Fabric架构&原理总结

一、总体架构

这个架构参考关注在三个类别中：会员(Membership)，区块链(Blockchan)和链码(chaincode)。这些类别是逻辑结构，而不是物理上的把不同的组件分割到独立的进程，地址空间，(虚拟)机器中。

以上是Fabric核心组件，分成三大部分：成员、区块链和交易、链码（智能合约）。

1、成员服务 

包含下列组件：注册、身份认证管理及审计。

成员服务通过公钥基础设施(Public Key Infrastructure (PKI))和去中心化的/共识技术使得不带权限的区块链变成带权限的区块链。成员必须被许可才能加入网络，通过实体注册来获得长时间的，可能根据实体类型生成的身份凭证(登记证书enrollment certificates)。在用户使用过程中，这样的证书允许交易证书颁发机构(Transaction Certificate Authority (TCA))颁发匿名证书。交易证书被用来对提交交易授权。交易证书存储在区块链中，并对审计集群授权，否则交易是不可链接的。

2、区块链服务

包含下列组件：共识管理、分布式账本、点对点网络和分类存储

区块链服务通过HTTP/2上的点对点(peer-to-peer)协议来管理分布式总账。为了提供最高效的哈希算法来维护世界状态的复制，数据结构进行了高度的优化。每个部署中可以插入和配置不同的共识算法(PBFT, Raft, PoW, PoS)。

3、链码服务

包含下列组件：安全容器 、安全注册中心

Fabric的智能合约smart contract称为链码chaincode，是一段代码，它处理网络成员所同意的业务逻辑。

链码可采用Go、Java、Node.js语言编写。链码被编译成一个独立的应用程序，fabric用Docker容器来运行chaincode，里面的base镜像都是经过签名验证的安全镜像，包括OS层和开发chaincode的语言、runtime和SDK层。一旦chaincode容器被启动，它就会通过gRPC与启动这个chaincode的Peer节点连接。

4、账本

账本Ledger主要包含两块：blockchain和state。blockchain就是一系列连在一起的block，用来记录历史交易。state对应账本的当前最新状态，它是一个key-value数据库，Fabric默认采用Level DB, 可以替换成其他的Key-value数据库，如Couch DB。

5、交易

Fabric上的transction交易分两种，部署和调用。

部署：

把Chaincode部署到peer节点上并准备好被调用，当一个部署交易成功执行时，Chaincode就被部署到各个peer节点上。好比把一个web service或者EJB部署到应用服务器上的不同实例上。

调用：

客户端应用程序通过Fabric提供的API调用先前已部署好的某个chaincode的某个函数执行交易，并相应地读取和写入KV数据库，返回是否成功或者失败。

6、APIs, Events, SDKs

Fabric提供API方便应用开发，对服务端的ChainCode，目前支持用Go、Java或者Node.js开发。对客户端应用，Fabric目前提供Node.js和Java SDK。未来计划提供Python 和Go SDK，Fabric还提供RESTAPI。对于开发者，还可以通过CLI快速去测试chaincode，或者去查询交易状态。在区块链网络里，节点和chaincode会发送events来触发一些监听动作，方便与其他外部系统的集成。

二、Fabric 1.0应用开发流程

如下图所示，开发者创建客户端应用和智能合约（chaincode），Chaincode被部署到区块链网络的Peer节点上面。通过chaincode来操作账本，当你调用一个交易transaction时，你实际上是在调用Chaincode中的一个函数方法，它实现业务逻辑，并对账本进行get, put, delete操作。客户端应用提供用户交互界面，并提交交易到区块链网络上。

三、Fabric网络

节点是区块链的通信实体，节点是一个逻辑概念，不同类型的节点可以运行在同一台物理服务器上。这些节点可能部署在云上面或者本地。可能来自不同的公司或者组织。在区块链网络中有两种类型的节点：Peer节点和Orderer节点，如下图所示。

Peer节点：chaincode部署在Peer节点上，它对账本进行读写操作。一个Peer节点可以充当多种角色，如背书者endorser,提交者committer。一个区块链网络中会有多个Peer节点。

Orderer节点：对交易进行排序，批量打包，生成区块，发给Peer节点。一个区块链网络中会有多个Orderer节点，它们共同提供排序服务。排序服务可以别实现为多种不同的方式，从一个中心化的服务（被用于开发和测试，如Solo）,到分布式协议（如Kafka）。

