基于以太坊的联盟链？Quorum机制初探（上）

导读：摩根大通的Quorum平台是区块链行业的关注热点（Quorum是由摩根大通最初在去年秋季公布的一种基于以太坊的区块链网络），并且摩根大通近期与零币电子货币公司（Zerocoin Electronic Coin Company）的合作更是引发热议。有专家称，这种将零知识密码学与Quorum相结合的举措，是区块链行业的一大进步，因为这样一来，以太坊将构建更适合的企业级解决方案，并推动区块链的企业应用。而摩根大通也将通过这个平台扩大市场占有率，保证自己的前沿地位。

本文作者：UniZhu 编辑：KC

目录

1. Quorum是什么？
2. Quorum的结构
3. Transaction

1. Quorum是什么？

Quorum 是由 J.P.Morgan 推出的企业级分布式账本平台。在以太坊的基础上，Quorum额外提供了联盟链的服务。在公有链方面，Quorum继承了以太坊的协议及其客户端Geth。

Quorum 和以太坊的主要区别：
- 提供了Transaction和Contract的私有化功能。
- 多种基于投票机制的共识方式。
- 网络与节点的权限管理。
- 更高的性能。

Quorum 的主要组件：
- Quorum Node (节点)
- Constellation - Transaction Manager (用于私有Transaction的管理)
- Constellation - Enclave (用于加解密私有Transaction的信息)

2. Quorum的结构

Quorum Node

Quorum 节点的设计主要沿袭以太坊的 geth。面对日益壮大的以太坊社区，Quorum 希望能借助以太坊越来越完善的节点设计。因此，未来每次 geth 的 release 版本 Quorum 都会针对性的做升级调整。

为了适配其企业级的联盟链功能，Quorum 同时还对 geth 做了部分调整：
1. 用其自己实现的基于投票机制的共识方式 “QuorumChain” 来代替原来的 “Proof of work” 。
1. 在原来无限制的P2P传输方式上增加了权限功能。使得P2P传输只能在互相允许的节点间传输。
1. 原来区块中的 “global state root” 被替换成了 “global public state root”。
1. 原来的 state 存储被分成了两部分，分别存储 public state 和 private state。
1. 修改区块校验逻辑使其能支持 private transaction。
1. Transaction 生成时支持 transaction 内容的替换。这个调整是为了能支持联盟中的私有交易。（后面的 Transaction Processing 章节会提到）

Constellation

Constellation 模块的主要职责是支持 private transaction。Constellation 由两部分组成：Transaction Manager 和 Enclave。Transaction Manager 用来管理和传递私有消息，Enclave 用来对私有消息的加解密。

Transaction Manager

在一次私有交易中，Transaction Manager 会存储私有交易的内容，并且会将这条私有交易内容与其他相关的 Transaction Manager 进行交互。同时它也会利用 Enclave 来加密或解密其收到的私有交易。

Enclave

在分布式账本中，密码学被广泛的运用在交易真实性校验，成员校验，历史信息追溯等方面。为了能更有效率的处理消息的加密与解密，Quorum 将这个功能单独拉出并命名为 Enclave 模块。Enclave 和 Transaction Manager 是一对一的关系。

3. Transaction

在 Quorum 中有两种交易类型，”Public Transaction” 和 “Privat Transaction”。在实际的交易中，这两种类型都采用了以太坊的 Transaction 模型，但是又做了部分修改。Quorum 在原有的以太坊 tx 模型基础上添加了一个新的 “privateFor” 字段。同时，针对一个 tx 类型的对象添加了一个新的方法 “IsPrivate”。用 “IsPrivate” 方法来判断 tx 是 public 还是 private，用 “privateFor” 来记录 tx 只有谁能查看。

Public Transaction

Public Transaction 的机理和以太坊一致。TX 中的交易内容能被链上的所有人访问到。

Private Transaction

Private Transaction 虽然被叫做 “Private”，但是在全网上也会出现与其相关的交易。只不过交易的明细只有与此交易有关系的成员才能访问到。在全网上看到的交易内容是一段hash值，当你是交易的相关人员时，你就能利用这个hash值，然后通过 Transaction Manager 和 Enclave 来获得这比交易的正确内容。这在 Transaction Processing 章节中会详细介绍。

Transaction Processing

Public Transaction的处理流程和以太坊的 TX 流程一致。TX 广播全网后，被矿工打包到区块中。节点收到区块并校验区块中的 TX 信息。然后根据 TX 信息更新本地的 State。

