IBM HyperLedger fabric 详解
在我看来，比特币就是现实中的V字仇杀队，当然现实是更残酷的世界政府，这场博弈关乎着人类文明、政治、社会属性、经济和人权。
IBM HyperLeger 又叫 fabric，你可以把它想象成一个由全社会来共同维护的一个超级账本，没有中心机构拥揽权力，你的每一笔交易都是全网公开且安全的，信用由全社会共同见证。它与Bitcoin的关系就是，你可以利用fabric构建出一个叫Bitcoin的应用来帮助你change the world。
愿景是那么的牛X，貌似正合我们想改变世界的胃口，但是在残酷的现实和世界面前我们永远是天真幼稚的，blockchain需要一步一步脚印来构建它的宏伟蓝图，起码目前是没有将它用于工业生产和国家经济的案例的。
fabric源于IBM，初衷为了服务于工业生产，IBM将44,000行代码开源，是了不起的贡献，让我们可以有机会如此近的去探究区块链的原理，但毕竟IBM是从自身利益和客户利益出发的，并不是毫无目的的去做这项公益事业，我们在看fabric的同时要有一种审慎的思维：区块链不一定非得这样，它跟比特币最本质的非技术区别在哪里。我们先来大致了解一下fabric的关键术语（因为一些词汇用英文更准确，我就不硬翻译了）。
1. Terminology
Transaction 它一条request，用来在ledger上执行一个function，这个function是用chaincode来实现的Transactor 发出transaction的实体，比如它可能是一个客户端应用Ledger Legder可以理解为一串经过加密的block链条，每一个block包含着transactions和当前world state等信息World State world state是一组变量的集合，包含着transactions的执行结果Chaincode 这是一段应用层面的代码（又叫smart contract，智能合约），它存储在ledger上，作为transaction的一部分。也就是说chaincode来运行transaction，然后运行结果可能会修改world stateValidating Peer 参与者之一，它是一种在网络里负责执行一致性协议、确认交易和维护账本的计算机节点Nonvalidating Peer 它相当于一个代理节点，用来连接transactor和邻近的VP(Validating Peer)节点。一个NVP节点不会去执行transactions但是回去验证它们。同时它也会承担起事件流server和提供REST services的角色Permissioned Ledger 这是一个要求每一个实体和节点都要成为网络成员的blockchain网络，所有匿名节点都不被允许连接Privacy 用来保护和隐蔽chain transactors的身份，当网络成员要检查交易时，如果没有特权的话，是无法追踪到交易的transactorConfidentiality 这个特性使得交易内容不是对所有人可见，只开放给利益相关者Auditability 将blockchain用于商业用途需要遵守规则，方便监管者调查交易记录
2. Architecture
架构核心逻辑有三条：Membership、Blockchain和Chaincode。
2.1 Membership Services
这项服务用来管理节点身份、隐私、confidentiality 和 auditability。在一个 non-permissioned的区块链网络里，参与者不要求授权，所有的节点被视作一样，都可以去submit一个transaction，去把这些交易存到区块（blocks）中。那Membership Service是要将一个 non-permissioned的区块链网络变成一个permissioned的区块链网络，凭借着Public Key Infrastructure (PKI)、去中心和一致性。
2.2 Blockchain Services
Blockchain services使用建立在HTTP/2上的P2P协议来管理分布式账本。提供最有效的哈希算法来维护world state的副本。采取可插拔的方式来根据具体需求来设置共识协议，比如PBFT，Raft，PoW和PoS等等。< br>2.3 Chaincode Services
Chaincode services 会提供一种安全且轻量级的沙盒运行模式，来在VP节点上执行chaincode逻辑。这里使用Container环境，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，目前支持Go、Jave和Nodejs开发语言。
2.4 Events
在blockchain网络里，VP节点和chaincode会发送events来触发一些监听动作。比如chaincode是用户代码，它可以产生用户事件。
2.5 API 和 CLI
提供REST API，允许注册用户、查询blockchain和发送transactions。一些针对chaincode的API，可以用来执行transactions和查询交易结果。对于开发者，可以通过CLI快速去测试chaincode，或者去查询交易状态。
3. Topology
分布式网络的拓扑结构是非常值得研究的。在这个世界里散布着众多参与者，不同角色，不同利益体，各种各样的情况处理象征着分布式网络里的规则和法律，无规则不成方圆。在区块链网络里，有Membership service，有VP节点，NVP节点，一个或多个应用，它们形成一个chain，然后会有多个chain，每一个chain都有各自的安全要求和操作需求。
3.1 单个VP节点网络
最简单的网络就是只包含一个VP节点，因此就省去了共识部分。
3.2 多个VP节点网络
多个VP和NVP参与的网络才是有价值和实际意义的。NVP节点分担VP节点的工作压力，承担处理API请求和events的工作。
而对于VP节点，VP节点间会组成一个网状网络来传播信息。一个NVP节点如果被允许的话可以与邻近的一个VP节点相连。NVP节点是可以省略的，如果Application可以直接和VP节点通讯。
3.3 Multichain
还会存在一个网络里多条chain的情况，各个chain的意图不一样。
4. Protocol
fabric是用gRPC来做P2P通讯的，是一个双向流消息传递。使用 Protocol Buffer来序列化要传递的数据结构。
4.1 Message
message分四种：Discovery，Transaction，Synchronization 和 Consensus。每一种信息下还会包含更多的子信息，由payload指出。
payload是一个不透明的字节数组，它包含着一些对象，比如 Transaction 或者 Response。例如，如果 type 是 CHAIN_TRANSACTION，那么 payload 就是一个 Transaction的对象。