排序服务提供了通向客户端和Peer节点的共享通信通道。提供了包含交易的消息广播服务（broadcast和deliver）。客户端可以通过这个通道向所有的节点广播（broadcast）消息。通道可以向连接到该通道的节点投递(deliver)消息。

排序服务支持多通道，类似于发布/订阅消息系统中的主题topic。客户端和Peer节点可以连接到一个给点的通道，并通过给定的通道发送和接收消息。多通道使得Peer节点可以基于应用访问控制策略来订阅任意数量的通道;也就是说，应用程序在指定Peer节点的子集中架设通道。这些peer组成提交到该通道交易的相关者集合，而且只有这些peer可以接收包含相关交易的区块，与其他交易完全隔离，实现数据隔离和保密。

此外，peers的子集将这些私有块提交到不同的账本上，允许它们保护这些私有交易，与其他peers子集的账本隔离开来。应用程序根据业务逻辑决定将交易发送到1个或多个通道。

 

例如，如上图所示，peer 1,2和N订阅红色通道，并共同维护红色账本; peer 1和N订阅蓝色通道并维护蓝色账本;类似地，peer 2和peer N在黑色通道上并维护黑色账本。

在这个例子中，peer N在订阅了所有通道，我们看到每个通道都有一个相关的账本。一般来说，我们称不涉及所有peer的账本为子账本，另一种是系统账本，即全账本。

Fabric 1.0交易流程

第一步，客户端Client构造交易提案

client利用SDK（Node.js\java..）构造一个交易提案propose，该propose包含调用智能合约功能函数请求，用来确认哪些数据可以读取或者写入账本，client将交易提案propose发送给一个或多个peer节点，交易提案包含本次交易要调用的合约标识、合约方法和参数信息以及客户端签名等。

SDK将交易提案打包为可识别的格式（如gRPC上的protocolbuffer），并使用用户的加密凭证为该交易提案生成唯一的签名。

第二步，背书节点模拟执行交易

背书节点endorser收到交易提案后，验证签名并确定提交者是否有权执行操作。背书节点将交易提案的参数作为输入，在当前状态KV数据库上执行交易，生成包含执行返回值、读操作集合和写操作集合的交易结果（此时不会更新账本），这些值的集合、背书节点的签名和背书结果（YES / NO）作为提案的结果返回给客户端SDK，SDK解析这些信息判断是否应用于后续的交易。

第三步，客户端把交易发送到共识服务节点

应用程序（SDK）验证背书节点签名，并比较各节点返回的提案结果，判断提案结果是否一致以及是否参照指定的背书策略执行。客户端收到各个背书节点的应答后，打包到一起组成一个交易并签名，发送给Orderers。

第四步，orderer节点共识排序，生成新区块，提交交易

Orderers对接收到的交易进行共识排序，然后按照区块生成策略，将一批交易打包到一起，生成新的区块，调用deliver API投递消息，发送给提交节点。

提交节点收到区块后，会对区块中的每笔交易进行校验，检查交易依赖的输入输出是否符合当前区块链的状态，完成后将区块追加到本地的区块链，并修改K-V状态数据库。

 

Fabric 1.0优势总结

完备的权限控制和安全保障

成员必须被许可才能加入网络，通过证书，加密，签名等手段保证安全。通过多通道功能，保证只有参与交易的节点能访问到数据，其他的节点看不到。满足数据保护方面的法律法规要求。如有些行业，需要知道谁访问了特定的数据。

模块化设计，可插拔架构

如状态数据库可采用Level DB或者Couch DB，或其他的key-value数据库。

身份管理（identity management）可以采用自己的。共识机制和加密算法也是可插拔的，可以根据实际情况选择替换。

高性能，可扩展，较低的信任要求

Fabric采用模块化架构把交易处理划分为3个阶段：通过Chaincode进行分布式业务逻辑处理和协商（endorsers）；交易排序(orderders)；交易的验证和提交(committers)。这样划分带来的好处：不同的阶段由不同的节点（角色endorsers, orderders, committers）参与，不需要全网的节点都参与。网络的性能和扩展性得到优化。Peer节点和Orderder节点可以独立扩展，并可以动态增加。

因为只有endorsers和committers能真正交易的内容。只需要较低的信任要求就可以保证安全。

在不可更改的分布式账本上提供丰富的查询功能

可以在Level DB上进行按key查询，按复合KEY查询，按KEY的范围查询。如果采用Couch DB，Couch DB是文档数据库，数据是JSON格式的。除了支持按key查询，按复合KEY查询，按KEY的范围查询外，还支持全文搜索。