中产生的事件。

通过连接到一个peer，application开执行链码来查询或者更新账本。查询结果可以很快返回；但是更新账本需要更复杂的交互，这些交互涉及到application、peer还有orderer：

Orderer用来确保所有的Peer持有的账本同步更新。在上图中，查询账本的步骤可以做如下的简单描述：

1. application连接到peer。
2. application生成提案，并将提案提交给peer。
3. peer根据提案调用相应的链码执行。
4. 链码根据提案查询对应的超级账本。
5. 向application返回提案应答。

至此，账本查询的完成。更新账本还需要接下来完成下面的步骤：

1. application根据查询的返回结果生成一个交易并发送给排序服务模块(Orderer)。
2. orderer将交易发给网络内的所有节点(peers)。
3. peer根据交易调用相关的链码完成账本更新(此处图中可能产生误导，P1不可以直接调用L1，应该先调用S1，再通过S1调用L1)。
4. 账本更新完成后产生事件通知application更新完成。

对于账本查询操作，peer本地保存了账本的副本，它不需要向网络内的其它peer查询，因此可以很快的返回操作结果。当然，application可以连接到多个peer上，以尽量确保查询的结果来自最新的账本。

对于账本更新操作，虽然本质上来说application仍然是通过连接的peer调用链码来完成操作，但是与账本查询不同，账本更新以前需要与其他peer达成一致，即共识。因此，需要Orderer将交易提案发送给整个网络的所有peer。每个peer收到交易提案后会从自己的角度判断是接受还是拒绝交易提案。由于整个过程比较耗时，application会在整个过程完成后得到一个异步的通知。关于orderer的工作流程交易流程。

Peer与通道(Channel)

通道为网络中的所有模块提供了私有的沟通与交易渠道。这些模块包括peer节点、oderder节点、application。加入通道后，这些模块可以共享或管理通道内的所有账本。一个节点可以加入到多个通道中（即，拥有多个账本），但是每个通道的账本是隔离的。因此，通道是一个逻辑结构，它由物理存在的各种节点组成。需要注意的是，peers提供了访问通道或者管理通道的接口（个人觉得，通道就是一个区块链，一个区块链由一个账本，一个账本可能有一个或者多个链码）。

Peers与组织(Organizations)

在明白了Peer与账本、链码和通道的关系后，需要进一步了解多个组织怎么样组成一个区块链网络。通常情况，一个区块链网络由多个组织组成，而非一个单一的组织（译注：通俗的说，我们的区块链很有可能是跨域（domain）的，很多时候我们需要多个域一起才能构成一个完整的区块链网络。因此，这里的组织可以看成域的概念）。如下图所示：

• 在图中，我们可以看见4个组织提供了8个peers，进而组成了整个区块链网络。而通道C连接了其中的5个peers，其塔的节点并没有连接到当前通道。但是其他peers（P2、P4和P6）加入了至少一个其他的通道（图中未给出）。每个组织的application只会连接到自己所在组织的peers上。另外，图中没有给出Orderer节点。
• 因此，整个区块链网络应该是由它所包含的组织构成的。因为组织才是区块链网络所需资源的拥有者和提供者。虽然我们这里讨论的是peer，但是实际上组织才是真正的区块链的价值基础。因此，如果没有有价值的组织，那么区块链网络也就失去了存在的意义。区块链网络的规模与其拥有的有价值的组织有直接的正相关关系（个人觉得，这才是超级账本的真正实际意义所在）。
• 从上图可以看出，没有一个中心化的资源存在。因此，整个区块链网络并不依赖于某个单独的组织。只要还存在有资源价值的组织，整个区块链网络并不会依赖于某一个组织的出现或者消失。这正是去中心化的核心所在。
• 每个组织都有自己的application。虽然使用的是同样的账本，但是由于每个组织关注的重点不一样，因此他们的application也会有很大的差异。一个application可以连接到自己所在组织的peer，也可以连接到其他组织的账本。这依赖于application与账本的交互方式。比如：对于查询操作，application只需要连接到自己组织的peer即可；但是对于更新操作，需要连接到所有组织的指定peer，因为更新操作需要背书操作。
• 为了与当前的区块链网络交互，每一个组织都需要一个锚定节点(Anchor Peer)。如图中的P1、P3、P5、P7和P8就是锚定节点。

