LIB:技術入門 | 剖析Libra的Network組件

2019年6月18日，Facebook發布了Libra白皮書及源碼，引起了業界的廣泛關注與討論。

這里我們通過分析Libra的源碼，探索Libra的各個組件，來了解一下Libra的整體設計與實現。

Libra核心組件

在進入主題之前，我們先對Libra有一個整體的認識：

看過Libra技術白皮書的朋友，應該都記得這張圖，下面簡單介紹一下這些核心的組件：

?a.AdmissionControl服務：簡稱AC，翻譯過來叫準入控制，可以理解為Libra的網關，將跟用戶打交道的接口暴露給用戶，例如提交Transaction、獲取用戶狀態等等

?b.Mempool服務：存儲未上鏈交易

?c.Consensus組件：LibraBFT共識組件

?d.VirtualMachine組件：簡稱VM，運行Move合約的虛擬機

?e.Execution組件：VM的入口，已換成Executor組件

?f.Storage服務：存儲所有鏈上數據

?g.Network組件：上圖中隱含了一個Network組件，不論是Node啟動還是跟其他節點通信，都需要Network組件。在第一條主線中，我們重點介紹Network組件。

火幣研究院：區塊鏈技術發展面臨系統安全等七大挑戰:近日，火幣研究院在專業學術期刊《農業大數據學報》發表論文《區塊鏈技術發展與展望》，系統梳理了區塊鏈技術的基礎架構、擴展技術、挑戰，并對未來區塊鏈技術的發展進行展望。論文明確指出，區塊鏈技術未來發展的關鍵挑戰主要來源于系統安全、數據隱私、監管、擴展性、跨鏈協議、鏈下信息及存儲七個方面。（證券日報）[2020/8/28]

注意，上面介紹各個核心組件的時候，我們區分了組件和服務，兩者的區別是：組件沒有額外監聽端口，與node共用同一個端口，而服務會單獨監聽一個端口，通常是GRPC服務。

Libra設計與實現

Libra涉及的東西比較多，我們從三條線介紹Libra的設計與實現：

通過分析Node啟動并加入到Libra網絡的過程，介紹Network組件的設計與實現；

圍繞Transaction的生命周期，分析其接收交易、打包區塊、運行上鏈的過程，介紹Libra的Mempool、Executor以及Storage、VM等核心組件；

圍繞LibraBFT，介紹Consensus組件以及區塊達成共識的過程

如果想了解或者使用Libra，我們需要先啟動一個節點，并將它加入到網絡中。接下來，我們看看第一條主線，了解一下Node的啟動以及Network的設計與實現。

七叔：建議交易所加強技術投入 提升用戶體驗:今日，在XBIT直播訪談上，針對“目前二、三線交易所正面臨哪些困難？又該如何破局？”等問題。

區塊鏈品牌公關團隊Bittime品牌負責人七叔表示，二三線交易所市場一直是資金高聚集地，也是最脆弱的一環，現在交易所競爭日趨白熱化，用戶集中在三大交易所，小交易所生存堪憂。因此很多交易所劍走偏鋒用連續的造富效應吸引投資人，然后快速收割圈錢跑路。

此外，七叔認為，交易所本身需要加強技術投入，提升用戶體驗，減少所謂“技術問題”的存在；完善平臺幣和期貨合約等金融衍生品的規則和玩法；尋找適合自身品牌的市場推廣方式。最后，不要過分追逐市場趨勢，以用戶體驗為核心，打磨好產品才是硬道理。[2020/6/2]

Node啟動流程

我們先看一下Node大概的啟動流程，主要包含兩部分：

生成configLibra的Config的模塊中，能構建3種類型的配置文件，分別是validator、faucet、fullnode的配置文件。其中faucet配置是水龍頭服務相關的一些配置，通常只有測試網絡中第一個validator節點才需要。

啟動node

聲音 | 普華集團王繼輝：明年數字身份將廣泛應用，智能合約將在技術應用特征上進一步凸顯:近日，“2019 區塊鏈技術和產業創新發展大會”在青島國際會議中心舉辦。對于行業未來的發展，普華集團副總裁、首席技術官王繼輝先生表示，2020年，智能合約作為區塊鏈底層技術發展最快、最有應用前景的部分，將在技術應用特征上進一步凸顯，主要表現為面向服務化、合約可視化、安全前置化和合約通用化。[2019/12/30]

上圖中Libra-node用于啟動單節點，Libra-swarm用于批量啟動多節點。接下來，我們分別看一下這兩步的一些實現細節，以及之前的準備工作。

準備工作

在一切繼續之前，我們先準備需要依賴的環境

?1).獲取Libra代碼

?gitclone?https://github.com/libra/libra.git

?2).編譯和運行環境

?a.建議使用Libra自帶的腳本script/dev_setup.sh安裝環境依賴

?b.或者自己手動安裝rust、cargo、git、pb、go、CMake等工具

?

