An Introduction to Hyperledger Fabric
作者：禅与计算机程序设计艺术
1.简介
Hyperledger Fabric是一个开源分布式账本项目，可以让不同组织的多方参与对交易记录进行管理、验证和协调。它实现了私有/联盟链、金融、供应链等众多区块链应用场景，是继比特币之后又一款重要的公开分布式区块链平台。
在了解 Hyperledger Fabric 之前，需要先理解一些 Hyperledger Fabric 的基本概念和术语。
2. 基本概念术语说明
2.1 Fabric网络模型
Hyperledger Fabric 是由多个节点组成的分布式系统，这些节点通过基于共识协议达成一致，并在一个共享账本上维护交易数据。 Hyperledger Fabric 提供了一个可扩展的架构，允许在不断变化的业务需求中快速迭代升级。
Fabric网络架构 ：Fabric 网络是由多个节点（或称 Peer）组成，每个节点都在运行共识引擎并加入到网络中。每个 Peer 可以提供服务，同时也扮演着通信组件的角色。当一条交易被写入到网络中时，所有节点都会验证该交易，并最终形成一份共识结果。
网络中的每一个Peer都负责维护一份完整的副本的共享账本，并且可以通过共识协议执行各种操作，如创建新的通道、安装智能合约、调用交易方法等。不同的 Peer 可以部署不同的业务逻辑，形成具有独特性质的多通道网络。
Fabric组件 ：如下图所示，Hyperledger Fabric 包括以下组件：
- Ordering Service (排序服务): 对交易请求进行排序、执行共识、生成区块，并将区块传播给网络中的其他节点。
- Membership Services (成员服务): 用于管理网络成员的身份验证、授权、证书签发等功能。
- Ledger (账本): 存储交易数据，并允许向其中添加新的数据。
- Gossip Protocol (gossip 协议): 一种去中心化的 P2P 网络协议，用于将消息从一个节点传递到整个网络。
- CouchDB (NoSQL 数据库): 一种嵌入式的 NoSQL 数据库，用于保存账本数据。
- Chaincode (智能合约): 可编程的代码包，用于处理交易并更新账本状态。
- SDKs (开发工具包): 用于构建应用程序连接至 Hyperledger Fabric 的接口。
Fabric架构特点 ：Hyperledger Fabric 是一个模块化架构，允许各个子系统独立升级，适用于复杂的金融和科技场景。
Scalability : Hyperledger Fabric 支持水平扩展，允许网络中的 Peer 节点按照业务需求增减。
High Throughput and Low Latency : Hyperledger Fabric 通过 gossip 协议支持低延迟的高吞吐量，能够满足实时交互场景下的需求。
Privacy : Hyperledger Fabric 提供了一系列隐私保护机制，包括交易加密、匿名性以及基于身份认证的权限控制。
Governance and Trust : Hyperledger Fabric 使用属性、策略、联邦治理、排序服务等组件构建了一个可信任的系统，可以在不可信任的环境中安全地交换信息和交易。
Provenance and Auditability : Hyperledger Fabric 记录了每条交易的信息，确保数据的真实性、完整性以及流程透明性。
Smart Contract Integration : Hyperledger Fabric 提供了两种方式与现有的智能合约框架集成，分别是将 Chaincode 插件化到底层的 Fabric 引擎中，或者将已有的 Fabric 系统作为独立的分区运行，并与现有的区块链系统集成。
Versatility : Hyperledger Fabric 兼容主流的操作系统和云计算平台，可以使用几乎任意语言编写智能合约，并利用丰富的 SDK 和组件进行应用构建。
3. Fabric 核心算法原理及操作步骤
3.1 工作模式
Fabric 使用一个工作模式来保证所有节点都能够正确执行所有的交易。交易首先被提交到某一个特定节点（下称“初始背书节点”），这个节点将把该交易数据加进自己的本地区块链副本中，同时通知其他的节点进行背书。随后，其他的节点会对该交易的有效性进行验证（包括签名检查、智能合约检查等）。如果所有节点的验证结果都是“同意”，那么这笔交易就会被标记为“有效”，并且就可以被提交到区块链上。
下面是 Fabric 中的主要工作流程：
- 客户端提交交易请求。
- 请求被转发到排序服务。
- 初始背书节点接收到请求，收集交易数据和相关的 endorsement （背书）Signatures，并将它们放入一个叫做“待处理区块”的文件夹。
- 每隔一段时间（取决于网络规模），排序服务就会将待处理区块里的所有交易打包成一个区块，并广播出去。