message Message { enum Type { UNDEFINED = 0;
DISC_HELLO = 1; DISC_DISCONNECT = 2; DISC_GET_PEERS = 3; DISC_PEERS = 4; DISC_NEWMSG = 5;
CHAIN_STATUS = 6; CHAIN_TRANSACTION = 7; CHAIN_GET_TRANSACTIONS = 8; CHAIN_QUERY = 9;
SYNC_GET_BLOCKS = 11; SYNC_BLOCKS = 12; SYNC_BLOCK_ADDED = 13;
SYNC_STATE_GET_SNAPSHOT = 14; SYNC_STATE_SNAPSHOT = 15; SYNC_STATE_GET_DELTAS = 16; SYNC_STATE_DELTAS = 17;
RESPONSE = 20; CONSENSUS = 21; } Type type = 1; bytes payload = 2; google.protobuf.Timestamp timestamp = 3;}
4.1.1 Discovery Messages
一个新启动的节点，如果CORE_PEER_DISCOVERY_ROOTNODE（ROOTNODE是指网络中其它任意一个节点的IP）被指定了，它就会开始运行discovery协议。而ROOTNODE就作为最一开始的发现节点，然后通过ROOTNODE节点进而发现全网中所有的节点。discovery协议信息是DISC_HELLO，它的payload是一个HelloMessage对象，同时包含信息发送节点的信息：
message HelloMessage { PeerEndpoint peerEndpoint = 1; uint64 blockNumber = 2;}me ssage PeerEndpoint { PeerID ID = 1; string address = 2; enum Type { UNDEFINED = 0; VALIDATOR = 1; NON_VALIDATOR = 2; } Type type = 3; bytes pkiID = 4;}
message PeerID { string name = 1;}
在这个刚加入节点完成DISC_HELLO这轮消息传递后，接下来回周期性的发送DISC_GET_PEERS来发现其它加入网络中的节点。为了回复DISC_GET_PEERS，一个节点会发送DISC_PEERS。
4.1.2 Synchronization Messages
Synchronization 协议是接着上面所说的discovery协议开始的，当一个节点发现它的block的状态跟其它节点不一致时，就会触发同步。该节点会广播（broadcast）三种信息：SYNC_GET_BLOCKS , SYNC_STATE_GET_SNAPSHOT 或者 SYNC_STATE_GET_DELTAS，同时对应接收到三种信息：SYNC_BLOCKS , SYNC_STATE_SNAPSHOT 或者 SYNC_STATE_DELTAS。
目前fabric嵌入的共识算法是pbft。
SYNC_GET_BLOCKS 会请求一系列连续的block，发送的数据结构中payload将是一个SyncBlockRange对象。
message SyncBlockRange { uint64 correlationId = 1; uint64 start = 2; uint64 end = 3;}
接收的节点会回复SYNC_BLOCKS，它的payload是一个SyncBlocks对象：
message SyncBlocks { SyncBlockRange range = 1; repeated Block blocks = 2;}
start和end表示起始和结束的block。例如start=3, end=5，代表了block 3,4,5；start=5, end=3，代表了block 5,4,3。
SYNC_STATE_GET_SNAPSHOT 会请求当前world state的一个snapshot，该信息的payload是一个SyncStateSnapshotRequest对象：
message SyncStateSnapshotRequest { uint64 correlationId = 1;}
correlationId是发出请求的peer用来追踪对应的该信息的回复。收到该消息的peer会回复SYNC_STATE_SNAPSHOT，它的payload是一个SyncStateSnapshot对象：
message SyncStateSnapshot { bytes delta = 1; uint64 sequence = 2; uint64 blockNumber = 3; SyncStateSnapshotRequest request = 4;}
SYNC_STATE_GET_DELTAS 默认Ledger会包含500个transition deltas。delta(j)表示block(i)和block(j)之间的状态转变（i = j -1）。
4.1.3 Consensus Messages
Consensus framework会将接收到的CHAIN_TRANSACTION转变成CONSENSUS，然后广播给所有的VP节点。
4.1.4 Transaction Messages
在fabric中的交易有三种：Deploy, Invoke 和 Query。Deploy将指定的chaincode安装到chain上，Invoke和Query会调用已经部署好的chaincode的函数。
4.2 Ledger
Ledger主要包含两块：blockchain和world state。blockchain就是一系列连在一起的block，用来记录历史交易。world state是一个key-value数据库，当交易执行后，chaincode会将state存在里面。
4.2.1 Blockchain
blockchain是指由一些block连成的list，每一个block都包含上一个block的hash。一个block还会包含一些交易列表以及执行所有这些交易后world state的一个hash。
message Block { version = 1; google.protobuf.Timestamp timestamp = 2; bytes transactionsHash = 3; bytes stateHash = 4; bytes previousBlockHash = 5; bytes consensusMetadata = 6; NonHashData nonHashData = 7;}
message BlockTransactions { repeated Transaction transactions = 1;}
那上一个block的hash是如何计算的呢：
