java实现区块链联盟链中的PBFT拜占庭算法中节点加入view同步及共识过程

前言

在联盟链中，联盟各个节点往往都来自同一行业，有着共同的行业困扰和痛点，因此联盟链往往注重对实际问题的高效解决。而 公链中PoW 算法相对低效且费时费力，因此在联盟链中并不适用。相反在公链中很小适用的PBFT 算法在联盟链中却有用武之地。因此我们来研究研究。

一、PBFT是什么，先看看原理？

PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)共识算法可以在少数节点作恶(如伪造消息)场景中达成共识，它采用签名、签名验证、哈希等密码学算法确保消息传递过程中的防篡改性、防伪造性、不可抵赖性，并优化了前人工作，将拜占庭容错算法复杂度从指数级降低到多项式级别，在一个由(3f+1)个节点构成的系统中，只要有不少于(2f+1)个非恶意节点正常工作，该系统就能达成一致性，如：7个节点的系统中允许2个节点出现拜占庭错误。FISCO BCOS区块链系统实现了PBFT共识算法。

节点类型

Leader/Primary: 共识节点，负责将交易打包成区块和区块共识，每轮共识过程中有且仅有一个leader，为了防止leader伪造区块，每轮PBFT共识后，均会切换leader；
Replica: 副本节点，负责区块共识，每轮共识过程中有多个Replica节点，每个Replica节点的处理过程类似；
Observer: 观察者节点，负责从共识节点或副本节点获取最新区块，执行并验证区块执行结果后，将产生的区块上链。

节点ID && 节点索引

为了防止节点作恶，PBFT共识过程中每个共识节点均对其发送的消息进行签名，对收到的消息包进行验签名，因此每个节点均维护一份公私钥对，私钥用于对发送的消息进行签名，公钥作为节点ID，用于标识和验签。

节点ID : 共识节点签名公钥和共识节点唯一标识, 一般是64字节二进制串，其他节点使用消息包发送者的节点ID对消息包进行验签

考虑到节点ID很长，在共识消息中包含该字段会耗费部分网络带宽，FISCO BCOS引入了节点索引，每个共识节点维护一份公共的共识节点列表，节点索引记录了每个共识节点ID在这个列表中的位置，发送网络消息包时，只需要带上节点索引，其他节点即可以从公共的共识节点列表中索引出节点的ID，进而对消息进行验签:

节点索引 : 每个共识节点ID在这个公共节点ID列表中的位置

视图(view)

PBFT共识算法使用视图view记录每个节点的共识状态，相同视图节点维护相同的Leader和Replicas节点列表。当Leader出现故障，会发生视图切换，若视图切换成功(至少2*f+1个节点达到相同视图)，则根据新的视图选出新leader，新leader开始出块，否则继续进行视图切换，直至全网大部分节点(大于等于2*f+1)达到一致视图。

FISCO BCOS系统中，leader索引的计算公式如下：

leader_idx = (view + block_number) % node_num

下图简单展示了4(3*f+1, f=1)节点FISCO BCOS系统中，第三个节点(node3)为拜占庭节点情况下，视图切换过程：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5tfcbfUl-1609921746957)(…/…/…/images/consensus/pbft_view.png)]

• 前三轮共识： node0、node1、node2为leader，且非恶意节点数目等于2*f+1，节点正常出块共识；

• 第四轮共识：node3为leader，但node3为拜占庭节点，node0-node2在给定时间内未收到node3打包的区块，触发视图切换，试图切换到view_new=view+1的新视图，并相互间广播viewchange包，节点收集满在视图view_new上的(2*f+1)个viewchange包后，将自己的view切换为view_new，并计算出新leader；

• 为第五轮共识：node0为leader，继续打包出块。

共识消息

PBFT模块主要包括PrepareReq、SignReq、CommitReq和ViewChangeReq四种共识消息：

• PrepareReqPacket: 包含区块的请求包，由leader产生并向所有Replica节点广播，Replica节点收到Prepare包后，验证PrepareReq签名、执行区块并缓存区块执行结果，达到防止拜占庭节点作恶、保证区块执行结果的最终确定性的目的；

• SignReqPacket: 带有区块执行结果的签名请求，由收到Prepare包并执行完区块的共识节点产生，SignReq请求带有执行后区块的hash以及该hash的签名，分别记为SignReq.block_hash和SignReq.sig，节点将SignReq广播到所有其他共识节点后，其他节点对SignReq(即区块执行结果)进行共识；

• CommitReqPacket: 用于确认区块执行结果的提交请求，由收集满(2*f+1)个block_hash相同且来自不同节点SignReq请求的节点产生，CommitReq被广播给所有其他共识节点，其他节点收集满(2*f+1)个block_hash相同、来自不同节点的CommitReq后，将本地节点缓存的最新区块上链；

• ViewChangeReqPacket: 视图切换请求，当leader无法提供正常服务(如网络连接不正常、服务器宕机等)时, 其他共识节点会主动触发视图切换，ViewChangeReq中带有该节点即将切换到的视图(记为toView，为当前视图加一)，某节点收集满(2*f+1)个视图等于toView、来自不同节点的ViewChangeReq后，会将当前视图切换为toView。

这四类消息包包含的字段大致相同，所有消息包共有的字段如下：

字段名	字段含义
字段名	字段含义
idx	当前节点索引
packetType	请求包类型(包括PrepareReqPacket/SignReqPacket/CommitReqPacket/ViewChangeReqPacket)
height	当前正在处理的区块高度(一般是本地区块高度加一)
blockHash	当前正在处理的区块哈希
view	当前节点所处的视图
sig	当前节点对blockHash的签名

PrepareReqPacket类型消息包包含了正在处理的区块信息:

消息包类型	字段名	字段含义
PrepareReqPacket	block	所有共识节点正在共识的区块数据

核心流程

PBFT共识主要包括Pre-prepare、Prepare和Commit三个阶段：

• Pre-prepare：负责执行区块，产生签名包，并将签名包广播给所有共识节点；
• Prepare：负责收集签名包，某节点收集满2*f+1的签名包后，表明自身达到可以提交区块的状态，开始广播Commit包；
• Commit：负责收集Commit包，某节点收集满2*f+1的Commit包后，直接将本地缓存的最新区块提交到数据库。