- 节点收到区块后，就开始验证区块的有效性。第一步就是检查区块头是否符合预期，然后检查签名证书是否有效。验证完毕后，节点就会把区块保存到自己本地的区块链副本中。
- 当某个节点想把交易提交到区块链上时，它只需要向排序服务发送一条交易提案，然后等待背书签名。一旦获得足够数量的签名，该交易就可以提交到区块链上。
- 如果某个交易因为某种原因没有得到足够的背书签名，它就可能会被标记为无效。这种情况下，需要采取相应的补救措施，比如撤销交易、降低交易费用等。
3.2 共识协议
共识协议决定了如何在多个节点之间达成一致。在 Hyperledger Fabric 中，共识协议采用 PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance)，这是一种简单而强大的拜占庭容错型共识算法。PBFT 假设系统中的任意一个进程都可能发生故障，但只会影响很少的一部分交易，因此它的性能要优于其他的共识算法。
共识协议定义了网络中的所有 Peer 节点如何达成共识，即选举出一组节点来共同审批交易。通过这样的方法，Fabric 可以在不依赖任何中央authority的情况下，使交易数据在整个网络中快速、一致地同步。
3.3 区块结构
每一个区块都包含很多交易数据，而且 Fabric 将它们存在一个叫做 Ledger 的分布式数据库里。为了确保区块的有效性，Fabric 使用数字签名来防止篡改。区块头包含一些元数据，如数字签名、区块号、区块大小、上一个区块哈希值等。区块体则包含一系列交易数据，每个交易都包含一串数字签名、交易发起者的标识符、交易操作类型、交易输入输出等信息。
3.4 智能合约
智能合约是一种编程语言，它允许用户根据一组规则创建和更新区块链上的状态。智能合约可以帮助管理复杂的资产和关系，还可以用来自动化合同履行流程。Fabric 提供了两种类型的智能合约：
- System chaincodes: 这些是由 Fabric 系统管理员编写的链码，负责管理网络和通道，并负责执行一些关键的基础性操作，例如身份管理和记录系统事件。
- Application chaincodes: 这些是由网络中的用户编写的自定义链码，他们可以通过 API 来与区块链上的资源进行交互。
为了更好地理解 Hyperledger Fabric 的智能合约，这里再总结一下两类链码的特点：
- System chaincodes:
系统链码由系统管理员编写，它们只能对特定的系统资源进行读写操作，例如：
CDS(Configuration Deployment System) - 管理系统配置。ESCC(Endorsement System Chaincode) - 执行背书。LCCC(Lifecycle System Chaincode) - 管理生命周期的相关操作，例如链码部署、版本升级、链码实例化和调用。
- Application chaincodes:
应用程序链码由应用开发人员编写，使用的是与 Fabric 兼容的编程语言。应用程序链码运行在通道上，与系统链码不同，它可以访问受权限保护的系统资源。另外，它也可以创建、更新或删除区块链上的状态。
4. Fabric 代码实例及其具体操作步骤
本节展示 Hyperledger Fabric 具体操作步骤，包括代码实例及代码的详细解释。
4.1 配置网络
配置 Hyperledger Fabric 需要准备好多个文件，包括创世区块文件、排序服务配置文件、网络配置文件、组织MSP文件、通道配置文件等。创建配置文件后，即可启动 Hyperledger Fabric 。下面是 Hyperledger Fabric 创建网络的一般步骤：
- 生成创世区块：首先，创建一个目录，然后在目录下创建配置文件。创建一个名为
core.yaml的文件，并指定链的名称和通道的名称。 - 生成身份材料：接着，为网络中的每个组织生成身份材料。需要为每个组织创建包含私钥和证书的 MSP 文件。
- 配置排序服务：创建排序服务配置
orderer.yaml。指定排序服务所使用的证书，并设置集群节点的 IP 地址和端口。 - 配置网络：创建网络配置
network.sh，并指定网络参数，如域名、IP 地址等。 - 创建通道：在 CLI 或 UI 上创建通道。
- 安装并实例化链码：在 CLI 或 UI 上安装和实例化链码。
- 连接 SDK：连接 Hyperledger Fabric SDK ，完成应用构建。
4.2 操作区块链
操作 Hyperledger Fabric 区块链的一般步骤如下：
- 连接区块链：首先，连接网络，包括排序服务和组织节点。
- 登录：获取身份材料，并登陆到 Hyperledger Fabric 网络中。
- 查询交易信息：查询交易信息，包括通道信息、最新区块高度、当前链码的版本号等。
- 创建通道：根据需求创建新的通道。
- 安装链码：将链码安装到指定的通道上。
- 实例化链码：根据链码的描述文件实例化链码，分配给目标通道。
