Fabric区块链架构说明

目录

1. 区块链核心特性................................. 3

2. 区块链系统架构................................. 4

3. 核心概念与组件................................. 7

3.1. 网络层相关组件........................... 8

3.2. 共识机制................................ 11

3.3. 权限管理................................ 12

1. 区块链核心特性

区块链核心特性有如下：

1. 解耦了原子排序环节与其他复杂处理环节，消除了网络处理瓶颈，提高可扩展性；
2. 解耦交易处理节点的逻辑角色为背书节点、确认节点，排序节点,CA节点，可以根据负载进行灵活部署；
3. 支持身份证书管理服务，有单独的区块链CA中心服务，提供更多证书功能；
4. 支持多通道特性，不同通道之间的数据彼此隔离，提高隔离安全性；
5. 支持可拔插的架构，包括共识、权限管理、加解密、账本机制都模块，支持多种类型；
6. 支持系统链码管理应用链码的区块链系统的处理，并且支持可编程和第三方实现。

1. 区块链系统架构

区块链整体架构

区块链为应用提供了gRPC API，以及封装API的SDK供应用调用。应用可以通过SDK访问区块链网络中的多种资源，包括账本、交易、链码、事件、权限管理等。应用开发者只需要跟这些资源打交道即可，无需关心如何实现。其中，账本是最核心的结构，记录应用信息，应用则通过发起交易来向账本中记录数据。交易执行的逻辑通过链码来承载。整个网络运行中发生的事件可以被应用访问，以触发外部流程甚至其他系统。权限管理则负责整个过程中的访问控制。账本和交易进一步地依赖核心的区块链结构、数据库、共识机制等技术；链码则依赖容器、状态机等技术；权限管理利用了已有的PKI体系、数字证书、加解密算法等诸多安全技术。底层由多个节点组成P2P网络，通过gRPC通道进行交互，利用Gossip协议进行同步。

层次化结构提高了架构的可扩展和可插拔性，方便开发者以模块为单位进行开发。

区块链根据交易过程中不同环节的功能，在逻辑上将节点角色解耦为背书节点（Endorser）和确认节点（Committer）、排序节点（Orderer），让不同类型节点可以关注处理不同类型的工作负载。区块链的交易处理过程如下图所示。

区块链的交易处理过程

在整个交易过程中，各个组件的功能主要为：

客户端（App）：客户端应用使用SDK接口与区块链网络打交道。首先，客户端从CA节点获取合法的身份证书来加入到网络内的应用通道。发起正式交易前，需要先构造交易提案（Proposal）提交给背书节点（Endorser）进行背书；客户端收集到足够（背书策略决定）的背书支持后可以利用背书构造一个合法的交易请求，发给排序节点（Orderer）进行排序处理。客户端还可以通过事件机制来监听网络中消息，来获知交易是否被成功接收。

背书节点（Endorser）：完成对交易提案的背书（目前主要是签名）处理。收到来自客户端的交易提案后，首先进行合法性和权限检查，检查通过则模拟运行交易，对交易导致的状态变化（以读写集形式记录，包括所读状态的键和版本，所写状态的键值）进行背书并返回结果给客户端。注意网络中可以只有部分节点担任背书节点（Endorser）角色。

确认节点（Committer）：负责维护区块链和账本结构（包括状态数据库、历史数据库、索引数据库等）。该节点会定期地从排序节点（Orderer）获取排序后的批量交易区块结构，对这些交易进行写入账本前的最终检查（包括交易消息结构、签名完整性、是否重复、读写集合版本是否匹配等）。检查通过后执行合法的交易，将结果写入账本，同时构造新的区块，更新区块中记录交易是否合法等信息。同一个物理节点可以仅作为确认节点（Committer）角色运行，也可以同时担任背书节点（Endorser）和确认节点（Committer）这两种角色。

排序节点（Orderer）：仅负责排序。为网络中所有合法交易进行全局排序，并将一批排序后的交易组合生成区块结构。排序节点（Orderer）一般不需要跟账本和交易内容直接打交道。

CA节点：负责网络中所有证书的管理（分发、撤销等），实现标准的PKI架构。主要代码在单独的区块链CA中心项目中。CA节点在签发证书后，自身不参与到网络中的交易过程。

1. 核心概念与组件

区块链采用了模块化功能设计，整体的功能模块结构如下图所示：

区块链核心组件

区块链面向不同的开发人员提供了不同层面的功能，自下而上可以分为三层：

1. 网络层：面向系统管理人员。实现P2P网络，提供底层构建区块链网络的基本能力，包括代表不同角色的节点和服务;
2. 共识机制和权限管理：面向联盟和组织的管理人员。基于网络层的连通，实现共识机制和权限管理，提供分布式账本的基础;
3. 业务层：面向业务应用开发人员。基于分布式账本，支持链码、交易等跟业务相关的功能模块，提供更高一层的应用开发支持。