下图详细介绍了PBFT各个阶段的具体流程：

leader打包区块

PBFT共识算法中，共识节点轮流出块，每一轮共识仅有一个leader打包区块，leader索引通过公式(block_number + current_view) % consensus_node_num计算得出。

节点计算当前leader索引与自己索引相同后，就开始打包区块。区块打包主要由PBFTSealer线程完成，Sealer线程的主要工作如下图所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wJKt3aJ1-1609921746961)(…/…/…/images/consensus/sealer.png)]

• 产生新的空块: 通过区块链(BlockChain)获取当前最高块，并基于最高块产生新空块(将新区块父哈希置为最高块哈希，时间戳置为当前时间，交易清空)；

• 从交易池打包交易: 产生新空块后，从交易池中获取交易，并将获取的交易插入到产生的新区块中；

• 组装新区块: Sealer线程打包到交易后，将新区块的打包者(Sealer字段)置为自己索引，并根据打包的交易计算出所有交易的transactionRoot；

• 产生Prepare包: 将组装的新区块编码到Prepare包内，通过PBFTEngine线程广播给组内所有共识节点，其他共识节点收到Prepare包后，开始进行三阶段共识。

pre-prepare阶段

共识节点收到Prepare包后，进入pre-prepare阶段，此阶段的主要工作流程包括：

• Prepare包合法性判断：主要判断是否是重复的Prepare包、Prepare请求中包含的区块父哈希是否是当前节点最高块哈希(防止分叉)、Prepare请求中包含区块的块高是否等于最高块高加一；

• 缓存合法的Prepare包: 若Prepare请求合法，则将其缓存到本地，用于过滤重复的Prepare请求；

• 空块判断：若Prepare请求包含的区块中交易数目是0，则触发空块视图切换，将当前视图加一，并向所有其他节点广播视图切换请求；

• 执行区块并缓存区块执行结果: 若Prepare请求包含的区块中交易数目大于0，则调用BlockVerifier区块执行器执行区块，并缓存执行后的区块；

• 产生并广播签名包：基于执行后的区块哈希，产生并广播签名包，表明本节点已经完成区块执行和验证。

Prepare阶段

共识节点收到签名包后，进入Prepare阶段，此阶段的主要工作流程包括：

• 签名包合法性判断：主要判断签名包的哈希与pre-prepare阶段缓存的执行后的区块哈希相同，若不相同，则继续判断该请求是否属于未来块签名请求(产生未来块的原因是本节点处理性能低于其他节点，还在进行上一轮共识，判断未来块的条件是：签名包的height字段大于本地最高块高加一)，若请求也非未来块，则是非法的签名请求，节点直接拒绝该签名请求；

• 缓存合法的签名包：节点会缓存合法的签名包；

• 判断pre-prepare阶段缓存的区块对应的签名包缓存是否达到2*f+1，若收集满签名包，广播Commit包：若pre-prepare阶段缓存的区块哈希对应的签名包数目超过2*f+1，则说明大多数节点均执行了该区块，并且执行结果一致，说明本节点已经达到可以提交区块的状态，开始广播Commit包；

• 若收集满签名包，备份pre-prepare阶段缓存的Prepare包落盘：为了防止Commit阶段区块未提交到数据库之前超过2*f+1个节点宕机，这些节点启动后重新出块，导致区块链分叉(剩余的节点最新区块与这些节点最高区块不同)，还需要备份pre-prepare阶段缓存的Prepare包到数据库，节点重启后，优先处理备份的Prepare包。

Commit阶段

共识节点收到Commit包后，进入Commit阶段，此阶段工作流程包括：

• Commit包合法性判断：主要判断Commit包的哈希与pre-prepare阶段缓存的执行后的区块哈希相同，若不相同，则继续判断该请求是否属于未来块Commit请求(产生未来块的原因是本节点处理性能低于其他节点，还在进行上一轮共识，判断未来块的条件是：Commit的height字段大于本地最高块高加一)，若请求也非未来块，则是非法的Commit请求，节点直接拒绝该请求；

• 缓存合法的Commit包：节点缓存合法的Commit包；

• 判断pre-prepare阶段缓存的区块对应的Commit包缓存是否达到2*f+1，若收集满Commit包，则将新区块落盘：若pre-prepare阶段缓存的区块哈希对应的Commit请求数目超过2*f+1，则说明大多数节点达到了可提交该区块状态，且执行结果一致，则调用BlockChain模块将pre-prepare阶段缓存的区块写入数据库；

视图切换处理流程

当PBFT三阶段共识超时或节点收到空块时，PBFTEngine会试图切换到更高的视图(将要切换到的视图toView加一)，并触发ViewChange处理流程；节点收到ViewChange包时，也会触发ViewChange处理流程：

• 判断ViewChange包是否有效: 有效的ViewChange请求中带有的块高值必须不小于当前节点最高块高，视图必须大于当前节点视图；

• 缓存有效ViewChange包： 防止相同的ViewChange请求被处理多次，也作为判断节点是否可以切换视图的统计依据；

• 收集ViewChange包：若收到的ViewChange包中附带的view等于本节点的即将切换到的视图toView且本节点收集满2*f+1来自不同节点view等于toView的ViewChange包，则说明超过三分之二的节点要切换到toView视图，切换当前视图到toView。

上述内容参考； https://fisco-bcos-documentation.readthedocs.io/zh_CN/latest/docs/design/consensus/pbft.html

二、了解了原理，我们自己动手来写

1.引入maven依赖

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         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
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        <dependency>
            <groupId>org.iq80.leveldbgroupId>
            <artifactId>leveldbartifactId>
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            <groupId>org.iq80.leveldbgroupId>
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            <groupId>cn.hutoolgroupId>
            <artifactId>hutool-allartifactId>
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            <groupId>org.t-iogroupId>
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            <groupId>com.google.guavagroupId>
            <artifactId>guavaartifactId>
            <version>28.2-jreversion>
        dependency>


    dependencies>


project>

2.核心代码

package com.larryxiang.dao.node;

import cn.hutool.crypto.asymmetric.RSA;
import lombok.Data;

