LIB:技术入门 | 剖析Libra的Network组件_HeroNode

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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：

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：

?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。

新加坡金管局启动CBDC技术探索项目兰花计划:11月9日消息，新加坡金管局局长孟文能（Ravi Menon）周二在该国一年一度的金融科技节上表示，新加坡启动了一个CBDC技术探索项目兰花计划（Project Orchid），旨在探索发行数字新加坡元所需的技术基础设施和技术能力，该项目将与私营部门展开合作。孟文能称发行零售CBDC最终是一种社会经济考量，而非货币考量，目前的相关益处尚不明显，外国数字货币取代本地货币的风险很低。他说数字新加坡元的金融包容性优势并不明显，因为新加坡人拥有银行账户的比例很高，而且当地的电子支付已经很高效。他说零售CBDC可能对货币和金融稳定构成重大风险，但这些风险也有望通过合理的保障措施加以管理。（彭博社）[2021/11/9 6:41:35]

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：

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；

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；

围绕LibraBFT，介绍Consensus组件以及区块达成共识的过程

动态 | 星云公布2019下半年技术路线图：3500万NAS的销毁方案将在8月开始征集:星云Nebulas公布2019年下半年技术路线图：2019年8月正式上线智能资产平台nextDAO；9月升级共识算法；10月份进行节点竞选，启动Nebulas主网节点去中心化、系统记账社区化；11月份，升级星云原力（Nebulas Force），实现自我升级和进化。此外，星云链将于2020年上半年将贡献度证明共识机制（Proof of Devotion, PoD）上线主网，2020年6月份，初步实现自治元网络。值得一提的是，关于3,500万NAS的销毁方案也将在8月开始征集。[2019/7/31]

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：

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。

动态 | 泰国将在投票选举活动中引入相关区块链技术:据《曼谷邮报》消息，泰国国家电子和计算机技术中心(NECTEC)已经开发出用于电子投票的区块链技术。NECTEC是一个法定的政府组织，在国家科学技术发展署和科技部的管辖范围内运作。该组织主要促进计算机、电子、信息技术和电信的发展。据报道，这项技术可以与传统的投票相结合。据NECTEC称，一旦5G技术被采用，所有投票将与这项新技术连接。[2019/1/3]

启动node

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

?gitclone?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

声音 | 马云致股东信：阿里巴巴将利用区块链等技术改革制造业:今晚，马云最后一次以阿里巴巴董事局主席身份致信全体股东。他表示，制造业正在面临冲击，许多中小企业在实体经济的调整中承受着前所未有的压力。阿里巴巴将赋能制造业，利用人工智能、区块链和物联网等技术帮助制造业变革，帮助千千万万的制造业企业应对未来的挑战。“这是我们和制造业共同的挑战，也是共同的机遇。”[2018/10/30]

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：

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，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(cargorun-pgenerate_keypair–-omint.key)，1个是x25519算法生成，用于标识节点身份

V神：区块链跨链技术大规模应用将在一到两年内爆发:以太坊创始人Vitalik Buterin近日接受采访表示，跨链加密货币交易这一技术也能应用到其他领域。目前最大的挑战仍然是寥寥无几的区块链实际应用和使用人群，现在除了个别领域外，还没到开始实施跨链应用的时机。但我觉得在一两年内，肯定可以看到这方面应用的大规模增长。[2018/3/15]

?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

连接Libra的测试网络shscripts/cli/start_cli_testnet.sh

自建节点cargorun-plibra-node或者cargorun-plibra-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：

上面中，从下往上看：

?a.MemSocket实现了UNIXdomainsocket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：

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：

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。