- 调用链码：向链码提交交易，调用链码中的函数。
- 响应结果：链码执行成功后，返回响应结果。
下面是 Hyperledger Fabric 操作区块链的具体代码实例：
4.2.1 获取区块链信息
// 连接区块链
const gateway = new Gateway();
await gateway.connect(ccp, { wallet, identity });
try {
// 登录
const network = await gateway.getNetwork('mychannel');
// 查询区块链信息
const blockchainInfo = await network.query.getBlockchainInfo();
console.log(`当前区块高度 ${blockchainInfo.height}`);
console.log(`当前链码版本 ${blockchainInfo.currentBlockHash}`);
} catch (error) {
console.error(error);
} finally {
// 关闭连接
await gateway.disconnect();
}
代码解读4.2.2 创建通道
// 连接区块链
const gateway = new Gateway();
await gateway.connect(ccp, { wallet, identity });
try {
// 登录
const network = await gateway.getNetwork('mychannel');
// 检查是否已经存在此通道
const channelExists = await network.getChannel('mychannel');
if (!channelExists) {
// 创建通道
await network.createChannel('mychannel');
console.log(`通道 mychannel 创建成功`);
} else {
console.log(`通道 mychannel 已存在`);
}
} catch (error) {
console.error(error);
} finally {
// 关闭连接
await gateway.disconnect();
}
代码解读4.2.3 安装链码
// 连接区块链
const gateway = new Gateway();
await gateway.connect(ccp, { wallet, identity });
try {
// 登录
const network = await gateway.getNetwork('mychannel');
// 连接 peer node
const contract = network.getContract('fabcar');
// 安装链码
const installResponse = await contract.submitTransaction('Install', 'v1.0');
console.log(`链码 fabcar 安装成功，版本 v1.0`);
} catch (error) {
console.error(error);
} finally {
// 关闭连接
await gateway.disconnect();
}
代码解读4.2.4 实例化链码
// 连接区块链
const gateway = new Gateway();
await gateway.connect(ccp, { wallet, identity });
try {
// 登录
const network = await gateway.getNetwork('mychannel');
// 连接 peer node
const contract = network.getContract('fabcar');
// 实例化链码
const instantiateResponse = await contract.submitTransaction('Instantiate', 'v1.0', 'initLedger');
console.log(`链码 fabcar 实例化成功，版本 v1.0`);
} catch (error) {
console.error(error);
} finally {
// 关闭连接
await gateway.disconnect();
}
代码解读4.2.5 调用链码
// 连接区块链
const gateway = new Gateway();
await gateway.connect(ccp, { wallet, identity });
try {
// 登录
const network = await gateway.getNetwork('mychannel');
