md_blockchain Java區(qū)塊鏈平臺(tái)

md_blockchain是一個(gè)Java區(qū)塊鏈平臺(tái)，基于Springboot開(kāi)發(fā)的區(qū)塊鏈平臺(tái)。

理想中的區(qū)塊鏈平臺(tái)：

項(xiàng)目說(shuō)明

主要有存儲(chǔ)模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、PBFT共識(shí)算法、加密模塊、區(qū)塊解析入庫(kù)等。

該項(xiàng)目屬于"鏈"，非"幣"。不涉及虛擬幣和挖礦。

存儲(chǔ)模塊

Block內(nèi)存儲(chǔ)的是類Sql語(yǔ)句。聯(lián)盟間預(yù)先設(shè)定好符合業(yè)務(wù)場(chǎng)景需要的數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)，然后設(shè)定好各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)表的操作權(quán)限（ADD，UPDATE，DELETE），將來(lái)各個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以按照自己被允許的權(quán)限，進(jìn)行Sql語(yǔ)句的編寫(xiě)，并打包至Block中，再全網(wǎng)廣播，等待全網(wǎng)校驗(yàn)簽名、權(quán)限等信息的合法性。如果Block合法，則進(jìn)入PBFT共識(shí)算法機(jī)制，各節(jié)點(diǎn)開(kāi)始按照PrePrepare、Prepare、Commit等狀態(tài)依次執(zhí)行，直到2f+1個(gè)commit后，開(kāi)始進(jìn)行本地生成新區(qū)塊。新區(qū)塊生成后，各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)塊內(nèi)容解析，并落地入庫(kù)的操作。

場(chǎng)景就比較廣泛了，可以設(shè)定不同的表結(jié)構(gòu)，或者多個(gè)表，進(jìn)而能完成各自類型信息的存儲(chǔ)。譬如商品溯源，從生產(chǎn)商、運(yùn)輸、經(jīng)銷商、消費(fèi)者等，每個(gè)環(huán)節(jié)都可以對(duì)某個(gè)商品進(jìn)行ADD信息的操作。

存儲(chǔ)采用的是key-value數(shù)據(jù)庫(kù)rocksDB，了解比特幣的知道，比特幣用的是levelDB，都是類似的東西。可以通過(guò)修改yml中db.levelDB為true，db.RocksDB為false來(lái)動(dòng)態(tài)切換使用哪個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

結(jié)構(gòu)類似于sql的語(yǔ)句，如ADD（增刪改） tableName（表名）ID（主鍵） JSON（該記錄的json）。這里設(shè)置了回滾的邏輯，也就是當(dāng)你做了一個(gè)ADD操作時(shí)，會(huì)同時(shí)存儲(chǔ)一條Delete語(yǔ)句，以用于將來(lái)可能的回滾操作。

網(wǎng)絡(luò)模塊

網(wǎng)絡(luò)層，采用的是各節(jié)點(diǎn)互相長(zhǎng)連接、斷線重連，然后維持心跳包。網(wǎng)絡(luò)框架使用的是t-io，也是oschina的知名開(kāi)源項(xiàng)目。t-io采用了AIO的方式，在大量長(zhǎng)連接情況下性能優(yōu)異，資源占用也很少，并且具備group功能，特別適合于做多個(gè)聯(lián)盟鏈的SaaS平臺(tái)。并且包含了心跳包、斷線重連、retry等優(yōu)秀功能。

在項(xiàng)目中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)即是server，又是client，作為server則被其他的N-1個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，作為client則去連接其他N-1個(gè)節(jié)點(diǎn)的server。同一個(gè)聯(lián)盟，設(shè)定一個(gè)Group，每次發(fā)消息，直接調(diào)用sendGroup方法即可。

但仍需要注意的是，由于項(xiàng)目采用了pbft共識(shí)算法，在達(dá)到共識(shí)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生N的3次方數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)通信，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，如已達(dá)到100時(shí)，每次共識(shí)將會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。這是算法本身的限制。

共識(shí)模塊PBFT

分布式共識(shí)算法是分布式系統(tǒng)的核心，常見(jiàn)的有Paxos、pbft、bft、raft、pow等。區(qū)塊鏈中常見(jiàn)的是POW、POS、DPOS、pbft等。

比特幣采用了POW工作量證明，需要耗費(fèi)大量的資源進(jìn)行hash運(yùn)算（挖礦），由礦工來(lái)完成生成Block的權(quán)利。其他多是采用選舉投票的方式來(lái)決定誰(shuí)來(lái)生成Block。共同的特點(diǎn)就是只能特定的節(jié)點(diǎn)來(lái)生成區(qū)塊，然后廣播給其他人。

區(qū)塊鏈分如下三類：

私有鏈：這是指在企業(yè)內(nèi)部部署的區(qū)塊鏈應(yīng)用，所有節(jié)點(diǎn)都是可以信任的，不存在惡意節(jié)點(diǎn)；

聯(lián)盟鏈：半封閉生態(tài)的交易網(wǎng)絡(luò)，存在不對(duì)等信任的節(jié)點(diǎn)，可能存在惡意節(jié)點(diǎn)；

公有鏈：開(kāi)放生態(tài)的交易網(wǎng)絡(luò)，為聯(lián)盟鏈和私有鏈等提供全球交易網(wǎng)絡(luò)。

由于私有鏈?zhǔn)欠忾]生態(tài)的存儲(chǔ)系統(tǒng)，因此采用Paxos類共識(shí)算法（過(guò)半同意）可以達(dá)到最優(yōu)的性能；聯(lián)盟鏈有半公開(kāi)半開(kāi)放特性，因此拜占庭容錯(cuò)是適合選擇之一，例如IBM超級(jí)賬本項(xiàng)目；對(duì)于公有鏈來(lái)說(shuō)，這種共識(shí)算法的要求已經(jīng)超出了普通分布式系統(tǒng)構(gòu)建的范疇，再加上交易的特性，因此需要引入更多的安全考慮。所以比特幣的POW是個(gè)非常好的選擇。