用 protocol buffer 序列化block的信息用 SHA3 SHAKE256 算法将序列化后的block信息哈希成一个512字节的输出上面的数据结构中有一个 transactionHash， 它是transaction merkle tree的根节点（用默克尔树来描述这些交易）。
4.2.2 World State
一个peer 的world state是所有部署的chaincodes的状态（state）的集合。一个chaincode的状态由键值对（key-value）的集合来描述。我们期望网络里的节点拥有一致的world state，所以会通过计算world state的 crypto-hash 来进行比较，但是将会消耗比较昂贵的算力，为此我们需要设计一个高效率的计算方法。比如引入Bucket-tree来实现world state的组织。
world state中的key的表示为{chaincodeID, ckey}，我们可以这样来描述key， key = chaincodeID+nil+cKey。
world state的key-value会存到一个hash表中，这个hash表有预先定义好数量（numBuckets）的buckets组成。一个 hash function 会来定义哪个桶包含哪个key。这些buckets都将作为merkle-tree的叶子节点，编号最小的bucket作为这个merkle-tree最左面的叶子节点。倒数第二层的构建，从左开始每maxGroupingAtEachLevel（预先定义好数量）这么多的叶子节点为一组聚在一起，形成N组，每一组都会插入一个节点作为所包含叶子节点的父节点，这样就形成了倒数第二层。要注意的是，最末层的父节点（就是刚刚描述的插入的节点）可能会有少于maxGroupingAtEachLevel的孩子节点。按照这样的方法不断构建更高一层，直到根节点被构建出来。
举一个例子，{numBuckets=10009 and maxGroupingAtEachLevel=10}，它形成的tree的每一次包含的节点数目如下：
4.3 Consensus Framework
consensus framework包含了三个package：consensus、controller和helper。
consensus.Communicator用来发送消息给其他的VP节点consensus.Executor用于交易的启动、执行和回滚，还有preview、commitcontroller指定被VP节点使用的consensus pluginhelper用来帮助consensus plugin与stack交互，例如维护message handler目前有两个consensus plugin：pbft和noops。 pbft是 微软论文PBFT共识算法的一个实现。 noops 用于开发和测试，它没有共识机制，但是会处理所有consensus message，所以如果要开发自己的consensus plugin，从它开始吧。
4.3.1 Executor 接口
在源码中我们会经常看 executor 相关的代码，这个借口下的方法可以做到： 开始批量交易、执行交易、提交与回滚交易
4.3.2 Ledger 接口
type Ledger interface { ReadOnlyLedger UtilLedger WritableLedger}
ReadOnlyLedger接口用来查询 ledger 的本地备份，不做修改，函数有：
1、GetBlockchainSize() (uint64, error)，这个函数在源码里常见，返回了ledger的长度2、GetBlock(id uint64) (block *pb.Block, err error)3、GetCurrentStateHash() (stateHash []byte, err error)，返回 ledger 当前状态的hash
4.3.3 helper 包
helper包可以帮助VP节点建立与其他peer之间的通信和消息处理，helper.HandleMessage，这个函数会处理四种消息类型，
pb.Message_CONSENSUS pb.Message_CHAIN_TRANSACTION pb.Message_CHAIN_QUERY others
4.4 Chaincode
chaincode是一段应用级的代码，交易逻辑就在里面，fabric是用Docker容器来运行chaincode的。一旦chaincode容器被启动，它就会通过gRPC与启动这个chaincode的VP(Validating Peer)节点连接。
上面4.1提到的四种消息中有一种叫transaction message，包含Deploy, Invoke 和 Query。指的就是与chaincode相关的交易信息。chaincode需要实现三个函数，Init，Invoke 和 Query。Init是构造函数，它只在部署交易时被执行，Query函数用来读取状态。Invoke来进行交易的发生。
chaincode容器被部署时，会向对应的peer进行注册，注册之后，VP节点就会通知chaincode容器调用Init函数。其实peer跟chaincode容器之间是隔着一个shim层的，chaincode容器的shim层会接收来自peer的信息，根据信息调用chaincode相应的函数，如Invoke 。
5. What we can do
5.1 Asset Management 资产管理
这是一个在fabric上实现的一个chaincode demo，用来模拟数字资产的管理。chaincode一共有四个函数：init(user), assign(asset, user), transfer(asset, user), query(asset)。
在chaincode被部署时，init(user)就会被自动调用。设想一下， 1. Alice是这个chaincode的部署者； 2. Alice想要将管理员这个角色分配给Bob； 3. 之后Alice会获得Bob的一个TCert，我们叫这个证书BobCert； 4. Alice构建一条deploy交易，并将交易的元数据设置到BobCert； 5. Alice将这个交易提交到fabric网络中。
这样Bob就会被赋予管理员角色，这就是init函数要做的。接下来看一下assign：
1、Bob成为了chaincode的管理员2、Bob想要将资产‘Picasso’分配给Charlie3、Bob会获得Charlie的一个TCert，我们叫这个证书CharlieCert4、Bob构建一个invoke交易，来调用assign这个函数，参数是 (‘Picasso’, Base64(DER(CharlieCert)))5、Bob提交这个交易到fabric网络中