/**

 * @author: larry.xiang
 * @description: 结点自身的信息
 */
@Data
public class Node extends NodeBasicInfo {
     


    private static Node node = new Node();

    /**
     * 单例设计模式
     *
     * @return
     */
    public static Node getInstance() {
     
        return node;
    }

    private Node() {
     
        RSA rsa = new RSA();
        this.setPrivateKey(rsa.getPrivateKeyBase64());
        this.setPublicKey(rsa.getPublicKeyBase64());
    }


    /**
     * 判断结点是否运行
     */
    private boolean isRun = false;

    /**
     * 视图状态，判断是否ok，
     */
    private volatile boolean viewOK;

    /**
     * 公钥
     */
    private String publicKey;
    /**
     * 私钥
     */
    private String privateKey;
}

package com.larryxiang.dao.node;

import lombok.Data;

/**

 * @author: larry.xiang
 * @description: nodeAddress里面保存了结点的通信地址
 */
@Data
public class NodeAddress {
     
    /**
     * ip地址
     */
    private String ip;
    /**
     * 通信地址的端口号
     */
    private int port;

}

package com.larryxiang.dao.node;

import lombok.Data;

/**
 * @author: larry.xiang
 * @description: 结点节本信息
 */
@Data
public class NodeBasicInfo {
     
    /**
     * 结点地址的信息
     */
    private NodeAddress address;
    /**
     * 这个代表了结点的序号
     */
    private int index;

}

package com.larryxiang.dao.pbft;

import com.larryxiang.dao.bean.DbDao;
import com.google.common.collect.Sets;
import com.google.common.util.concurrent.AtomicLongMap;
import lombok.Data;

import java.util.Set;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

/**

 * @author: larry.xiang
 * @description: 这个是进行PBFT算法保存的消息
 * 使用单例模式进行设计
 */
@Data
public class MsgCollection {
     

    private static MsgCollection msgCollection = new MsgCollection();

    /**
     * 空的构造方法
     */
    private MsgCollection() {
     
    }

    public static MsgCollection getInstance() {
     
        return msgCollection;
    }

    /**
     * 进行处理的消息队列，don‘t care about what is , just get it ！！
     */
    private BlockingQueue<PbftMsg> msgQueue = new LinkedBlockingQueue<PbftMsg>();

    /**
     * 这个是在初始化视图的时候会用到
     */
    private AtomicLongMap<Integer> viewNumCount = AtomicLongMap.create();

    /**
     * 参与认证的节点
     */
    private CopyOnWriteArrayList<DbDao> dbDaos = new CopyOnWriteArrayList<DbDao>();
    /**
     * 不赞同视图的数量
     */
    private AtomicLong disagreeViewNum = new AtomicLong();


    /**
     * 预准备阶段
     */
    private Set<String> votePrePrepare = Sets.newConcurrentHashSet();

    /**
     * 准备阶段
     */
    private AtomicLongMap<String> agreePrepare = AtomicLongMap.create();

    /**
     * commit阶段
     */
    private AtomicLongMap<String> agreeCommit = AtomicLongMap.create();


}

package com.larryxiang.dao.pbft;
/**

 * @author: larry.xiang
 * @description: 消息类型
 */
public class MsgType {
     
    /**
     * 请求视图
     */
    public static final int GET_VIEW = -1;

    /**
     * 变更视图
     */
    public static final int CHANGE_VIEW = 0;

    /**
     * 预准备阶段
     */
    public static final int PRE_PREPARE = 1;

    /**
     * 准备阶段
     */
    public static final int PREPARE = 2;

    /**
     * 提交阶段
     */
    public static final int COMMIT = 3;

    /**
     * ip消息回复回复阶段
     */
    public static final int CLIENT_REPLAY = 4;
}

package com.larryxiang.dao.pbft;

import cn.hutool.core.util.IdUtil;
import com.larryxiang.config.AllNodeCommonMsg;
import lombok.Data;

import java.util.Objects;

/**

 * @author: larry.xiang
 * @description: 进行Pbft发送的消息、
 */
@Data
public class PbftMsg {
     
    /**
     * 消息类型
     */
    private int msgType;

    /**
     * 消息发起的结点编号
     */
    private int node;

    /**
     * 消息发送的目的地
     */
    private int toNode;

    /**
     * 消息时间戳
     */
    private long time;

    /**
     * 消息体
     */
    private String body;

    /**
     * 检测是否通过
     */
    private boolean isOk;

    /**
     * 结点视图
     */
    private int viewNum;

    /**
     * 使用UUID进行生成
     */
    private String id;

    /**
     * 消息的签名
     */
    private String sign;

    private PbftMsg() {
     
    }

    public PbftMsg(int msgType, int node) {
     
        this.msgType = msgType;
        this.node = node;
        this.time = System.currentTimeMillis();
        this.id = IdUtil.randomUUID();
        this.viewNum = AllNodeCommonMsg.view;
    }


    @Override
    public boolean equals(Object o) {
     
        if (this == o) {
     
            return true;
        }
        if (!(o instanceof PbftMsg)) {
     
            return false;
        }
        PbftMsg msg = (PbftMsg) o;
        return getMsgType() == msg.getMsgType() &&
                getNode() == msg.getNode() &&
                getToNode() == msg.getToNode() &&
                getTime() == msg.getTime() &&
                isOk() == msg.isOk() &&
                getViewNum() == msg.getViewNum() &&
                Objects.equals(getBody(), msg.getBody()) &&
                Objects.equals(getId(), msg.getId());
    }

    @Override
    public int hashCode() {
     
        return Objects.hash(getMsgType(), getBody(), getNode(), getToNode(), getTime(),  getViewNum(), getId());
    }
}

package com.larryxiang.p2p.client;

import com.larryxiang.config.AllNodeCommonMsg;
import com.larryxiang.dao.node.Node;
import com.larryxiang.dao.pbft.MsgCollection;
import com.larryxiang.dao.pbft.MsgType;
import com.larryxiang.dao.pbft.PbftMsg;
import com.larryxiang.util.ClientUtil;
import com.larryxiang.util.MsgUtil;
import com.larryxiang.util.PbftUtil;
import com.larryxiang.util.TestUtil;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.tio.core.ChannelContext;