我們這里可選的是raft和pbft，分別做私鏈和聯(lián)盟鏈，項(xiàng)目中我使用了修改過(guò)的pbft共識(shí)算法。

先來(lái)簡(jiǎn)單了解pbft：

（1）從全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選舉出一個(gè)主節(jié)點(diǎn)（Leader），新區(qū)塊由主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)生成。

（2）每個(gè)節(jié)點(diǎn)把客戶端發(fā)來(lái)的交易向全網(wǎng)廣播，主節(jié)點(diǎn)將從網(wǎng)絡(luò)收集到需放在新區(qū)塊內(nèi)的多個(gè)交易排序后存入列表，并將該列表向全網(wǎng)廣播。

（3）每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到交易列表后，根據(jù)排序模擬執(zhí)行這些交易。所有交易執(zhí)行完后，基于交易結(jié)果計(jì)算新區(qū)塊的哈希摘要，并向全網(wǎng)廣播。

（4）如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到的2f（f為可容忍的拜占庭節(jié)點(diǎn)數(shù)）個(gè)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的摘要都和自己相等，就向全網(wǎng)廣播一條commit消息。

（5）如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到2f+1條（包括自己）commit消息，即可提交新區(qū)塊到本地的區(qū)塊鏈和狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（6）客戶端收到f + 1個(gè)成功（即便有f個(gè)失敗、再f個(gè)惡意返回的錯(cuò)誤信息，f + 1個(gè)正確的也是多數(shù)派）的返回，即可認(rèn)為該次寫(xiě)入請(qǐng)求是成功的。

可以看到，傳統(tǒng)的pbft是需要先選舉出leader的，然后由leader來(lái)搜集交易，并打包，然后廣播出去。然后各個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始對(duì)新Block進(jìn)行校驗(yàn)、投票、累積commit數(shù)量，最后落地。

而我這里對(duì)pbft做了修改，這是一個(gè)聯(lián)盟，各個(gè)節(jié)點(diǎn)是平等的，而且性能要高。所以我不想讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)都生成一個(gè)指令后，發(fā)給其他節(jié)點(diǎn)，再大家選舉出一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)搜集網(wǎng)絡(luò)上的指令組合再生成Block，太復(fù)雜了，而且又存在了leader節(jié)點(diǎn)的故障隱患。

我對(duì)pbft的修改是，不需要選擇leader，任何節(jié)點(diǎn)都可以構(gòu)建Block，然后全網(wǎng)廣播。其他節(jié)點(diǎn)收到該Block請(qǐng)求時(shí)即進(jìn)入Pre-Prepare狀態(tài)，校驗(yàn)格式、hash、簽名、和table的權(quán)限，校驗(yàn)通過(guò)后，進(jìn)入Prepare狀態(tài)，并全網(wǎng)廣播狀態(tài)。待自己累積的各節(jié)點(diǎn)Prepare的數(shù)量大于2f+1時(shí)，進(jìn)入commit狀態(tài)，并全網(wǎng)廣播該狀態(tài)。待自己累積的各節(jié)點(diǎn)Commit的數(shù)量大于2f+1時(shí)，認(rèn)為已達(dá)成共識(shí)，將Block加入?yún)^(qū)塊鏈中，然后執(zhí)行Block中sql語(yǔ)句。

很明顯，和有l(wèi)eader時(shí)相比，缺少了順序的概念。有l(wèi)eader時(shí)能保證Block的順序，當(dāng)有并發(fā)生成Block的需求時(shí)，leader能按照順序進(jìn)行廣播。譬如大家都已經(jīng)到number=5的區(qū)塊了，然后需要再生成2個(gè)，有l(wèi)eader時(shí)，則會(huì)按照6、7的順序來(lái)生成。而沒(méi)有l(wèi)eader時(shí)，則可能發(fā)生多節(jié)點(diǎn)同時(shí)生成6的情況。為了避免分叉，我做了一些處理，具體的可以在代碼里看實(shí)現(xiàn)邏輯。

區(qū)塊信息查詢

各節(jié)點(diǎn)通過(guò)執(zhí)行相同的sql來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)同步的sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)（或mysql等其他關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)），將來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)的查詢都是直接查詢sqlite，性能高于傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈項(xiàng)目。

由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)都能生成Block，在高并發(fā)下會(huì)出現(xiàn)區(qū)塊不一致的情況。如果因?yàn)槟承┰驅(qū)е骆湻植媪?，也提供了回滾機(jī)制，sql可以回滾。原理也很簡(jiǎn)單，你ADD一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，我會(huì)在區(qū)塊里同時(shí)記錄兩個(gè)指令，一個(gè)是ADD，一個(gè)是回滾用的DELETE。同理，UPDATE時(shí)也會(huì)保存原來(lái)的舊數(shù)據(jù)。區(qū)塊里的sql落地，譬如順序執(zhí)行1-10個(gè)指令，回滾時(shí)就是從10-1執(zhí)行回滾指令。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)記錄自己已經(jīng)同步了的區(qū)塊的值，以便隨時(shí)進(jìn)行sql落地入庫(kù)。

對(duì)區(qū)塊鏈信息的查詢，那就簡(jiǎn)單了，直接做數(shù)據(jù)庫(kù)查詢即可。相比于比特幣需要檢索整個(gè)區(qū)塊鏈的索引樹(shù)，速度和方便性就大不同了。