transfer函数： 1. Charlie成为了资产‘Picasso’的拥有者了 2. Charlie想要将‘Picasso’的所有权转交给Dave 3. Charlie获得Dave的一个TCert，我们叫这个证书为DaveCert 4. Charlie构建一个invoke交易，来调用transfer函数，参数为(‘Picasso’, Base64(DER(DaveCert))) 5. Charlie提交交易到fabric网络中
query函数用来查询资产的拥有者。
完成整套逻辑，需要我们写的chaincode的代码只有三百行。像在transfer的实现中，我们需要首先判断这个发起人的身份，确保只有资产所有者才能转移自己的资产，然后全网公证资产的转移，任何一方都无法篡改和抵赖。
6. Defect
其实fabric还存在着诸多的缺陷，毕竟目前还是一个襁褓中的婴儿。 例如memberserice与现有CA系统的集成，数据库部分也欠缺。 其实这里有一个开放性的命题，大家不妨一起想想，可以在博客下面的评论中留言，或许会碰撞出一些火花：VP（validating peer）节点是网络的实质性参与者，可以提出交易，并就交易达成一致，然后执行交易，但在fabric中有一个节点叫NVP（not-validating peer）节点，它只与某一个VP节点相连，不能参与交易执行和一致性达成，只能为它所连的VP节点分担API处理部分和事件部分的压力，但可以去查询网络产生的ledger，有人说这样的设计可以有助于监管者加入进来，监管者只需查询生成的ledger，而不需参与交易，也有人说NVP节点引入是为了降低VP节点的计算压力，将一些外围的操作让NVP节点来做。
7. Contribution
Implement SYNC_BLOCK_ADDED handler
我的一个同事实现了SYNC_BLOCK_ADDED消息的handler，这样在noops共识模式下，当一个block被加到（mined/added）ledger时，NVP节点就可以处理这条消息了，并将最新加入的block存在它自己的ledger中。
SYNC_BLOCK_ADDED message 对应的callback是beforeBlockAdded（core/peer/handler.go），官方代码如下：
func (d *Handler) beforeBlockAdded(e *fsm.Event) { peerLogger.Debugf("Received message: %s", e.Event) msg, ok := e.Args[0].(*pb.Message) if !ok { e.Cancel(fmt.Errorf("Received unexpected message type")) return } // Add the block and any delta state to the ledger _ = msg}
这里并没有去获取和处理block的信息，我们需要加入如下：
if ValidatorEnabled() { e.Cancel(fmt.Errorf("VP shouldn't receive SYNC_BLOCK_ADDED")) return } // Add the block and any delta state to the ledger- _ = msg blockState := &pb.BlockState{} err := proto.Unmarshal(msg.Payload, blockState) if err != nil { e.Cancel(fmt.Errorf("Error unmarshalling BlockState: %s", err)) return } coord := d.Coordinator blockHeight := coord.GetBlockchainSize() if blockHeight <= 0 { e.Cancel(fmt.Errorf(" ;No genesis block is made")) return } curBlock, err := coord.GetBlockByNumber(blockHeight -1) if err != nil { e.Cancel(fmt.Errorf("Error fetching block #%d, %s", blockHeight -1, err)) return } hash, err := curBlock.GetHash() if err != nil { e.Cancel(fmt.Errorf("Error hashing latest block")) return } if bytes.Compare(hash, blockState.Block.PreviousBlockHash) != 0 { e.Cancel(fmt.Errorf("PreviousBlockHash of received block doesnot match hash of current block")) return } coord.PutBlock(blockHeight, blockState.Block) delta := &statemgmt.StateDelta{} if err := delta.Unmarshal(blockState.StateDelta); nil != err { e.Cancel(fmt.Errorf("Received a corrupt state delta")) return } coord.ApplyStateDelta(msg, delta) if coord.CommitStateDelta(msg) != nil { e.Cancel(fmt.Errorf("Played state forward, hashes matched, but failed to commit, invalidated state")) return } peerLogger.Infof("Blockchain height grows into %d", coord.GetBlockchainSize())
Enable statetransfer for HELLO message
我们还发现当一个NVP节点刚加入网络时，它会发送一个DISC_HELLO message，随后从其他节点接收一个包含那个节点的blockchain信息的DISC_HELLO message，不过官方代码并没有给出NVP依据这些返回信息同步自己状态的实现。NVP正在网络中实施自己的状态同步时，一个新的block被mine，NVP却不能把这个新的block加入到自己的chain中。所以目前就出现了一个棘手的情况：当新的NVP节点刚加入网络时，通过HELLO message获取其他节点的blockchain信息开始同步自己的状态，这肯定需要一定的时间来完成，但与此同时，网络里的交易还在继续，新的block会被不断的mined，虽然NVP能接收到SYNC_BLOCK_ADDED，并拥有处理它的handler，但是这时候却不能将新的block信息加入到自己的chain中，因为hash不匹配，毕竟NVP节点并没有完成一开始的同步。