/**

 * @author: larry.xiang
 * @description: 当client接受到消息时，会在这里进行处理
 */
@Slf4j
public class ClientAction {
     
    private MsgCollection collection = MsgCollection.getInstance();
    private Node node = Node.getInstance();

    /**
     * 使用单例设计模式
     */
    private static ClientAction action = new ClientAction();

    public static ClientAction getInstance() {
     
        return action;
    }

    private ClientAction() {
     
    }

    /**
     * 对消息进行处理
     *
     * @param channelContext
     */
    public void doAction(ChannelContext channelContext) {
     
        try {
     
            PbftMsg msg = collection.getMsgQueue().take();

            // 当视图还未好的时候，不处理非视图事务
            if (!node.isViewOK() && msg.getMsgType() != MsgType.GET_VIEW && msg.getMsgType() != MsgType.CHANGE_VIEW) {
     
                collection.getMsgQueue().put(msg);
                return;
            }
            switch (msg.getMsgType()) {
     
                case MsgType.GET_VIEW:
                    getView(msg);
                    break;
                case MsgType.CHANGE_VIEW:
                    onChangeView(msg);
                    break;
                case MsgType.PREPARE:
                    prepare(msg);
                    break;
                case MsgType.COMMIT:
                    commit(msg);
                default:
                    break;
            }
        } catch (InterruptedException e) {
     
            log.debug(String.format("消息队列take错误：%s", e.getMessage()));
        }
    }

    /**
     * 提交commit
     *
     * @param msg
     */
    private void commit(PbftMsg msg) {
     
        ClientUtil.clientPublish(msg);
    }

    /**
     * 向所有节点发送prepare消息
     *
     * @param msg
     */
    private void prepare(PbftMsg msg) {
     
        ClientUtil.clientPublish(msg);
    }

    /**
     * 发送重新选举的消息
     */
    private void onChangeView(PbftMsg msg) {
     
        // view进行加1处理
        int viewNum = AllNodeCommonMsg.view + 1;
        msg.setViewNum(viewNum);
        ClientUtil.clientPublish(msg);
    }

    /**
     * 获得view
     *
     * @param msg
     */
    synchronized private void getView(PbftMsg msg) {
     
        int fromNode = msg.getNode();
        if (node.isViewOK()) {
     
            return;
        }

        if (!MsgUtil.isRealMsg(msg) || !msg.isOk()) {
     
            long count = collection.getDisagreeViewNum().incrementAndGet();
            if (count >= AllNodeCommonMsg.getMaxf()) {
     
                log.info("视图获取失败");
                //程序结束记录时间
                TestUtil.endTime = System.currentTimeMillis();
                long totalTime = TestUtil.endTime - TestUtil.startTime;
                TestUtil.writeBadTime(totalTime, Node.getInstance().getIndex());
                System.exit(0);
            }
            return;
        }
        // 将消息添加到list中
        // DbUtil.addDaotoList(fromNode,msg);

        long count = collection.getViewNumCount().incrementAndGet(msg.getViewNum());
        if (count >= AllNodeCommonMsg.getAgreeNum() && !node.isViewOK()) {
     
            // 将节点认证消息保存
            // DbUtil.save();

            collection.getViewNumCount().clear();
            //程序结束记录时间
            TestUtil.endTime = System.currentTimeMillis();
            //总消耗时间
            long totalTime = TestUtil.endTime - TestUtil.startTime;
            node.setViewOK(true);
            AllNodeCommonMsg.view = msg.getViewNum();
            log.info("视图初始化完成OK");
            // 将节点写入文件
            PbftUtil.writeIpToFile(node);
            TestUtil.writeOkTime(totalTime, Node.getInstance().getIndex());
            ClientUtil.publishIpPort(node.getIndex(), node.getAddress().getIp(), node.getAddress().getPort());
        }
    }

}

package com.larryxiang.p2p.client;

import com.larryxiang.dao.pbft.MsgType;
import com.alibaba.fastjson.JSON;
import com.larryxiang.dao.pbft.MsgCollection;
import com.larryxiang.util.MsgUtil;
import com.larryxiang.dao.pbft.PbftMsg;
import com.larryxiang.p2p.common.MsgPacket;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.tio.client.intf.ClientAioHandler;
import org.tio.core.ChannelContext;
import org.tio.core.TioConfig;
import org.tio.core.exception.AioDecodeException;
import org.tio.core.intf.Packet;

import java.nio.ByteBuffer;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

/**

 * @author: larry.xiang
 * @description: 客户端处理
 */
@Slf4j
public class P2pClientAioHandler implements ClientAioHandler {
     
    /**
     * this is heart packet，目的是告诉服务器端我存在
     */
    private static MsgPacket heartPacket = new MsgPacket();
    /**
     * 消息队列
     */
    private BlockingQueue<PbftMsg> msgQueue = MsgCollection.getInstance().getMsgQueue();

    /**
     * 创建心跳包
     *
     * @param channelContext
     * @return
     * @author tanyaowu
     */
    @Override
    public Packet heartbeatPacket(ChannelContext channelContext) {
     
        return heartPacket;
    }

    /**
     * 根据ByteBuffer解码成业务需要的Packet对象.
     * 如果收到的数据不全，导致解码失败，请返回null，在下次消息来时框架层会自动续上前面的收到的数据
     *
     * @param buffer         参与本次希望解码的ByteBuffer
     * @param limit          ByteBuffer的limit
     * @param position       ByteBuffer的position，不一定是0哦
     * @param readableLength ByteBuffer参与本次解码的有效数据（= limit - position）
     * @param channelContext
     * @return
     * @throws AioDecodeException
     */
    @Override
    public Packet decode(ByteBuffer buffer, int limit, int position, int readableLength, ChannelContext channelContext) throws AioDecodeException {
     


        if (readableLength < MsgPacket.HEADER_LENGHT) {
     
            return null;
        }

        int bodyLength = buffer.getInt();
        if (bodyLength < 0) {
     
            throw new AioDecodeException("body length is invalid.romote: " + channelContext.getServerNode());
        }

        int usefulLength = MsgPacket.HEADER_LENGHT + bodyLength;

        if (usefulLength > readableLength) {
     
            return null;
        } else {
     
            MsgPacket packet = new MsgPacket();
            byte[] body = new byte[bodyLength];
            buffer.get(body);
            packet.setBody(body);
            return packet;
        }