// 连接 peer node
const contract = network.getContract('fabcar');
// 发起调用
const response = await contract.evaluateTransaction('QueryAllCars');
console.log(`查询结果 ${response}`);
} catch (error) {
console.error(error);
} finally {
// 关闭连接
await gateway.disconnect();
}
代码解读4.2.6 执行交易
// 连接区块链
const gateway = new Gateway();
await gateway.connect(ccp, { wallet, identity });
try {
// 登录
const network = await gateway.getNetwork('mychannel');
// 连接 peer node
const contract = network.getContract('fabcar');
// 调用链码
const transactionId = await contract.submitTransaction('CreateCar', carNumber, make, model, color, owner);
console.log(`交易 ID 为 ${transactionId}，创建车辆成功`);
} catch (error) {
console.error(error);
} finally {
// 关闭连接
await gateway.disconnect();
}
代码解读4.3 测试 Hyperledger Fabric
测试 Hyperledger Fabric 时，最重要的是验证交易的有效性，验证交易的过程如下：
- 创建测试网络：首先，创建一套测试网络，包括一个排序服务节点和两个组织节点。
- 配置测试网络：为网络中的每个组织生成身份材料，并修改排序服务配置文件。
- 创建测试通道：创建一个测试通道。
- 安装链码：将测试链码安装到测试通道上。
- 实例化链码：根据链码的描述文件实例化链码，分配给目标通道。
- 调用链码：调用链码中的函数，并将交易信息写入区块链。
- 查看区块链信息：查看区块链中的交易信息，确认交易的有效性。
- 清理测试网络：清理测试网络，删除测试区块链、身份材料等数据。
下面是 Hyperledger Fabric 测试交易的具体代码实例：
4.3.1 配置测试网络
此处省略配置测试网络的步骤。
4.3.2 创建测试通道
此处省略创建测试通道的步骤。
4.3.3 安装链码
此处省略安装链码的步骤。
4.3.4 实例化链码
此处省略实例化链码的步骤。
4.3.5 调用链码
此处省略调用链码的步骤。
4.3.6 查看区块链信息
此处省略查看区块链信息的步骤。
5. 未来发展趋势与挑战
Hyperledger Fabric 有许多优秀的特性，可以满足各种业务场景。但是，它的架构仍然处于不断发展阶段，仍有很多地方可以优化。下面列出 Hyperledger Fabric 未来的发展方向和挑战。
5.1 可伸缩性
当前 Hyperledger Fabric 的架构设计在可伸缩性上仍有不少问题。尤其是在大规模网络中，节点的增加会导致区块生成速度的减缓，进而导致链的分叉。另外，网络规模的扩大也会导致 Hyperledger Fabric 整体的资源消耗越来越大，影响 Hyperledger Fabric 节点的性能。
5.2 隐私保护
Hyperledger Fabric 目前还不能完全解决隐私保护的问题。相对于比特币或其他类似的加密货币系统来说，隐私保护主要依靠交易加密和匿名性。但是 Hyperledger Fabric 还没有提供足够的隐私保护机制，比如身份认证、访问控制等。
5.3 扩展能力
Hyperledger Fabric 的扩展能力相比其他区块链平台来说，还有很长的路要走。例如，目前 Fabric 只支持 Go 语言编写的智能合约。同时，Fabric 的一些组件还存在一些性能限制，例如排序服务节点的吞吐量和内存。
5.4 可用性
Hyperledger Fabric 作为开源的分布式系统，它的可用性一直很强劲。但是，当前 Hyperledger Fabric 仍然依赖于底层的组件，如排序服务节点、共识协议等，它们都有单点故障的风险。因此，在实际生产环境中， Hyperledger Fabric 仍然存在潜在的可用性问题。
6. 附录：常见问题与解答
Q：Hyperledger Fabric 是什么？
A：Hyperledger Fabric 是一个开源的分布式账本项目，可以让不同组织的多方参与对交易记录进行管理、验证和协调。它实现了私有/联盟链、金融、供应链等众多区块链应用场景，是继比特币之后又一款重要的公开分布式区块链平台。