IBM HyperLeger 又叫 fabric，你可以把它想象成一个由全社会来共同维护的一个超级账本，没有中心机构拥揽权力，你的每一笔交易都是全网公开且安全的，信用由全社会共同见证。它与Bitcoin的关系就是，你可以利用fabric构建出一个叫Bitcoin的应用来帮助你change the world。
愿景是那么的牛X，貌似正合我们想改变世界的胃口，但是在残酷的现实和世界面前我们永远是天真幼稚的，blockchain需要一步一步脚印来构建它的宏伟蓝图，起码目前是没有将它用于工业生产和国家经济的案例的。
fabric源于IBM，初衷为了服务于工业生产，IBM将44,000行代码开源，是了不起的贡献，让我们可以有机会如此近的去探究区块链的原理，但毕竟IBM是从自身利益和客户利益出发的，并不是毫无目的的去做这项公益事业，我们在看fabric的同时要有一种审慎的思维：区块链不一定非得这样，它跟比特币最本质的非技术区别在哪里。我们先来大致了解一下fabric的关键术语（因为一些词汇用英文更准确，我就不硬翻译了）。
1. Terminology
Transaction 它一条request，用来在ledger上执行一个function，这个function是用chaincode来实现的Transactor 发出transaction的实体，比如它可能是一个客户端应用Ledger Legder可以理解为一串经过加密的block链条，每一个block包含着transactions和当前world state等信息World State world state是一组变量的集合，包含着transactions的执行结果Chaincode 这是一段应用层面的代码（又叫smart contract，智能合约），它存储在ledger上，作为transaction的一部分。也就是说chaincode来运行transaction，然后运行结果可能会修改world stateValidating Peer 参与者之一，它是一种在网络里负责执行一致性协议、确认交易和维护账本的计算机节点Nonvalidating Peer 它相当于一个代理节点，用来连接transactor和邻近的VP(Validating Peer)节点。一个NVP节点不会去执行transactions但是回去验证它们。同时它也会承担起事件流server和提供REST services的角色Permissioned Ledger 这是一个要求每一个实体和节点都要成为网络成员的blockchain网络，所有匿名节点都不被允许连接Privacy 用来保护和隐蔽chain transactors的身份，当网络成员要检查交易时，如果没有特权的话，是无法追踪到交易的transactorConfidentiality 这个特性使得交易内容不是对所有人可见，只开放给利益相关者Auditability 将blockchain用于商业用途需要遵守规则，方便监管者调查交易记录
2. Architecture
架构核心逻辑有三条：Membership、Blockchain和Chaincode。
2.1 Membership Services
这项服务用来管理节点身份、隐私、confidentiality 和 auditability。在一个 non-permissioned的区块链网络里，参与者不要求授权，所有的节点被视作一样，都可以去submit一个transaction，去把这些交易存到区块（blocks）中。那Membership Service是要将一个 non-permissioned的区块链网络变成一个permissioned的区块链网络，凭借着Public Key Infrastructure (PKI)、去中心和一致性。
2.2 Blockchain Services
Blockchain services使用建立在HTTP/2上的P2P协议来管理分布式账本。提供最有效的哈希算法来维护world state的副本。采取可插拔的方式来根据具体需求来设置共识协议，比如PBFT，Raft，PoW和PoS等等。< br>2.3 Chaincode Services
Chaincode services 会提供一种安全且轻量级的沙盒运行模式，来在VP节点上执行chaincode逻辑。这里使用Container环境，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，目前支持Go、Jave和Nodejs开发语言。
2.4 Events
在blockchain网络里，VP节点和chaincode会发送events来触发一些监听动作。比如chaincode是用户代码，它可以产生用户事件。
2.5 API 和 CLI
提供REST API，允许注册用户、查询blockchain和发送transactions。一些针对chaincode的API，可以用来执行transactions和查询交易结果。对于开发者，可以通过CLI快速去测试chaincode，或者去查询交易状态。
3. Topology
分布式网络的拓扑结构是非常值得研究的。在这个世界里散布着众多参与者，不同角色，不同利益体，各种各样的情况处理象征着分布式网络里的规则和法律，无规则不成方圆。在区块链网络里，有Membership service，有VP节点，NVP节点，一个或多个应用，它们形成一个chain，然后会有多个chain，每一个chain都有各自的安全要求和操作需求。
3.1 单个VP节点网络
最简单的网络就是只包含一个VP节点，因此就省去了共识部分。
3.2 多个VP节点网络
多个VP和NVP参与的网络才是有价值和实际意义的。NVP节点分担VP节点的工作压力，承担处理API请求和events的工作。
而对于VP节点，VP节点间会组成一个网状网络来传播信息。一个NVP节点如果被允许的话可以与邻近的一个VP节点相连。NVP节点是可以省略的，如果Application可以直接和VP节点通讯。
3.3 Multichain
还会存在一个网络里多条chain的情况，各个chain的意图不一样。
4. Protocol
fabric是用gRPC来做P2P通讯的，是一个双向流消息传递。使用 Protocol Buffer来序列化要传递的数据结构。
4.1 Message
message分四种：Discovery，Transaction，Synchronization 和 Consensus。每一种信息下还会包含更多的子信息，由payload指出。
payload是一个不透明的字节数组，它包含着一些对象，比如 Transaction 或者 Response。例如，如果 type 是 CHAIN_TRANSACTION，那么 payload 就是一个 Transaction的对象。
message Message { enum Type { UNDEFINED = 0;
