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剖析Libra的Network组件

2019年6月18日,Facebook 发布了 Libra 白皮书及源码,引起了业界的广泛关注与讨论。

这里我们通过分析Libra的源码,探索Libra的各个组件,来了解一下Libra的整体设计与实现。

 

Libra核心组件

在进入主题之前,我们先对Libra有一个整体的认识:

剖析Libra的Network组件

看过Libra技术白皮书的朋友,应该都记得这张图,下面简单介绍一下这些核心的组件(后面还会有更详细的讨论):

​ a. AdmissionControl服务:简称AC,翻译过来叫准入控制,可以理解为Libra的网关,将跟用户打交道的接口暴露给用户,例如提交Transaction、获取用户状态等等

​ b. Mempool服务:存储未上链交易

​ c. Consensus组件:LibraBFT共识组件

​ d. VirtualMachine组件:简称VM,运行Move合约的虚拟机

​ e. Execution组件:VM的入口,已换成Executor组件

​ f. Storage服务:存储所有链上数据

​ g. Network组件:上图中隐含了一个Network组件,不论是Node启动还是跟其他节点通信,都需要Network组件。在第一条主线中,我们重点介绍Network组件。

注意,上面介绍各个核心组件的时候,我们区分了组件和服务,两者的区别是:组件没有额外监听端口,与node共用同一个端口,而服务会单独监听一个端口,通常是GRPC服务。

 

Libra设计与实现

Libra涉及的东西比较多,我们从三条线介绍Libra的设计与实现:

  1. 通过分析Node启动并加入到Libra网络的过程,介绍Network组件的设计与实现
  2. 围绕Transaction的生命周期,分析其接收交易、打包区块、运行上链的过程,介绍Libra的Mempool、Executor以及Storage、VM等核心组件;
  3. 围绕LibraBFT,介绍Consensus组件以及区块达成共识的过程

如果想了解或者使用Libra,我们需要先启动一个节点,并将它加入到网络中。接下来,我们看看第一条主线,了解一下Node的启动以及Network的设计与实现。

 

Node启动流程

我们先看一下Node大概的启动流程,主要包含两部分:

  1. 生成configLibra的Config的模块中,能构建3种类型的配置文件,分别是validator、faucet、fullnode的配置文件。其中faucet配置是水龙头服务相关的一些配置,通常只有测试网络中第一个validator节点才需要。剖析Libra的Network组件
  2. 启动node
  3. 剖析Libra的Network组件

上图中Libra-node用于启动单节点,Libra-swarm用于批量启动多节点。接下来,我们分别看一下这两步的一些实现细节,以及之前的准备工作。

 

准备工作

在一切继续之前,我们先准备需要依赖的环境

​ 1). 获取Libra代码

​ git clone https://github.com/libra/libra.git

​ 2). 编译和运行环境

​ a. 建议使用Libra自带的脚本script/dev_setup.sh安装环境依赖

​ b. 或者自己手动安装rust、cargo、git、pb、go、CMake等工具

生成config

​ 从前面的Node启动流程我们了解到,启动node首先需要生成配置。Libra包含的配置文件比较多,我们来整体看一下配置文件:

剖析Libra的Network组件

不过没有特殊需求的话,需要我们特别注意和关注的配置其实也不算多(见上图蓝色部分),主要有:

​ a. Node的角色分为Validator和FullNode

​ b. 生成3个秘钥,2个ed25519算法生成,分别用于打包block签名、网络的消息签名,Libra提供了一个generate_keypair工具生成ed25519秘钥(cargo run -p generate_keypair – -o mint.key),1个是x25519算法生成,用于标识节点身份

​ c. 数据存储路径,默认会生成临时路径

​ d. network_peers:存放网络中Node的公钥等信息,主要包含网络消息签名的公钥和节点身份的公钥

​ e. seed_peers:当前节点加入网络主动去连接的node的信息

​ f. consensus_peers:所有Validator节点的信息,Libra网络是一个许可形网络

​ g. 各服务的端口以及其他配置,没有特殊要求的话,默认就好

 

启动Node

  1. 连接Libra的测试网络sh scripts/cli/start_cli_testnet.sh
  2. 自建节点cargo run -p libra-node或者cargo run -p libra-swarm – -s

当前node启动起来之后,会根据seed_peers的配置,去连接相应的node节点,加入到网络中去,如果没有seed_peers则会启动一个单独的网络。接下来,我们深入了解一下Node的Network的一些设计与核心实现。

 

Network组件

1. Network核心模块

我们整体看一下Network包含哪些模块:

剖析Libra的Network组件

上面中,从下往上看:

​ a. MemSocket实现了UNIX domain socket的功能,一般用于测试

​ b. TcpSocket网络连接

​ c. Transport可以理解为MemSocket和TcpSocket的一层抽象,封装了socket的操作

​ d. Noise是一种加密协议,前面提到的用于网络消息签名的ed25519私钥,就是作用在这里

​ e. Rpc是Libra自己实现的远程过程调用协议,调用方会等待被调用方返回结果

​ f. DirectSend从字面理解是直接发送,调用方发送完立即返回,不等待被调用方返回结果

​ g. Negotiate可以理解为对Rpc和DirectSend的抽象

​ h. MultiStream用于多路复用,使用了yamux协议。通俗的理解就是在同一个Tcp连接上,从逻辑上将每种上层协议封装成一个单独SubStream,以实现多个上层协议共用一个Tcp连接的情况。这一点后面我们还会提到。

以上是Libra的Network组件的一个整体实现,接下来我们介绍一下Libra的协议。

 

2. Libra的主要协议

上面我们对Network组件有了一个宏观的认识,这里我们介绍一下Libra包含的协议:

剖析Libra的Network组件

上图中,从下往上看:

​ a. PeerManager封装了网络连接以及多路复用的操作

​ b. Identity协议:前面提到的x25519私钥,就是Identity协议用于标识当前节点的身份,协议会根据节点的Role将Validator网络与Fullnode网络进行隔离

​ c. Health协议:定期随机选择一个节点发送探活消息

​ d. Discovery协议:每个round从相邻的节点同步节点信息,以发现新节点,可以理解为gossip协议

​ e. AdmissionControl协议:只有RPC的实现,Fullnode节点在收到用户提交的Transaction之后,通过AC协议将Transaction转发给Validator节点

​ f. Mempool协议:只有DirectSend实现,用于不同的Mempool之间同步Transaction

​ g. Consensus协议:包含RPC和DirectSend,用于Validator之间达成共识

​ h. StateSynchronizer协议:只有DirectSend实现,不同node之间寻找Block

前面我们提到了多路复用,上面的协议都是通过MultiStream分别开了SubStream,逻辑上把消息协议区分出来。其中Identity、Health、Discovery是所有node都会包含的基本协议,而Consensus是只有Validator节点才会包含的协议。

 

总结

最开始我们讲了Node启动流程,讲述了config配置需要注意的地方以及node启动的方式和流程。然后我们深入到Network组件,讲了Network的组成模块以及提供的协议能力。我们以单节点为例,将整个启动以及加入网络的过程总结如下图:

剖析Libra的Network组件

其中黄色部分表示在Network的端口是开启了SubStream,添加了相应的协议和协议处理过程;绿色部分部分表示服务或者组件实例化,可以看出Storage和Executor不依赖Network;初始化Discovery协议的时候,节点会去连接seed节点,并且seed节点会验证Identity。以上是节点启动以及加入到网络的大概流程。

 

相关链接

https://github.com/libra/libra

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

 

本文作者Westar实验室技术专家邓启明。这是Westar实验室官网,欢迎大家关注 http://westar.io/

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