Private Transaction也会将 TX 广播至全网。但是它的 TX payload已经从原来的真实内容替换为一个hash值。这个hash值是由Transaction Manager提供的。

两者的区别可以参考下图：

在以太坊中，每个节点都会维护一份本地的 StateDB 来快速的查询一些信息。所有节点中的 StateDB 都会进行共识从而保证大家的数据一致。在Quorum中，因为Private TX的存在，这种设计就会出现问题。由于只有部分节点能接触真实的数据，那就导致了这部分节点的StateDB内容和其他节点会存在差异，最终无法达成共识。为了解决这个问题，Quorum将原来的StateDB分成两部分，Public State 和 Private State。Public State会进行全网的共识，Private State则只记录 Private Transaction 相关的信息。

Private Transaction Process Flow

Quorum中一个Private Transaction的详细流程可以参考下图：

在这个例子中，有一笔Transaction AB跟联盟A和联盟B相关，与联盟C的节点无关。

注：每个Party都有自己的公钥和私钥，Party内所有成员都有这对公私钥。

1. DAPP 将 TX 发送给PartyA的节点。节点收到 TX 后将上文提到的 privateFor 字段的值设置为包含PartyA和PartyB的public key的数组：["public_key_A", "public_key_B"]。
2. 节点将 TX 发送给其对应的 Transaction Manager。
3. Transaction Manager 呼叫与其关联的 Enclave，并要求 Enclave 加密这笔 TX。

4. PartyA 的 Enclave 校验获取到的PartyA私钥，如果确认通过则进行如下动作：
   i. 生成一个密钥（symmetric key）。
   ii. 用上一步生成的symmetric key来加密 TX 的内容。
   iii. 用SHA3-512来获取加密后的TX内容的hash值。
   iv. 将 i 生成的symmetric key用第一步中的public key数组的所有值加密，然后生成一个新的数组。新的数组的每个元素都是由 i 中的symmetric key用原来数组的public key加密生成：["key_encrypted_by_publickey_A", "key_encrypted_by_publickey_B"]
   v. 将 ii 生成的加密TX，iii 生成的hash值，iv 生成的加密后的数组返回给Transaction Manager。

5. PartA的Transaction Manager会把加密后的TX以及加密后的symmetric key保存到本地，并用从 Enclave 中获取的 hash 值作为索引。另外Transaction Manager会把hash值，加密后的TX，public_key_B加密的symmetric key这三项通过HTTPS发送给PartyB的Transaction Manager。PartyB的Tx Manager收到数据后，同样将加密后的TX和symmetric key保存到本地，并用收到的hash值作为索引。处理完后，PartyB的TX manager发送一个成功的回执给PartyA的TX manager。

6. PartyA的TX Manager收到成功回执后，将hash值返回给其对应的Quorum节点。节点收到hash值后，用这个hash值来替换原来TX的交易内容。（参考 Transaction Processing 章节的第一张图 ）同时，将TX的 V 值设置为 37 或者 38。37或38就是Private Transaction的标识。其他节点查询后发现 V 的值为37或38时，就会认定其为Private Transaction。

7. TX内容被替换后，TX就和Pbulic Transaction一样被节点通过P2P方式广播给整个网络。

8. 这条TX被某个区块收录到区块信息中。

9. 节点收到带这个TX的区块后，发现这个TX的 V 值为37或38。然后这个TX就被认定为Private Transaction，并将此TX的内容（也就是替换后的hash值）传给节点对应的Transaction Manager。

10. 因为PartyC的节点不在这个Private TX的范围内，所以其TX Manager无法在本地通过这个hash值找到对应的TX内容和symmetric key。然后TX Manager就会返回其节点一个 NotARecipient 回执。PartyC的节点收到这个回执后就不会更新其本地的Private State。对于PartyB的节点，其TX Manager通过这个hash值找到了本地存储的TX内容和symmetric key，但是由于这两个东西是被加密存储的，所以TX Manager将TX内容和symmetric key发送给其对应的 Enclave 进行解密。

11. PartyB的Enclave收到TX Manger发来的数据后，用PartyB的私钥Private Key来解密symmetric key。然后用解密后的symmetric key来解密TX的内容。解密完成后将正确的TX内容返回给TX Manager。

12. TX Manager收到解密的TX后通过EVM执行TX里面的内容。执行完成后将执行结果返回给Quorum节点，并更新Quorum节点的Private State。

END

后续内容：

• QuorumChain Consensus
• Raft Consensus
• Security & Network Permissioning

References：

Quorum Wiki

Quorum Github Main Page

Quorum Official Page