LIBRA:技术入门 | 剖析Libra的Network组件_Tornado Finance

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。

陕西高院副院长：进一步加强区块链等技术的基础理论和标准体系研究:全国政协委员，陕西省高级人民法院副院长巩富文认为，应进一步加强区块链等技术的基础理论和标准体系研究，完善与电子数据相关的法律法规，从而更好厘清开放共享的边界，为新技术的应用和发展提供指导和保障。“既要适应新情况，也要关注新技术。以区块链为例，这一新技术有助于打造透明可信任、高效低成本的应用场景，构建实时互联、数据共享、联动协同的智能化机制。”（第一财经）[2020/5/26]

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

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。

声音 | Carol Goforth：美国监管机构对快速发展的加密货币新技术反应太慢:针对关于“为何美国还没有成为加密监管的领导者”的提问，阿肯色大学法学教授，前阿肯色律师基金会法学教授Carol Goforth表示，美国的监管机构分散在太多不同的机构中，它们都有自己的使命和利益需要维护。不仅仅是FinCEN、SEC、CFTC和IRS，其他都介入如何对加密资产进行分类和处理，还有50个州政府要考虑。在急于维护权威的过程中，基于他们认为自己理解的东西，其中许多人过度监管。所以我们一直在思考加密货币，好像所有加密货币都是同一种利益，可以由每个机构统一管理。美国国会无法解决这个问题，因为国会正忙于按党派划分。各州无法解决这个问题，因为它们根本不同意如何解决加密资产真正带来的无数问题。我们的监管计划分散在太多不同的机构和部门中，其方法往往过于单一，对快速发展的新技术反应太慢。（Cointelegraph）[2019/8/5]

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。

声音 | 微软区块链主管：区块链技术已经克服主流采用的最大障碍:据CryptoBriefing消息，微软区块链首席项目经理Yorke Rhodes强调，区块链技术已经克服了主流采用的最大障碍。具有前瞻性的科技公司已经开始将区块链或“Web 3.0”支付整合到其标准产品中。Rhodes指出三星S10和Opera浏览器是“相对无痛”搭载消费者的新方式。“我们真的在努力帮助企业跨越这个鸿沟。”他表示，摩根大通、微软和安永等越来越多公司的参与表明，企业采用的最大障碍已经被克服。[2019/5/13]

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

动态 | 日本音乐版权协会将于2020年引入区块链技术:据日经XTECH消息，日本音乐版权协会（JASRAC）理事长浅石道夫昨日表示，该协会将在2020年正式引入区块链技术。使用区块链技术，乐曲的使用、征收、分发的历史记录将不易篡改，并且可以提高音乐版权使用费的透明性。[2019/2/6]

?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：

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

现场 | 傅明：区块链技术是数字经济领域的重要组成:金色财经现场报道，12月14日，《数字经济全球合规论坛》在清华大学经管学院召开。会上中国国际经济技术促进会区块链技术与应用工作委员会执行秘书长傅明发表了演讲，他表示，数字经济会成为经济转型的重要关口，而区块链技术是数字经济领域的重要组成，区块链掀起了产业发展的高潮，在区块链的大背景下“上链行动”应运而生，“上链行动”将促进全球数字治理，推动数字经济发展。[2018/12/14]

?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。

相关链接

https://github.com/libra/libra

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

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