下面介绍网络层相关组件的功能和作用。

1. 1. 网络层相关组件

网络层通过软、硬件设备，实现了对分布式账本结构的连通支持，包括节点、排序者、客户端等参与角色，还包括成员身份管理、Gossip协议等支持组件。

节点（Peer）的概念最早来自P2P分布式网络，意味着在网络中担任一定职能的服务或软件。节点功能可能是对等一致的，也可能是分工合作的。在区块链网络中，节点（Peer）意味着在网络中负责接受交易请求、维护一致账本的各个节点实例。这些实例可能运行在裸机、虚拟机甚至容器中。节点之间彼此通过gRPC消息进行通信。按照功能角色划分，节点（Peer）可以包括两种类型：

背书节点（Endorser）：负责对来自客户端的交易提案进行检查和背书；

确认节点（Committer）：负责检查交易请求，执行交易并维护区块链和账本结构；

这些角色是功能上的划分，彼此并不相互排斥。一般情况下，网络中所有节点都具备确认（Committer）功能；部分节点具有背书（Endorser）功能。

排序节点（Orderer），负责对所收到的交易在网络中进行全局排序，维持了一个gRPC的双向通道。排序节点（Orderer）可以支持多通道。不同通道之间彼此隔离，通道内交易相关信息将仅发往加入到通道内的节点，从而提高隐私性和安全性。在目前的设计中，所有的交易信息都会从排序节点（Orderer）经过，因此，排序节点（Orderer）在网络中必须处于可靠、可信的地位。

从功能上看，排序节点（Orderer）的目的是对网络中的交易分配全局唯一的序号，实际上并不需要交易相关的具体数据内容。因此为了进一步提高隐私性，发往排序节点（Orderer）的可以不是完整的交易数据，而是部分信息，比如交易加密处理后的结果，或者仅仅是交易的Hash值、Id信息等。这些改进设计会降低对排序节点（Orderer）可靠性和安全性的需求。

客户端是用户和应用跟区块链网络打交道的桥梁。客户端主要包括两大职能：

1. 操作区块链网络：包括更新网络配置、启停节点等；
2. 操作运行在网络中的链码：包括安装、实例化、发起交易调用链码等。

这些操作需要跟节点和排序节点打交道。特别是链码实例化、交易等涉及到共识的操作，需要跟排序节点交互。网络中的节点和排序节点等节点则对应提供了gRPC远程服务访问接口，供客户端进行调用。

CA节点负责对区块链网络中的成员身份进行管理。区块链网络目前采用数字证书机制来实现对身份的鉴别和权限控制，CA节点则实现了PKI服务，主要负责对身份证书进行管理，包括生成、撤销等。需要注意的是，CA节点可以提前签发身份证书，发送给对应的成员实体，这些实体在部署证书后即可访问网络中的各项资源。后续访问过程中，实体无须再次向CA节点进行请求。因此，CA节点的处理过程跟网络中交易的处理过程是完全解耦开的，不会造成性能瓶颈。

区块链网络中的节点之间通过Gossip协议来进行状态同步和数据分发。Gossip协议是P2P领域的常见协议，用于进行网络内多个节点之间的数据分发或信息交换。由于其设计简单，容易实现，同时容错性比较高，而被广泛应用到了许多分布式系统。Gossip协议的基本思想十分简单，数据发送方从网络中随机选取若干节点，将数据发送过去；接收方重复这一过程（往往只选择发送方之外节点进行传播）。这一过程持续下去，网络中所有节点最终（时间复杂度为节点总个数的对数）都会达到一致。数据传输的方向可以是发送方发送或获取方拉取。

在区块链网络中，节点会定期地利用Gossip协议发送它看到的账本的最新的数据，并对发送消息进行签名认证。通过使用该协议，主要实现如下功能：

1. 通道内成员的探测：新加入通道的节点可以获知其他节点的信息，并发送信息宣布在线；离线节点经过一段时间后可以被其他节点感知。
2. 节点之间同步数据：多个节点之间彼此同步数据，保持一致性。另外，Leader节点从排序节点拉取区块数据后，也可以通过Gossip传播给通道内其他、节点，Leader节点是某一组织里负责与排序节点交互的节点。
   1. 共识机制

区块链共识的过程如下：

第一步，客户端Client构造交易提案

客户端利用SDK接口构造一个交易提案，该交易提案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，客户端将交易提案发送给一个或多个节点，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，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，发送给排序节点。

第四步，排序节点共识排序，生成新区块，提交交易

排序节点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，调用投递消息，发送给确认节点。

确认节点收到区块后，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。

1. 1. 权限管理

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。