DISC_HELLO = 1; DISC_DISCONNECT = 2; DISC_GET_PEERS = 3; DISC_PEERS = 4; DISC_NEWMSG = 5;
CHAIN_STATUS = 6; CHAIN_TRANSACTION = 7; CHAIN_GET_TRANSACTIONS = 8; CHAIN_QUERY = 9;
SYNC_GET_BLOCKS = 11; SYNC_BLOCKS = 12; SYNC_BLOCK_ADDED = 13;
SYNC_STATE_GET_SNAPSHOT = 14; SYNC_STATE_SNAPSHOT = 15; SYNC_STATE_GET_DELTAS = 16; SYNC_STATE_DELTAS = 17;
RESPONSE = 20; CONSENSUS = 21; } Type type = 1; bytes payload = 2; google.protobuf.Timestamp timestamp = 3;}
4.1.1 Discovery Messages
一个新启动的节点，如果CORE_PEER_DISCOVERY_ROOTNODE（ROOTNODE是指网络中其它任意一个节点的IP）被指定了，它就会开始运行discovery协议。而ROOTNODE就作为最一开始的发现节点，然后通过ROOTNODE节点进而发现全网中所有的节点。discovery协议信息是DISC_HELLO，它的payload是一个HelloMessage对象，同时包含信息发送节点的信息：
message HelloMessage { PeerEndpoint peerEndpoint = 1; uint64 blockNumber = 2;}me ssage PeerEndpoint { PeerID ID = 1; string address = 2; enum Type { UNDEFINED = 0; VALIDATOR = 1; NON_VALIDATOR = 2; } Type type = 3; bytes pkiID = 4;}
message PeerID { string name = 1;}
在这个刚加入节点完成DISC_HELLO这轮消息传递后，接下来回周期性的发送DISC_GET_PEERS来发现其它加入网络中的节点。为了回复DISC_GET_PEERS，一个节点会发送DISC_PEERS。
4.1.2 Synchronization Messages
Synchronization 协议是接着上面所说的discovery协议开始的，当一个节点发现它的block的状态跟其它节点不一致时，就会触发同步。该节点会广播（broadcast）三种信息：SYNC_GET_BLOCKS , SYNC_STATE_GET_SNAPSHOT 或者 SYNC_STATE_GET_DELTAS，同时对应接收到三种信息：SYNC_BLOCKS , SYNC_STATE_SNAPSHOT 或者 SYNC_STATE_DELTAS。
目前fabric嵌入的共识算法是pbft。
SYNC_GET_BLOCKS 会请求一系列连续的block，发送的数据结构中payload将是一个SyncBlockRange对象。
message SyncBlockRange { uint64 correlationId = 1; uint64 start = 2; uint64 end = 3;}
接收的节点会回复SYNC_BLOCKS，它的payload是一个SyncBlocks对象：
message SyncBlocks { SyncBlockRange range = 1; repeated Block blocks = 2;}
start和end表示起始和结束的block。例如start=3, end=5，代表了block 3,4,5；start=5, end=3，代表了block 5,4,3。
SYNC_STATE_GET_SNAPSHOT 会请求当前world state的一个snapshot，该信息的payload是一个SyncStateSnapshotRequest对象：
message SyncStateSnapshotRequest { uint64 correlationId = 1;}
correlationId是发出请求的peer用来追踪对应的该信息的回复。收到该消息的peer会回复SYNC_STATE_SNAPSHOT，它的payload是一个SyncStateSnapshot对象：
message SyncStateSnapshot { bytes delta = 1; uint64 sequence = 2; uint64 blockNumber = 3; SyncStateSnapshotRequest request = 4;}
SYNC_STATE_GET_DELTAS 默认Ledger会包含500个transition deltas。delta(j)表示block(i)和block(j)之间的状态转变（i = j -1）。
4.1.3 Consensus Messages
Consensus framework会将接收到的CHAIN_TRANSACTION转变成CONSENSUS，然后广播给所有的VP节点。
4.1.4 Transaction Messages
在fabric中的交易有三种：Deploy, Invoke 和 Query。Deploy将指定的chaincode安装到chain上，Invoke和Query会调用已经部署好的chaincode的函数。
4.2 Ledger
Ledger主要包含两块：blockchain和world state。blockchain就是一系列连在一起的block，用来记录历史交易。world state是一个key-value数据库，当交易执行后，chaincode会将state存在里面。
4.2.1 Blockchain
blockchain是指由一些block连成的list，每一个block都包含上一个block的hash。一个block还会包含一些交易列表以及执行所有这些交易后world state的一个hash。
message Block { version = 1; google.protobuf.Timestamp timestamp = 2; bytes transactionsHash = 3; bytes stateHash = 4; bytes previousBlockHash = 5; bytes consensusMetadata = 6; NonHashData nonHashData = 7;}
message BlockTransactions { repeated Transaction transactions = 1;}
那上一个block的hash是如何计算的呢：