Peer与身份

通过特定的认证授权，每个Peer都被赋予了一个指定的数字签名。数字签名像一个身份证，包含了当前peer的各种信息。每个Peer都拥有所在组织管理员签发的数字签名。

• 当一个Peer加入通道的时候，它的数字签名表明了它所在的组织。如图所示，P1和P2的数字签名有CA1签发；而P3和P4的数字签名由CA2签发。通过配置，通道C知道CA1来自组织ORG1；而CA2来自ORG2。ORG1.MSP和ORG2.MSP由通道的MSP统一管理。
• 通过配置（Channel Configuration），通道知道接入的每个Peer的权限。MSP（Membership Service Provider）模块完成了这个功能。MSP决定了一个Peer的角色，访问区块链资源的权限。由于一个Peer只能属于一个组织，因此它只能被关联到一个MSP上面。
• 实际上，所有的节点在访问区块链网络的时候都需要进行身份认证。包括Peer节点、application、Orderer节点以及管理员等。
• 需要注意的是，节点的物理位置并不重要。它可以是位于云端，也可以是组织的中心服务器或者本地的计算机。节点的身份认证决定了它是否可以加入指定的区块链网络，以及加入网络后的角色和权限。

Peer与排序服务(Orderer)

排序服务保证了application和Peers在交互的时候账本的一致性。正如上面看到的，在账本更新的时候，我们需要需要与网络中其它节点达成共识。通常情况，application需要3个步骤来完成账本更新并保障数据的一致性：

1. application将更新提案发给指定的背书节点，背书节点对提案背书，但不更新本地账本，然后将背书结果返回给application。在这里，背书节点是所有节点的一个子集，即不要求所有节点参与背书。
2. application将收集所有的背书，然后打包到块中。
3. TODO

由上可知，排序节点(Orderer Node)是整个处理的核心。下面来详细介绍application和peer是怎样在分布式的环境下确保更新的一致性的。

步骤一：提案

第一步提案阶段排序服务（Orderer），主要由application和一些相关的Peer节点完成。提案阶段是application向不同组织的背书节点提交更新请求。如下图所示：

• application产生一个交易提案，并将提案发送给所有相关的背书Peer节点。每个背书节点根据交易提案独立的执行链码，并返回提案回执。需要注意的是，这个阶段背书节点并不更新本地账本，只是对提案签名并返回给application。当application收集到了足够的提案回执，提案阶段就完成了。
• 如图，A1根据交易T1产生提案P，并分发给通道内的所有背书节点P1和P2。P1和P2分别进行背书，P1调用自己的链码S1产生回执R1和背书E1。P2同理。P1和P2背书完成后将回执发回给application。
• 背书节点的确认依赖于背书策略，背书策略由链码确定，它定义了一个交易在被整个网络接受以前需要哪些组织背书。从业务上来说，当产生一个交易的时候需要哪些组织确认才能让交易生效，那么这些组织就需要为交易背书。
• 背书节点（Endorser Peer）在回执中添加数字签名，并且使用私钥对整个payload域加密。因此，背书回执可以看作是该组织对该交易的一个有效证明。
• 需要注意的是，对于相同的提案，不同的背书节点返回的回执结果可能不一样。导致结果不一样的情况可能原因有两种：一是每个背书节点持有的账本状态不一致，导致背书回执是基于不同的账本状态产生的。对于这种情况，我们只需要简单的请求一个最新回执即可；另外一个原因是由于背书节点链码的不确定性导致的。这种情况就会比较严重，因为不确定性是链码和账本的天敌。不确定性出现说明交易提案本身就有问题，而且很明显这种不一致的结果是不能写入到账本的。而且，每个单独的背书节点并不知道他们的回执具有不确定性，因此需要收集所有的回执并加以比较才能知道是否存在不确定性。关于更多的不确定性的讨论参加交易相关的文章。对于application来说，它在发现不一致的时候可以终止交易，实际上回执不一致的交易会在接下来的步骤中被拒绝掉。

