技術入門 | 剖析Libra的Network組件_LIB:LIBRA

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。

河南省新鄭市在疫情期間建設采用區塊鏈技術的不見面開標大廳:疫情期間，河南省新鄭市率先建設“蓮鶴”不見面開標大廳，采用“區塊鏈”技術，將線下開標現場搬到線上，引入具有投標身份識別、電子簽章、文件上傳、文件解密等多項功能的“標證通”，一部手機完成異地觀看、交流互動、投標解密、定位跟蹤等所有投標工作，為企業降低投標成本。率先開發建設金融服務支撐平臺，利用電子保函、投標貸、中標貸等服務，為企業與金融機構之間搭建信息橋梁。（河南商報）[2020/8/25]

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。

聲音 | 邢臺市重點項目建設領導小組：促進人工智能、區塊鏈技術應用及產業發展:近日，邢臺市重點項目建設領導小組辦公室在相關網站上公示了2020年邢臺市重點項目名單，邢臺市將以項目建設、優勢產業發展為抓手，貫徹落實“鞏固、增強、提升、暢通”八字方針，堅決去、主動調、加快轉，努力培育高質量趕超發展的“四梁八柱”。大力發展數字經濟，促進人工智能、區塊鏈技術應用及產業發展，加快布局5G基站、物聯網等新型基礎設施。推進工業互聯網創新發展和“千企上云”計劃。（河北新聞網）[2020/1/20]

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

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。

聲音 | 人民網：憑借人工智能、區塊鏈技術對借貸者財產狀況等指標進行識別:5月24日，人民網刊文《消費金融須去亂象走正道》。文章表示，首先，在控制牌照的同時，應加快征信基礎設施建設，建立合理有效的消費金融業務監管框架，對于貸款利率、貸款額度給予適度指導；其次，通過金融科技手段加強對信貸需求方的適當性管理，憑借人工智能、區塊鏈技術創建出對資金借入方財產收入、負債狀況等各項指標的靈敏識別機制，并據此合理授信，以隔離高杠桿帶來的金融風險；再者，在建立起對失信人聯合懲戒制度的基礎上，要將失信處理狀況通報本人工作單位，同時在網絡平臺與相關媒體上廣為公布，以此構造出借貸有度、消費有序的良好金融氛圍。[2019/5/24]

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：

聲音 | 中聯重科董事長：利用區塊鏈等新興技術整合行業資源的產業生態共生新時代即將到來:據經濟參考報消息，中聯重科(000157.SZ)董事長詹純新認為，憑借一個企業的一己之力追求單點突破的時代已經終結，隨之而來的是講求產業生態共生的新時代，是利用工業互聯、大數據、區塊鏈、人工智能等新興技術，整合行業資源，形成能力互補、利益共享、風險共擔的產業生態圈的能力。[2019/5/24]

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

動態 | 法國歐尚零售宣布利用區塊鏈技術實現部分商品可追溯性:據esmmagazine消息，法國量販店集團公司歐尚零售(Auchan Retail)宣布將在選定的產品類別中利用區塊鏈技術完成可追溯性，目前該系統已在越南市場成功試用。[2018/11/27]

?e.seed_peers：當前節點加入網絡主動去連接的node的信息

?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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