    }

    /**
     * 编码
     *
     * @param packet
     * @param tioConfig
     * @param channelContext
     * @return
     * @author: tanyaowu
     */
    @Override
    public ByteBuffer encode(Packet packet, TioConfig tioConfig, ChannelContext channelContext) {
     
        MsgPacket msgPacket = (MsgPacket) packet;
        byte[] body = msgPacket.getBody();

        int bodyLength = 0;

        if (body != null) {
     
            bodyLength = body.length;
        }

        int len = MsgPacket.HEADER_LENGHT + bodyLength;

        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(len);
        byteBuffer.order(tioConfig.getByteOrder());
        byteBuffer.putInt(bodyLength);

        if (body != null) {
     
            byteBuffer.put(body);
        }
        return byteBuffer;
    }

    /**
     * 处理消息包
     *
     * @param packet
     * @param channelContext
     * @throws Exception
     * @author: tanyaowu
     */
    @Override
    public void handler(Packet packet, ChannelContext channelContext) throws Exception {
     
        MsgPacket msgPacket = (MsgPacket) packet;
        byte[] body = msgPacket.getBody();
        // 空的很可能为心跳包
        if (body == null) {
     
            return;
        }

        String msg = new String(body, MsgPacket.CHARSET);
        // 如果数据不是json数据，代表数据有问题
        if (!JSON.isValid(msg)) {
     
            return;
        }
        PbftMsg pbftMsg = JSON.parseObject(msg, PbftMsg.class);
        if (pbftMsg == null) {
     
            log.error("客户端将Json数据解析成pbft数据失败");
            return;
        }

        if (pbftMsg.getMsgType() != MsgType.GET_VIEW && !MsgUtil.afterMsg(pbftMsg)) {
     
            log.warn("数据检查签名或者解密失败");
            return;
        }
        this.msgQueue.put(pbftMsg);
    }
}

package com.larryxiang.p2p.client;

import com.larryxiang.config.AllNodeCommonMsg;
import com.larryxiang.dao.node.Node;
import com.larryxiang.dao.pbft.MsgCollection;
import com.larryxiang.dao.pbft.MsgType;
import com.larryxiang.dao.pbft.PbftMsg;
import com.larryxiang.p2p.P2PConnectionMsg;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.tio.client.intf.ClientAioListener;
import org.tio.core.ChannelContext;
import org.tio.core.intf.Packet;

import java.util.concurrent.BlockingQueue;

/**

 * @author: larry.xiang
 * @description: 客户端监听器
 */
@Slf4j
public class P2PClientLinstener implements ClientAioListener {
     

    private ClientAction action = ClientAction.getInstance();

    private Node node = Node.getInstance();

    /**
     * 消息队列
     */
    private BlockingQueue<PbftMsg> msgQueue = MsgCollection.getInstance().getMsgQueue();


    /**
     * 建链后触发本方法，注：建链不一定成功，需要关注参数isConnected
     *
     * @param channelContext
     * @param isConnected    是否连接成功,true:表示连接成功，false:表示连接失败
     * @param isReconnect    是否是重连, true: 表示这是重新连接，false: 表示这是第一次连接
     * @throws Exception
     * @author: tanyaowu
     */
    @Override
    public void onAfterConnected(ChannelContext channelContext, boolean isConnected, boolean isReconnect) throws Exception {
     
        if (isReconnect) {
     
            log.warn(String.format("结点%重新连接服务端", channelContext));
        }
        if (isConnected) {
     
            log.info(String.format("结点%s连接服务端成功", channelContext));
        }else{
     
            log.warn(String.format("结点%s连接服务端%s失败", node.getIndex(),channelContext.getServerNode()));
        }
    }


    /**
     * 原方法名：onAfterDecoded
     * 解码成功后触发本方法
     *
     * @param channelContext
     * @param packet
     * @param packetSize
     * @throws Exception
     * @author: tanyaowu
     */
    @Override
    public void onAfterDecoded(ChannelContext channelContext, Packet packet, int packetSize) throws Exception {
     

    }

    /**
     * 接收到TCP层传过来的数据后
     *
     * @param channelContext
     * @param receivedBytes  本次接收了多少字节
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void onAfterReceivedBytes(ChannelContext channelContext, int receivedBytes) throws Exception {
     

    }

    /**
     * 消息包发送之后触发本方法
     *
     * @param channelContext
     * @param packet
     * @param isSentSuccess  true:发送成功，false:发送失败
     * @throws Exception
     * @author tanyaowu
     */
    @Override
    public void onAfterSent(ChannelContext channelContext, Packet packet, boolean isSentSuccess) throws Exception {
     

    }

    /**
     * 当处理好消息是就行action
     * @param channelContext
     * @param packet
     * @param cost           本次处理消息耗时，单位：毫秒
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void onAfterHandled(ChannelContext channelContext, Packet packet, long cost) throws Exception {
     
        action.doAction(channelContext);
    }

    /**
     * 连接关闭前触发本方法
     *
     * @param channelContext the channelcontext
     * @param throwable      the throwable 有可能为空
     * @param remark         the remark 有可能为空
     * @param isRemove
     * @throws Exception
     * @author tanyaowu
     */
    @Override
    public void onBeforeClose(final ChannelContext channelContext, Throwable throwable, String remark, boolean isRemove) throws Exception {
     
       log.warn(String.format("客户端%s连接关闭", channelContext));
       // 假如连接中断则移除
        P2PConnectionMsg.CLIENTS.values().removeIf(v -> v.equals(channelContext));

        /**
         * 假如中断的是主结点
         */
        if (channelContext.equals(P2PConnectionMsg.CLIENTS.get(AllNodeCommonMsg.getPriIndex()))){
     
            log.warn("主节点链接失败，决定发起视图选举");
            node.setViewOK(false);
            PbftMsg msg = new PbftMsg(MsgType.CHANGE_VIEW,node.getIndex());
            msgQueue.put(msg);
            action.doAction(channelContext);
        }
        