用 protocol buffer 序列化block的信息用 SHA3 SHAKE256 算法将序列化后的block信息哈希成一个512字节的输出上面的数据结构中有一个 transactionHash， 它是transaction merkle tree的根节点（用默克尔树来描述这些交易）。
4.2.2 World State
一个peer 的world state是所有部署的chaincodes的状态（state）的集合。一个chaincode的状态由键值对（key-value）的集合来描述。我们期望网络里的节点拥有一致的world state，所以会通过计算world state的 crypto-hash 来进行比较，但是将会消耗比较昂贵的算力，为此我们需要设计一个高效率的计算方法。比如引入Bucket-tree来实现world state的组织。
world state中的key的表示为{chaincodeID, ckey}，我们可以这样来描述key， key = chaincodeID+nil+cKey。
world state的key-value会存到一个hash表中，这个hash表有预先定义好数量（numBuckets）的buckets组成。一个 hash function 会来定义哪个桶包含哪个key。这些buckets都将作为merkle-tree的叶子节点，编号最小的bucket作为这个merkle-tree最左面的叶子节点。倒数第二层的构建，从左开始每maxGroupingAtEachLevel（预先定义好数量）这么多的叶子节点为一组聚在一起，形成N组，每一组都会插入一个节点作为所包含叶子节点的父节点，这样就形成了倒数第二层。要注意的是，最末层的父节点（就是刚刚描述的插入的节点）可能会有少于maxGroupingAtEachLevel的孩子节点。按照这样的方法不断构建更高一层，直到根节点被构建出来。
举一个例子，{numBuckets=10009 and maxGroupingAtEachLevel=10}，它形成的tree的每一次包含的节点数目如下：
4.3 Consensus Framework
consensus framework包含了三个package：consensus、controller和helper。
consensus.Communicator用来发送消息给其他的VP节点consensus.Executor用于交易的启动、执行和回滚，还有preview、commitcontroller指定被VP节点使用的consensus pluginhelper用来帮助consensus plugin与stack交互，例如维护message handler目前有两个consensus plugin：pbft和noops。 pbft是 微软论文PBFT共识算法的一个实现。 noops 用于开发和测试，它没有共识机制，但是会处理所有consensus message，所以如果要开发自己的consensus plugin，从它开始吧。
4.3.1 Executor 接口
在源码中我们会经常看 executor 相关的代码，这个借口下的方法可以做到： 开始批量交易、执行交易、提交与回滚交易
4.3.2 Ledger 接口
type Ledger interface { ReadOnlyLedger UtilLedger WritableLedger}
ReadOnlyLedger接口用来查询 ledger 的本地备份，不做修改，函数有：
1、GetBlockchainSize() (uint64, error)，这个函数在源码里常见，返回了ledger的长度2、GetBlock(id uint64) (block *pb.Block, err error)3、GetCurrentStateHash() (stateHash []byte, err error)，返回 ledger 当前状态的hash
4.3.3 helper 包
helper包可以帮助VP节点建立与其他peer之间的通信和消息处理，helper.HandleMessage，这个函数会处理四种消息类型，
pb.Message_CONSENSUS pb.Message_CHAIN_TRANSACTION pb.Message_CHAIN_QUERY others
4.4 Chaincode
chaincode是一段应用级的代码，交易逻辑就在里面，fabric是用Docker容器来运行chaincode的。一旦chaincode容器被启动，它就会通过gRPC与启动这个chaincode的VP(Validating Peer)节点连接。
上面4.1提到的四种消息中有一种叫transaction message，包含Deploy, Invoke 和 Query。指的就是与chaincode相关的交易信息。chaincode需要实现三个函数，Init，Invoke 和 Query。Init是构造函数，它只在部署交易时被执行，Query函数用来读取状态。Invoke来进行交易的发生。
chaincode容器被部署时，会向对应的peer进行注册，注册之后，VP节点就会通知chaincode容器调用Init函数。其实peer跟chaincode容器之间是隔着一个shim层的，chaincode容器的shim层会接收来自peer的信息，根据信息调用chaincode相应的函数，如Invoke 。
5. What we can do
5.1 Asset Management 资产管理
这是一个在fabric上实现的一个chaincode demo，用来模拟数字资产的管理。chaincode一共有四个函数：init(user), assign(asset, user), transfer(asset, user), query(asset)。
在chaincode被部署时，init(user)就会被自动调用。设想一下， 1. Alice是这个chaincode的部署者； 2. Alice想要将管理员这个角色分配给Bob； 3. 之后Alice会获得Bob的一个TCert，我们叫这个证书BobCert； 4. Alice构建一条deploy交易，并将交易的元数据设置到BobCert； 5. Alice将这个交易提交到fabric网络中。
这样Bob就会被赋予管理员角色，这就是init函数要做的。接下来看一下assign：
1、Bob成为了chaincode的管理员2、Bob想要将资产‘Picasso’分配给Charlie3、Bob会获得Charlie的一个TCert，我们叫这个证书CharlieCert4、Bob构建一个invoke交易，来调用assign这个函数，参数是 (‘Picasso’, Base64(DER(CharlieCert)))5、Bob提交这个交易到fabric网络中
transfer函数： 1. Charlie成为了资产‘Picasso’的拥有者了 2. Charlie想要将‘Picasso’的所有权转交给Dave 3. Charlie获得Dave的一个TCert，我们叫这个证书为DaveCert 4. Charlie构建一个invoke交易，来调用transfer函数，参数为(‘Picasso’, Base64(DER(DaveCert))) 5. Charlie提交交易到fabric网络中
