深入学习Fabric链码Chaincode

区块链学习笔记

 Liu Ke     2018-03-07   3338 words    & views

链码(chaincode)或者链上代码,是Fabric中十分关键的一个概念。链码源自智能合约的思想,并进行了进一步扩展,支持多种高级编程语言。

目前Fabric项目中提供了用户链码和系统链码。前者运行在单独的容器中,提供对上层应用的支持,后者则嵌入在系统内,提供对系统进行配置、管理的支持。

一般所谈的链码为用户链码,通过提供可编程能力提供了对上层应用的支持。用户通过链码相关的API编写用户链码,即可对账本中的状态进行更新操作。

链码会对Fabric应用程序发送的交易做出响应,执行代码逻辑,与账本进行交互。区块链网络中的成员商定业务逻辑后,可将业务逻辑编程到链码中,然后大家遵循合约来执行。

链码会创建一些状态(state)并写入账本中。状态带有绑定到链码的命名空间,并且仅限于创建它的链码所使用,不能被其他链码直接访问。但是,在合适的许可范围内,一个链码也可以调用另一个链码,间接访问其状态。另外,在一些场景下,不仅需要访问状态的当前值,还需要能够查询状态所有历史值,这就存放账本状态的数据库提出了更多的要求。

链码最核心的机构为ChaincodeSpec,对链码的部署和调用都基于该结构进行进一步封装(ChaincodeDeploymentSpecChaincodeInvocationSpec),链码信息至少需要指定名称、版本号和实例化策略。

链码经过安装和实例化操作之后,即可被调用。在安装的时候,需要指定安装到哪个Peer节点(Endorser);实例化的时候还需要指定是在哪个通道内进行实例化。链码之间还可以通过互相调用,创建更为灵活的应用逻辑。

链码在Fabric节点上的隔离沙盒(目前为Docker容器)中执行,并通过gRPC协议来与节点进行交互。必要的交互包括调用链码、读写账本、返回响应结果等。Fabric目前主要支持Go语言的链码。

gRPC消息协议

Fabric中大量采用了gRPC消息在不同组件之间进行通信交互,主要包括如下几种情况:

  • 客户端访问Peer节点

  • 客户端和Peer访问Orderer节点

  • 链码容器跟Peer节点之间通信

  • 多个Peer节点之间的通信

对于链码容器和Peer节点之间的操作,链码容器启动后,会向Peer节点进行注册,gRPC地址为/protos.ChaincodeSupport/Register。消息为ChaincodeMessage结构,如下图所示。Type为消息类型,TxId为关联交易的ID,Payload中存储消息内容。(定义在protos/peer/chaincode_shim.proto文件)。其中,Payload域中可以包括各种Chaincode操作消息,如GetHistoryForKeyGetQueryResultPutStateInfoGetStateByRange等。 注册完成后,双方建立起双工通道,通过更多消息类型来实现多种交互。

用户链码

用户链码相关的代码都在core/chaincode路径下。其中core/chaincode/shim包中的代码主要是供链码容器侧调用使用,其他代码主要是Peer侧使用。

Chaincode接口

Fabric中为链码提供了很好的封装支持,编写链码还是相对比较简单。以Golang为例,每个链码都需要实现以下Chaincode接口:

type Chaincode interface{

	Init(stub ChaincodeStubInterface) pb.Response

	Invoke(stub ChaincodeStubInterface) pb.Response

}

其中:

  • Init:当链码收到实例化(instantiate)或升级(upgrade)类型的交易时,Init方法会被调用。

  • Invoke:当链码收到调用(invoke)或查询(query)类型的交易时,Invoke方法会被调用。

链码结构

一个链码的必要结构如下所示,在其中利用shim.ChaincodeStubInterface结构,实现跟账本的交互逻辑:

package main

//引入必要的包

import(

	"github.com/hyperledger/fabric/core/chaincode/shim"

	pb "github.com/hyperledger/fabric/protos/peer"

)

//声明一个结构体

type SimpleChaincode struct {}


//为结构体添加Init方法

func (t *SimpleChaincode) Init(stub shim.ChaincodeStubInterface) pb.Response{

	//在该方法中实现链码运行中初始化或升级的处理逻辑

	//编写时可灵活使用stub中的API

}

//为结构体添加Invoke方法

func (t *SimpleChaincode) Invoke(stub shim.ChaincodeStubInterface) pb.Response{

	//在该方法中实现链码运行中被调用或查询时的处理逻辑

	//编写时可灵活使用stub中的API

}

//主函数,需要调用shim.Start()方法

func main() {

	err := shim.Start(new(SimpleChaincode))

	if err != nil {

		fmt.Printf("Error start Simple chaincode : %s", err)

	}

}

链码需要引入如下的依赖包:

  • "github.com/hyperledger/fabric/core/chaincode/shim"shim包提供了链码与账本交互的中间层。链码通过shim.ChaincodeStub提供的方法来读取和修改账本状态。

  • pb "github.com/hyperledger/fabric/protos/peer"InitInvoke方法需要返回pb.Response类型

编写链码关键的就是InitInvoke这两个方法。当部署或升级链码时,Init方法会被调用,用来完成一些初始化工作。当通过调用链码做一些实际工作时,Invoke方法被调用,响应调用或查询的业务逻辑都需要在Invoke方法中实现。InitInvoke方法以stub shim.ChaincodeStubInterface作为传入参数,pb.Response作为返回类型。其中,stub包含丰富的API,包块对账本进行操作、读取交易参数、调用其他链码等。

链码与Peer的交互

用户链码目前运行在Docker容器中,跟Peer节点之间通过gRPC通道进行通信,双方通过ChaincodeMessage消息进行交互。消息为ChaincodeMessage结构, Type为消息类型,TxId为关联交易的ID,Payload中存储消息内容。

用户链码容器和所属Peer节点的主要交互过程如图:

消息类型有如上图所示的十几种消息类型,负责整个用户链码的完整生命周期。一般情况下,链码从注册到Peer开始,一直到被调用,主要步骤同样如图所示。

链码基本工作原理

首先,用户通过客户端(SDK或CLI),Fabric的背书节点(endorser)发出调用链码的交易提案(proposal)。节点对提案进行包括ACL权限检查在内的各种检验,通过后则创建模拟执行这一交易的环境。

之后,节点和链码容器之间通过gRPC消息来交互,模拟执行交易并给出背书结论。两者之间采用ChaincodeMessage消息。

链码容器的shim层则是节点与链码交互的中间层。当链码的代码逻辑需要读写账本时,链码会通过shim层发送相应操作类型的ChaincodeMessage给节点,节点本地操作账本后返回相应消息。

客户端收到足够的背书节点的支持后,便可以将这笔交易发送给排序节点(orderer)进行排序,并最终写入区块链。

参考资料:《区块链 原理、设计与应用》 杨保华, 陈昌编著