生成config

?從前面的Node啟動流程我們了解到，啟動node首先需要生成配置。Libra包含的配置文件比較多，我們來整體看一下配置文件：

動態 | NTT Data與東京海上日動火災保險完成區塊鏈技術相關試驗:據crypto.watch消息，日本IT巨頭NTT Data與東京海上日動火災保險日前宣布，已完成在海運保險中應用區塊鏈技術的試驗。據悉，兩家公司在德國、荷蘭、美國、智利、中國、中國臺灣、韓國、泰國等八個國家及地區開展了此項實驗，以探討是否可在保險理賠程序中利用區塊鏈技術。[2018/11/7]

不過沒有特殊需求的話，需要我們特別注意和關注的配置其實也不算多，主要有：

?a.Node的角色分為Validator和FullNode

?b.生成3個秘鑰，2個ed25519算法生成，分別用于打包block簽名、網絡的消息簽名，Libra提供了一個generate_keypair工具生成ed25519秘鑰(cargorun-pgenerate_keypair–-omint.key)，1個是x25519算法生成，用于標識節點身份

?c.數據存儲路徑，默認會生成臨時路徑

?d.network_peers：存放網絡中Node的公鑰等信息，主要包含網絡消息簽名的公鑰和節點身份的公鑰

?e.seed_peers：當前節點加入網絡主動去連接的node的信息

迪拜珠寶集團Al Kasir將首次運用區塊鏈技術到鉆石交易:迪拜Al Kasir珠寶集團宣布推出采用區塊鏈技術的創新鉆石交易模式。這是目前世界上第一個采用區塊鏈交易的公司。Al Kasir集團創始人阿米特拉卡帕爾表示，Al Mas加密貨幣資產是首個基于區塊鏈技術的鉆石交易概念，它用數字貨幣為投資者提供便利，因為每個區塊鏈資產都是與正宗天然鉆石的價值掛鉤。[2018/4/16]

?f.consensus_peers：所有Validator節點的信息，Libra網絡是一個許可形網絡

?g.各服務的端口以及其他配置，沒有特殊要求的話，默認就好

啟動Node

連接Libra的測試網絡shscripts/cli/start_cli_testnet.sh

自建節點cargorun-plibra-node或者cargorun-plibra-swarm–-s

當前node啟動起來之后，會根據seed_peers的配置，去連接相應的node節點，加入到網絡中去，如果沒有seed_peers則會啟動一個單獨的網絡。接下來，我們深入了解一下Node的Network的一些設計與核心實現。

Network組件

1.Network核心模塊

我們整體看一下Network包含哪些模塊：

上面中，從下往上看：

?a.MemSocket實現了UNIXdomainsocket的功能，一般用于測試

?b.TcpSocket網絡連接

?c.Transport可以理解為MemSocket和TcpSocket的一層抽象，封裝了socket的操作

?d.Noise是一種加密協議，前面提到的用于網絡消息簽名的ed25519私鑰，就是作用在這里

?e.Rpc是Libra自己實現的遠程過程調用協議，調用方會等待被調用方返回結果

?f.DirectSend從字面理解是直接發送，調用方發送完立即返回，不等待被調用方返回結果

?g.Negotiate可以理解為對Rpc和DirectSend的抽象

?h.MultiStream用于多路復用，使用了yamux協議。通俗的理解就是在同一個Tcp連接上，從邏輯上將每種上層協議封裝成一個單獨SubStream，以實現多個上層協議共用一個Tcp連接的情況。這一點后面我們還會提到。

以上是Libra的Network組件的一個整體實現，接下來我們介紹一下Libra的協議。

2.Libra的主要協議

上面我們對Network組件有了一個宏觀的認識，這里我們介紹一下Libra包含的協議：

上圖中，從下往上看：

?a.PeerManager封裝了網絡連接以及多路復用的操作

?b.Identity協議：前面提到的x25519私鑰，就是Identity協議用于標識當前節點的身份，協議會根據節點的Role將Validator網絡與Fullnode網絡進行隔離

?c.Health協議：定期隨機選擇一個節點發送探活消息

?d.Discovery協議：每個round從相鄰的節點同步節點信息，以發現新節點，可以理解為gossip協議

?e.AdmissionControl協議：只有RPC的實現，Fullnode節點在收到用戶提交的Transaction之后，通過AC協議將Transaction轉發給Validator節點

?f.Mempool協議：只有DirectSend實現，用于不同的Mempool之間同步Transaction

?g.Consensus協議：包含RPC和DirectSend，用于Validator之間達成共識

?h.StateSynchronizer協議：只有DirectSend實現，不同node之間尋找Block

前面我們提到了多路復用，上面的協議都是通過MultiStream分別開了SubStream，邏輯上把消息協議區分出來。其中Identity、Health、Discovery是所有node都會包含的基本協議，而Consensus是只有Validator節點才會包含的協議。

總結

最開始我們講了Node啟動流程，講述了config配置需要注意的地方以及node啟動的方式和流程。然后我們深入到Network組件，講了Network的組成模塊以及提供的協議能力。我們以單節點為例，將整個啟動以及加入網絡的過程總結如下圖：

其中黃色部分表示在Network的端口是開啟了SubStream，添加了相應的協議和協議處理過程；綠色部分部分表示服務或者組件實例化，可以看出Storage和Executor不依賴Network；初始化Discovery協議的時候，節點會去連接seed節點，并且seed節點會驗證Identity。以上是節點啟動以及加入到網絡的大概流程。

相關鏈接

https://github.com/libra/libra

https://developers.libra.org/docs/the-libra-blockchain-paper

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