    }
}

package com.larryxiang.p2p.server;

import com.alibaba.fastjson.JSON;
import com.larryxiang.dao.pbft.MsgType;
import com.larryxiang.util.MsgUtil;
import com.larryxiang.dao.pbft.PbftMsg;
import com.larryxiang.p2p.common.MsgPacket;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.tio.core.ChannelContext;
import org.tio.core.TioConfig;
import org.tio.core.exception.AioDecodeException;
import org.tio.core.intf.Packet;
import org.tio.server.intf.ServerAioHandler;

import java.nio.ByteBuffer;

/**

 * @author: larry.xiang
 * @description: 服务端的Handler
 */
@Slf4j
public class P2PServerAioHandler implements ServerAioHandler {
     

    private ServerAction action = ServerAction.getInstance();

    /**
     * 根据ByteBuffer解码成业务需要的Packet对象.
     * 如果收到的数据不全，导致解码失败，请返回null，在下次消息来时框架层会自动续上前面的收到的数据
     *
     * @param buffer         参与本次希望解码的ByteBuffer
     * @param limit          ByteBuffer的limit
     * @param position       ByteBuffer的position，不一定是0哦
     * @param readableLength ByteBuffer参与本次解码的有效数据（= limit - position）
     * @param channelContext
     * @return
     * @throws AioDecodeException
     */
    @Override
    public Packet decode(ByteBuffer buffer, int limit, int position, int readableLength, ChannelContext channelContext) throws AioDecodeException {
     
        // 假如包的长度小于基本长度，毋庸置疑，包没有接收完
        if (readableLength < MsgPacket.HEADER_LENGHT) {
     
            return null;
        }
        // 读取发送消息的长度
        int bodyLength = buffer.getInt();

        //数据不正确，则抛出AioDecodeException异常
        if (bodyLength < 0) {
     
            throw new AioDecodeException("bodyLength [" + bodyLength + "] is not right, remote:" + channelContext.getClientNode());
        }

        // 客户端发送消息的长度
        int neededLength = MsgPacket.HEADER_LENGHT + bodyLength;

        // 不够消息体长度(剩下的buffe组不了消息体)
        if (readableLength < neededLength) {
     
            return null;
        } else {
      //组包成功
            MsgPacket imPacket = new MsgPacket();
            if (bodyLength > 0) {
     
                byte[] dst = new byte[bodyLength];
                buffer.get(dst);
                imPacket.setBody(dst);
            }
            return imPacket;
        }
    }

    /**
     * 编码
     *
     * @param packet
     * @param tioConfig
     * @param channelContext
     * @return
     * @author: larry.xiang
     */
    @Override
    public ByteBuffer encode(Packet packet, TioConfig tioConfig, ChannelContext channelContext) {
     
        MsgPacket msgPacket = (MsgPacket) packet;
        byte[] body = msgPacket.getBody();
        int bodyLen = 0;

        if (body != null) {
     
            bodyLen = body.length;
        }

        //bytebuffer的总长度是 = 消息头的长度 + 消息体的长度
        int allLen = MsgPacket.HEADER_LENGHT + bodyLen;
        //创建一个新的bytebuffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(allLen);

        //设置字节序
        buffer.order(tioConfig.getByteOrder());

        //写入消息头----消息头的内容就是消息体的长度
        buffer.putInt(bodyLen);

        //写入消息体
        if (body != null) {
     
            buffer.put(body);
        }
        return buffer;
    }

    /**
     * 处理消息包
     *
     * @param packet
     * @param channelContext
     * @throws Exception
     * @author: larry.xiang
     */
    @Override
    public void handler(Packet packet, ChannelContext channelContext) throws Exception {
     

        MsgPacket msgPacket = (MsgPacket) packet;
        byte[] body = msgPacket.getBody();
        // 空的很可能为心跳包
        if (body == null) {
     
            return;
        }

        String msg = new String(body, MsgPacket.CHARSET);
        // 如果数据不是json数据，代表数据有问题
        if (!JSON.isValid(msg)) {
     
            return;
        }
        log.info("服务端接受消息：" + msg);
        PbftMsg pbftMsg = JSON.parseObject(msg, PbftMsg.class);
        if (pbftMsg == null) {
     
            log.error("客户端将Json数据解析成pbft数据失败");
            return;
        }

        if ((pbftMsg.getMsgType() != MsgType.CLIENT_REPLAY && pbftMsg.getMsgType() != MsgType.GET_VIEW) && !MsgUtil.afterMsg(pbftMsg)) {
     
            log.warn("数据检查签名或者解密失败");
            return;
        }
        // 服务端对消息进行处理
        action.doAction(channelContext, pbftMsg);
    }
}

package com.larryxiang.p2p.server;

import com.larryxiang.config.AllNodeCommonMsg;
import com.larryxiang.dao.bean.ReplayJson;
import com.larryxiang.dao.node.Node;
import com.larryxiang.dao.node.NodeAddress;
import com.larryxiang.dao.node.NodeBasicInfo;
import com.larryxiang.dao.pbft.MsgCollection;
import com.larryxiang.dao.pbft.MsgType;
import com.larryxiang.dao.pbft.PbftMsg;
import com.larryxiang.p2p.client.ClientAction;
import com.larryxiang.p2p.common.MsgPacket;
import com.larryxiang.util.ClientUtil;
import com.larryxiang.util.MsgUtil;
import com.larryxiang.util.PbftUtil;
import com.alibaba.fastjson.JSON;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.tio.client.ClientChannelContext;
import org.tio.core.ChannelContext;
import org.tio.core.Tio;

import java.io.UnsupportedEncodingException;


