如何理解HyperLeger Fabric共識機制

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HyperLeger Fabric開發（四）——HyperLeger Fabric共識機制

一、Fabric共識過程

1、Fabric共識過程

Fabric區塊鏈的網絡節點本質上是互相復制的狀態機，節點之間需要保持相同的賬本狀態。為了實現分布式節點的一致性，各個節點需要通過共識過程，對賬本狀態的變化達成一致性的認同。
Fabric區塊鏈的共識過程包括3個階段：背書、排序和校驗。

2、背書

在背書（endorsement）階段中，背書節點對客戶端發來的交易提案進行合法性校驗，然后模擬執行鏈碼得到交易結果，最后根據設定的背書邏輯判斷是否支持該交易提案。如果背書邏輯決定支持交易提案，會把交易提案簽名后發回給客戶端。
客戶端通常需要根據鏈碼的背書策略，向一個或者多個成員的背書節點發出背書請求。背書策略會定義需要哪些節點背書交易才有效，例如需要5個成員的背書節點中至少3個同意；或者某個特殊身份的成員支持等。客戶端只有在收集足夠多的背書節點的交易提案簽名，交易才能被視為有效。

3、排序

排序（ordering）階段就是由排序服務對交易進行排序，確定交易之間的時序關系。排序服務把一段時間內收到的交易進行排序，然后把排序后的批量交易打包成數據塊（區塊），再把區塊廣播給通道中的成員。采用排序共識方式，各個成員收到的是一組發生順序相同的交易，從而保證了所有節點的數據一致性。
Fabric 1.0中的排序服務支持可插拔的架構，除了提供的SOLO和Kafka 模式外，用戶可以添加第三方的排序服務。SOLO是單機模式，僅適合開發測試中使用。Kafka模式是基于Kafka開源的分布式數據流平臺，具有高擴展性和容錯能力，適合用在生產系統。Kafka模式只提供了CFT類型的容錯能力，即僅可對節點的一般故障失效容錯，缺乏對節點故意作惡的行為進行容錯的能力。
排序服務是共識機制中重要的一環，所有交易都要通過排序服務的排序才可以達成全網共識，因此排序服務要避免成為網絡上的性能瓶頸。

4、校驗

校驗（Validation）階段是確認節點對排序后的交易進行一系列的檢驗，包括交易數據的完整性檢查、是否重復交易、背書簽名是否符合背書策略的要求、交易的讀寫集是否符合多版本并發控制MVCC（Multiversion Concurrency Control）的校驗等。當交易通過了所有校驗后，將被標注為合法并寫入賬本中。因為所有的確認節點都按照相同的順序檢驗交易，并且把合法的交易依次寫入賬本中，因此不同確認節點的狀態能夠始終保持一致。

二、Fabric共識機制

1、Fabric共識模式

在所有Peer節點中，交易信息必須按照一致的順序寫入賬本（區塊鏈的一致性基本原則）。例如，比特幣通過POW機制競爭記賬權，由最先完成數學難題的節點獲取記賬權并生成區塊，決定本區塊中的信息順序，并廣播給全網所有節點，以此來達成賬本的共識。而Hyperledger Fabric采用了更加靈活、高效的共識算法，以適應企業場景下對高TPS的要求。目前，Hyperledger Fabric有三種交易排序算法：Solo、Kafka、SBFT。
Solo：只有一個排序服務節點負責接收交易信息并排序，是最簡單的一種排序算法，一般用于開發測試環境中。Solo共識模式屬于中心化的處理方式，不支持拜占庭容錯。
Kafka：Kafka是Apache的一個開源項目，主要提供分布式的消息處理／分發服務，每個Kafka集群由多個服務節點組成。Hyperledger Fabric利用Kafka對交易信息進行排序處理，提供高吞吐、低延時的處理能力，并且在集群內部支持節點故障容錯，但不支持拜占庭容錯。
SBFT：簡單拜占庭算法，支持拜占庭容錯的可靠排序算法，包括容忍節點故障以及一定數量的惡意節點。目前，Hyperledger Fabric社區正在開發SBFT算法。

2、Solo共識模式

Solo共識模式指網絡環境中只有一個排序節點，從Peer節點發送來的消息由一個排序節點進行排序和產生區塊；由于排序服務只有一個排序節點為所有Peer節點服務，沒有高可用性和可擴展性，不適合用于生產環境，通常用于開發和測試環境。Solo共識模式調用時序圖如下：

Solo共識模式調用過程說明：
   A、Peer節點通過gPRC連接排序服務，連接成功后，發送交易信息。
   B、排序服務通過Recv接口，監聽Peer節點發送過來的信息，收到信息后進行數據區塊處理。
   C、排序服務根據收到的消息生成數據區塊，并將數據區塊寫入賬本（Ledger）中，返回處理信息。
   D、Peer節點通過deliver接口，獲取排序服務生成的區塊數據。

3、Kafka共識模式

共識集群由多個排序服務節點（OSN）和一個Kafka集群組成。排序節點之間不直接通信，僅僅與Kafka集群通信。
在排序節點的實現里，通道(Channel)在Kafka中是以主題topic的形式隔離。
每個排序節點內部，針對每個通道都會建立與Kafka集群對應topic的生產者及消費者。生產者將排序節點收到的交易發送到Kafka集群進行排序，在生產的同時，消費者也同步消費排序后的交易。

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