步骤二：打包

打包操作由排序节点（Orderer）完成。所有application的交易在提案完成背书后，包含背书结果的回执会被发送到排序节点。因此，排序节点会收到来自所有application的各种背书提案，它会对所有交易进行排序然后打包发给所有的Peers（包括先前参与背书的Peer）。如下图所示：

• 图中，A1发送的交易T1包含了回执R1和背书E1 E2；A2发送的交易T2包含了回执R2和背书E1。这些交易咋排序节点中进行排序打包处理，形成一个块B2。
• 排序服务节点会同步收到不同application发送的很多交易，排序节点会对这些交易排序，然后打包成块。实际上，这些块接下来会发给所有Peer，并成为账本中的新块。在第三步中我们会看见这些块是怎么处理的。
• 需要注意的是，排序后的交易顺序并不和他们到达的顺序一致。排序后的交易顺序就是它们在链码上的执行顺序，交易之间应该是有严格的顺序的。
• 在其它的区块链中，同样的交易可能被打包到不同的块中。但是在超级账本的区块链中这是不允许的，因为一旦一个交易被写入到块中，它的位置也就不可篡改，交易历史也不能在未来被修改，以防止账本分叉（即，要保证一个交易的所有记录被写入到同一个块中。如果交易未完全结束，则等待它完全结束后再写入。防止不可预知的交易结果导致账本分叉）。
• 由此可见，Orderer只是对交易进行排序并打包。它本身不对交易进行验证，因此它和Peer节点不一样，它不包含账本和链码。

步骤三：验证

最后，打包后的交易会被分发到所有节点(Peer)。每个Peer节点会对打包的每一个交易进行验证，以确保每个交易都被相关节点背书，且背书回执是一致的。如果发现不一致，交易将会被审查并保留，不会被写入到账本中。如下图所示：

• Peer节点连接到排序服务，以确保有新的区块产生的时候能获得这个区块的拷贝。每个Peer会单独的处理新的区块。实际上它们的处理方式是一样的，这样确保了账本的一致性。需要注意的是，不是所有的Peer都会连接到Orderer节点。Peer节点可以通过GOSSIP将新的区块散布到网络的其它节点。
• 每个Peer都需要验证接收到的每个交易已经被正确的背书。不同的交易有不同的背书策略，需要不同的组织参与背书。Peer需要确保所有需要参与背书的Peer都参与了背书，并产生了同样的背书结果。
• 在验证成功后，Peer还需要确保当前账本的状态与交易产生是的账本状态是一致的。这就确保了更新后的账本与网络内的其它账本是一致的。因为它们都遵循相同的更新规则。
• 需要注意的是，验证阶段并不需要链码的参与，链码仅在第一步背书的时候用到。这使得参与背书的组织可以对它的背书链码保密。与之对应的是查询链码，它可以对通道内的所有Peer开放。
• 最后，每次Peer的账本更新后都会产生一个块事件。块事件包含了整个块的内容，包括块内的所有交易是否有效或者无效等；而块交易事件仅仅包含了一些摘要信息；除此之外，链码也可以在这个时候产生链码事件。application可以通过注册这些事件知道交易流程。

排序服务与共识

整个交易流程可以被称之为共识，因为所有的Peer在排序和交易内容上达成了一致。共识是通过多个步骤达成的，而application只是在共识完成后得到通知而已。排序服务本身也是一个很复杂的处理，但是这里我们简单的认为排序只是搜集、分发来自application的交易提案，而Peer负责验证并将交易更新到账本中。