/**

 * @author: larry.xiang
 * @description: 服务端的Action
 */
@Slf4j
public class ServerAction {
     
    private Node node = Node.getInstance();
    private MsgCollection msgCollection = MsgCollection.getInstance();
    /**
     * 单例模式构建action
     */
    private static ServerAction action = new ServerAction();

    private MsgCollection collection = MsgCollection.getInstance();

    public static ServerAction getInstance() {
     
        return action;
    }

    private ServerAction() {
     
    }


    /**
     * 对PBFT消息做出回应
     *
     * @param channelContext 谁发送的请求
     * @param msg            消息内容
     */
    public void doAction(ChannelContext channelContext, PbftMsg msg) {
     
        switch (msg.getMsgType()) {
     
            case MsgType.GET_VIEW:
                onGetView(channelContext, msg);
                break;
            case MsgType.CHANGE_VIEW:
                changeView(channelContext, msg);
                break;
            case MsgType.PRE_PREPARE:
                prePrepare(msg);
                break;
            case MsgType.PREPARE:
                prepare(msg);
                break;
            case MsgType.COMMIT:
                commit(msg);
            case MsgType.CLIENT_REPLAY:
                addClient(msg);
                break;
            default:
                break;
        }
    }

    /**
     * commit阶段
     *
     * @param msg
     */
    private void commit(PbftMsg msg) {
     

        long count = collection.getAgreeCommit().incrementAndGet(msg.getId());

        log.info(String.format("server接受到commit消息：%s", msg));
        if (count >= AllNodeCommonMsg.getAgreeNum()) {
     
            log.info("数据符合，commit成功，数据可以生成块");
            collection.getAgreeCommit().remove(msg.getId());
            PbftUtil.save(msg);
        }
    }

    /**
     * 节点将prepare消息进行广播然后被接收到
     *
     * @param msg
     */
    private void prepare(PbftMsg msg) {
     
        log.info(msgCollection.getVotePrePrepare().contains(msg) + ">>>>");
        if (!msgCollection.getVotePrePrepare().contains(msg.getId()) || !PbftUtil.checkMsg(msg)) {
     
            return;
        }

        long count = collection.getAgreePrepare().incrementAndGet(msg.getId());
        log.info(String.format("server接受到prepare消息：%s", msg));
        if (count >= AllNodeCommonMsg.getAgreeNum()) {
     
            log.info("数据符合，发送commit操作");
            collection.getVotePrePrepare().remove(msg.getId());
            collection.getAgreePrepare().remove(msg.getId());

            // 进入Commit阶段
            msg.setMsgType(MsgType.COMMIT);
            try {
     
                collection.getMsgQueue().put(msg);
                ClientAction.getInstance().doAction(null);
            } catch (InterruptedException e) {
     
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }

    /**
     * 主节点发送过来的pre_prepare消息
     *
     * @param msg
     */
    private void prePrepare(PbftMsg msg) {
     

        log.info(String.format("server接受到pre-prepare消息：%s", msg));

        msgCollection.getVotePrePrepare().add(msg.getId());
        if (!PbftUtil.checkMsg(msg)) {
     
            return;
        }

        msg.setMsgType(MsgType.PREPARE);
        try {
     
            msgCollection.getMsgQueue().put(msg);
            ClientAction.getInstance().doAction(null);
        } catch (InterruptedException e) {
     
            e.printStackTrace();
            return;
        }
    }

    /**
     * 重新设置view
     *
     * @param channelContext
     * @param msg
     */
    private void changeView(ChannelContext channelContext, PbftMsg msg) {
     
        if (node.isViewOK()) {
     
            return;
        }
        long count = collection.getViewNumCount().incrementAndGet(msg.getViewNum());

        if (count >= AllNodeCommonMsg.getAgreeNum() && !node.isViewOK()) {
     
            collection.getViewNumCount().clear();
            node.setViewOK(true);
            AllNodeCommonMsg.view = msg.getViewNum();
            log.info("视图变更完成OK");
        }
    }

    /**
     * 添加未连接的结点
     *
     * @param msg
     */
    private void addClient(PbftMsg msg) {
     
        if (!ClientUtil.haveClient(msg.getNode())) {
     
            String ipStr = msg.getBody();
            ReplayJson replayJson = JSON.parseObject(ipStr, ReplayJson.class);
            ClientChannelContext context = ClientUtil.clientConnect(replayJson.getIp(), replayJson.getPort());

            NodeAddress address = new NodeAddress();
            address.setIp(replayJson.getIp());
            address.setPort(replayJson.getPort());
            NodeBasicInfo info = new NodeBasicInfo();
            info.setIndex(msg.getNode());
            info.setAddress(address);
            // 添加ip地址
            AllNodeCommonMsg.allNodeAddressMap.put(msg.getNode(), info);
            AllNodeCommonMsg.publicKeyMap.put(msg.getNode(), replayJson.getPublicKey());

            log.info(String.format("节点%s添加ip地址：%s", node, info));
            if (context != null) {
     
                // 添加client
                ClientUtil.addClient(msg.getNode(), context);
            }
        }
    }


    /**
     * 将自己的view发送给client
     *
     * @param channelContext
     * @param msg
     */
    private void onGetView(ChannelContext channelContext, PbftMsg msg) {
     
        log.info("server结点回复视图请求操作");
        int fromNode = msg.getNode();
        // 设置消息的发送方
        msg.setNode(node.getIndex());
        // 设置消息的目的地
        msg.setToNode(fromNode);
        log.info(String.format("同意此节点%s的申请", msg));
        msg.setOk(true);
        msg.setViewNum(AllNodeCommonMsg.view);
        MsgUtil.signMsg(msg);
        String jsonView = JSON.toJSONString(msg);
        MsgPacket msgPacket = new MsgPacket();
        try {
     
            msgPacket.setBody(jsonView.getBytes(MsgPacket.CHARSET));
            Tio.send(channelContext, msgPacket);
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
     
            log.error(String.format("server结点发送view消息失败%s", e.getMessage()));
        }
    }
}

package com.larryxiang.p2p.server;

import cn.hutool.core.util.RandomUtil;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.tio.core.ChannelContext;
import org.tio.core.intf.Packet;
import org.tio.server.intf.ServerAioListener;

/**

 * @author: larry.xiang
 * @description: 服务监听器
 */
@Slf4j
public class ServerListener implements ServerAioListener {
     