query函数用来查询资产的拥有者。
完成整套逻辑，需要我们写的chaincode的代码只有三百行。像在transfer的实现中，我们需要首先判断这个发起人的身份，确保只有资产所有者才能转移自己的资产，然后全网公证资产的转移，任何一方都无法篡改和抵赖。
6. Defect
其实fabric还存在着诸多的缺陷，毕竟目前还是一个襁褓中的婴儿。 例如memberserice与现有CA系统的集成，数据库部分也欠缺。 其实这里有一个开放性的命题，大家不妨一起想想，可以在博客下面的评论中留言，或许会碰撞出一些火花：VP（validating peer）节点是网络的实质性参与者，可以提出交易，并就交易达成一致，然后执行交易，但在fabric中有一个节点叫NVP（not-validating peer）节点，它只与某一个VP节点相连，不能参与交易执行和一致性达成，只能为它所连的VP节点分担API处理部分和事件部分的压力，但可以去查询网络产生的ledger，有人说这样的设计可以有助于监管者加入进来，监管者只需查询生成的ledger，而不需参与交易，也有人说NVP节点引入是为了降低VP节点的计算压力，将一些外围的操作让NVP节点来做。
7. Contribution
Implement SYNC_BLOCK_ADDED handler
我的一个同事实现了SYNC_BLOCK_ADDED消息的handler，这样在noops共识模式下，当一个block被加到（mined/added）ledger时，NVP节点就可以处理这条消息了，并将最新加入的block存在它自己的ledger中。
SYNC_BLOCK_ADDED message 对应的callback是beforeBlockAdded（core/peer/handler.go），官方代码如下：
func (d *Handler) beforeBlockAdded(e *fsm.Event) { peerLogger.Debugf("Received message: %s", e.Event) msg, ok := e.Args[0].(*pb.Message) if !ok { e.Cancel(fmt.Errorf("Received unexpected message type")) return } // Add the block and any delta state to the ledger _ = msg}
这里并没有去获取和处理block的信息，我们需要加入如下：
if ValidatorEnabled() { e.Cancel(fmt.Errorf("VP shouldn't receive SYNC_BLOCK_ADDED")) return } // Add the block and any delta state to the ledger- _ = msg blockState := &pb.BlockState{} err := proto.Unmarshal(msg.Payload, blockState) if err != nil { e.Cancel(fmt.Errorf("Error unmarshalling BlockState: %s", err)) return } coord := d.Coordinator blockHeight := coord.GetBlockchainSize() if blockHeight <= 0 { e.Cancel(fmt.Errorf(" ;No genesis block is made")) return } curBlock, err := coord.GetBlockByNumber(blockHeight -1) if err != nil { e.Cancel(fmt.Errorf("Error fetching block #%d, %s", blockHeight -1, err)) return } hash, err := curBlock.GetHash() if err != nil { e.Cancel(fmt.Errorf("Error hashing latest block")) return } if bytes.Compare(hash, blockState.Block.PreviousBlockHash) != 0 { e.Cancel(fmt.Errorf("PreviousBlockHash of received block doesnot match hash of current block")) return } coord.PutBlock(blockHeight, blockState.Block) delta := &statemgmt.StateDelta{} if err := delta.Unmarshal(blockState.StateDelta); nil != err { e.Cancel(fmt.Errorf("Received a corrupt state delta")) return } coord.ApplyStateDelta(msg, delta) if coord.CommitStateDelta(msg) != nil { e.Cancel(fmt.Errorf("Played state forward, hashes matched, but failed to commit, invalidated state")) return } peerLogger.Infof("Blockchain height grows into %d", coord.GetBlockchainSize())
Enable statetransfer for HELLO message
我们还发现当一个NVP节点刚加入网络时，它会发送一个DISC_HELLO message，随后从其他节点接收一个包含那个节点的blockchain信息的DISC_HELLO message，不过官方代码并没有给出NVP依据这些返回信息同步自己状态的实现。NVP正在网络中实施自己的状态同步时，一个新的block被mine，NVP却不能把这个新的block加入到自己的chain中。所以目前就出现了一个棘手的情况：当新的NVP节点刚加入网络时，通过HELLO message获取其他节点的blockchain信息开始同步自己的状态，这肯定需要一定的时间来完成，但与此同时，网络里的交易还在继续，新的block会被不断的mined，虽然NVP能接收到SYNC_BLOCK_ADDED，并拥有处理它的handler，但是这时候却不能将新的block信息加入到自己的chain中，因为hash不匹配，毕竟NVP节点并没有完成一开始的同步。