    /**
     * 服务器检查到心跳超时时，会调用这个函数（一般场景，该方法只需要直接返回false即可）
     *
     * @param channelContext
     * @param interval              已经多久没有收发消息了，单位：毫秒
     * @param heartbeatTimeoutCount 心跳超时次数，第一次超时此值是1，以此类推。此值被保存在：channelContext.stat.heartbeatTimeoutCount
     * @return 返回true，那么服务器则不关闭此连接；返回false，服务器将按心跳超时关闭该连接
     */
    @Override
    public boolean onHeartbeatTimeout(ChannelContext channelContext, Long interval, int heartbeatTimeoutCount) {
     
        if (channelContext.stat.heartbeatTimeoutCount.intValue() > 5){
     
            log.warn(String.format("结点%s连接超时5次，关闭此连接", channelContext));
            return false;
        }
        return true;
    }

    /**
     * 建链后触发本方法，注：建链不一定成功，需要关注参数isConnected
     *
     * @param channelContext
     * @param isConnected    是否连接成功,true:表示连接成功，false:表示连接失败
     * @param isReconnect    是否是重连, true: 表示这是重新连接，false: 表示这是第一次连接
     * @throws Exception
     * @author: tanyaowu
     */
    @Override
    public void onAfterConnected(ChannelContext channelContext, boolean isConnected, boolean isReconnect) throws Exception {
     
//        if (isReconnect || !isConnected){
     
//            return;
//        }
//
    }

    /**
     * 原方法名：onAfterDecoded
     * 解码成功后触发本方法
     *
     * @param channelContext
     * @param packet
     * @param packetSize
     * @throws Exception
     * @author: tanyaowu
     */
    @Override
    public void onAfterDecoded(ChannelContext channelContext, Packet packet, int packetSize) throws Exception {
     
    }

    /**
     * 接收到TCP层传过来的数据后
     *
     * @param channelContext
     * @param receivedBytes  本次接收了多少字节
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void onAfterReceivedBytes(ChannelContext channelContext, int receivedBytes) throws Exception {
     

    }

    /**
     * 消息包发送之后触发本方法
     *
     * @param channelContext
     * @param packet
     * @param isSentSuccess  true:发送成功，false:发送失败
     * @throws Exception
     * @author tanyaowu
     */
    @Override
    public void onAfterSent(ChannelContext channelContext, Packet packet, boolean isSentSuccess) throws Exception {
     

    }

    /**
     * 处理一个消息包后
     *
     * @param channelContext
     * @param packet
     * @param cost           本次处理消息耗时，单位：毫秒
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void onAfterHandled(ChannelContext channelContext, Packet packet, long cost) throws Exception {
     

    }

    /**
     * 连接关闭前触发本方法
     *
     * @param channelContext the channelcontext
     * @param throwable      the throwable 有可能为空
     * @param remark         the remark 有可能为空
     * @param isRemove
     * @throws Exception
     * @author tanyaowu
     */
    @Override
    public void onBeforeClose(ChannelContext channelContext, Throwable throwable, String remark, boolean isRemove) throws Exception {
     

    }
}

package com.larryxiang.p2p;

import org.tio.client.ClientChannelContext;

import java.util.Map;

/**

 * @author: larry.xiang
 * @description: p2p网络的连接信息
 * 这个里面有：
 * 1. 自己作为服务端所连接的client信息
 * 2. 自己作为客户端与server的上下文
 */
public class P2PConnectionMsg {
     

    /**
     * 代表结点的client
     */
    public static Map<Integer,ClientChannelContext> CLIENTS;


}

package com.larryxiang.util;

import com.larryxiang.config.AllNodeCommonMsg;
import com.larryxiang.dao.node.Node;
import com.larryxiang.dao.pbft.MsgType;
import com.larryxiang.dao.pbft.PbftMsg;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

/**

 * @author: larry.xiang
 * @description: pbft的工作流程
 * this is the most important thing
 * 这个是整个算法的流程
 */
@Slf4j
public class Pbft {
     

    private Node node = Node.getInstance();

    /**
     * 发送view请求
     *
     * @return
     */
    public boolean pubView() {
     

        TestUtil.startTime = System.currentTimeMillis();
        /**
         * 如果区块链中的网络节点小于3
         */
        if (AllNodeCommonMsg.allNodeAddressMap.size() < 3) {
     
            log.warn("区块链中的节点小于等于3");
            node.setViewOK(true);
            // 将节点消息广播出去
            ClientUtil.publishIpPort(node.getIndex(), node.getAddress().getIp(), node.getAddress().getPort());
            return true;
        }

        log.info("结点开始进行view同步操作");
        // 初始化view的msg
        PbftMsg view = new PbftMsg(MsgType.GET_VIEW, node.getIndex());
        ClientUtil.clientPublish(view);
        return true;
    }

    /**
     * 视图发送该表
     *
     * @return
     */
    public boolean changeView() {
     

        return true;
    }
}

import com.larryxiang.config.StartConfig;
import com.larryxiang.dao.node.Node;
import com.larryxiang.dao.node.NodeAddress;
import com.larryxiang.util.StartPbft;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

/**

 * @author: larry.xiang
 * @description: 程序运行开始类
 * 启动参数顺序：ip，port，index，认证请求消息
 */
@Slf4j
public class Main {
     

    public static void main(String[] args) {
     
        String ip = null;
        int port = 0;
        int index = 0;
        if (args.length == 0) {
     
            int i = 0;
            ip = "127.0.0.1";
            port = 8080 + i;
            StartConfig.basePath = "C:\\data\\";
            index = i;
        } else if (args.length == 4) {
     
            //程序启动ip地址
            ip = args[0];
            //端口
            port = Integer.parseInt(args[1]);
            //程序启动index
            index = Integer.parseInt(args[2]);
            //文件保存位置，在文件保存位置必须存在一个oldIp.json的文件
            StartConfig.basePath = args[3];
        }
        Node node = Node.getInstance();
        node.setIndex(index);
        NodeAddress nodeAddress = new NodeAddress();
        nodeAddress.setIp(ip);
        nodeAddress.setPort(port);
        node.setAddress(nodeAddress);
        StartPbft.start();

    }
}

部分代码参考：
https://gitee.com/tianyalei/md_blockchain

总结

其实实现起来还是比较简单的，如果有任何问题，欢迎在评论区下方留言，或者私信我。