区块链学习笔记--EKT设计要素

前言

解析过EKT项目,把认为对自己有用的点都总结下。

区块链项目的设计,多数类似BTC和ETH。当然还有像Fabric这种企业级联盟链,用到了kafka和gossip等技术栈。

笔者做了一段时间的底层开发,深知架构设计的重要性。对于高手来说,没有的轮子是可以自己造的,造个大规模消息/任务队列都只是想不想写的事情。但在企业中开发,追求的是稳定、性能、成本等等,所以通常希望使用开源组件,二次开发。

鉴于自己还不是高手,就把之前接触过的EKT底层组件都总结下。

账户设计

和ETH类似,用了账户模型,结合Merkle树进行设计,通过记录nonce值防止双花攻击。

核心逻辑:

func GenerateKeyPair() (pubkey, privkey []byte) {
    key, err := ecdsa.GenerateKey(S256(), rand.Reader)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    pubkey = elliptic.Marshal(S256(), key.X, key.Y)
    return pubkey, math.PaddedBigBytes(key.D, 32)
}

EKT采用ECDSA(椭圆曲线数字签名算法)生成地址,secp256k1方法作为该算法参数。

工程中,ecdsa和sha3_256算是两个主流加密算法。ecdsa(椭圆曲线数字签名算法)是一种非对称公钥加密算法,也是数字签名算法类比中的佼佼者,用于防止数据串改和验证数据真实性,对标RSA算法。sha3_256是一种哈希算法,也叫摘要技术,防止数据被篡改。

ECDSA相比于RSA有如下特点:

  • ECDSA的加密密钥更短
  • ECDSA的加密运算更快而安全性和RSA相当
  • RSA的私钥和公钥是可以互换加解密的,但ECDSA只能私钥加密公钥解密

ECDSA的核心是利用数论中大数分解比较困难。这里列出一些推荐的扩展阅读:

存储相关

EKT的数据库采用LevelDB和sync.map。LevelDB是Key-Value型数据库,用于数据持久化。sync.map是一种GO语言的数据结构,可用于缓存。EKT封装了sync.map,开发了自己的内存型K-V数据库。

早期,有两个核心的文件:db/levedb.go和db/MemKVDatabase.go。

在实际代码中,EKT将本地KV和内存KV组装在一起,构成混合型KV数据库。核心文件db/ComposedKVDatabase.go 代码:

type ComposedKVDatabase struct {
    mem     *MemKVDatabase    // 引用内存型K-V数据库
    levelDB *LevelDB          // 引用本地K-V数据库
}

// 抽象该混合型KV数据库
func NewComposedKVDatabase(filePath string) *ComposedKVDatabase {
    return &ComposedKVDatabase{
        mem:     NewMemKVDatabase(),
        levelDB: NewLevelDB(filePath),
    }
}

该数据库只有三个常用方法:

  • Set(key, value []byte):插入数据
  • Get(key []byte):查找数据
  • Delete(key []byte):删除数据

因为采用线性结构的区块链基因,所以并不会涉及update。

随着代码的迭代,笔者实测后发现:数据存在丢失的情况。之后,EKT官方去掉了自己的内存型K-V数据库,仅保留了leveldb相关。

这里,再次证明,稳定性好的东西,实在不好做。

链结构相关

链的结构包含了14个元素,依赖了外部包:i_consensus/consensus.go, pool/TxPool.go, police.go, block_manager.go

type BlockChain struct {
    ChainId       int64
    Consensus     i_consensus.ConsensusType    // 确认采用DPoS,Pow, Pos
    currentLocker sync.RWMutex
    currentBlock  Block
    currentHeight int64
    Locker        sync.RWMutex
    Status        int
    Fee           int64
    Difficulty    []byte
    Pool          *pool.TxPool                // 交易池
    BlockInterval time.Duration
    Police        BlockPolice                 // 用于记录从其他节点过来的block
    BlockManager  *BlockManager               // 区块管理器
    PackLock      sync.RWMutex
}

各字段的解释官方没有给出,之后通过对代码的详细分析,再给出精准定义。

简单提下创世过程。当主链在启动时发现没有区块的时候,将执行写创世区块的功能。

创世核心源码:

// 将创世块写入数据库
accounts := conf.EKTConfig.GenesisBlockAccounts
block = &blockchain.Block{
    Height:       0,
    Nonce:        0,
    Fee:          dpos.Blockchain.Fee,
    TotalFee:     0,
    PreviousHash: nil,
    CurrentHash:  nil,
    BlockBody:    blockchain.NewBlockBody(),
    Body:         nil,
    Timestamp:    0,
    Locker:       sync.RWMutex{},
    StatTree:     MPTPlus.NewMTP(db.GetDBInst()),
    StatRoot:     nil,
    TxTree:       MPTPlus.NewMTP(db.GetDBInst()),
    TxRoot:       nil,
    TokenTree:    MPTPlus.NewMTP(db.GetDBInst()),
    TokenRoot:    nil,
}

// 为每个创世账户更新默克尔树根
for _, account := range accounts {
    block.CreateGenesisAccount(account)
}

// 更新默克尔树根,改变StatRoot,使得block.StatRoot = block.StatTree.Root
block.UpdateMPTPlusRoot()

// 计算当前区块Hash值
block.CaculateHash()

// 持久化
dpos.Blockchain.SaveBlock(*block)

获取创世区块的账户(可以是多个账户),由主链启动时配置得到。生成首个区块的数据,做了一些改动后,写入数据库。

主链启动

经过对主链、共识机制的初始化,再运行共识模块的Run()即可启动。

主要有两步:

  1. 从本地数据库中恢复当前节点已同步的区块
  2. 同步区块

其中,同步区块方面有3个核心步骤:

  • 从其他节点同步,执行dpos.SyncHeight(Height)
  • 当区块同步失败,尝试3次,3次之后判断是否超级节点
  • 如果当前节点同步失败,且是超级节点,则通过投票结果来同步区块,执行dpos.startDelegateThread()进入打包区块的流程

主网启动流程图如下:

数据同步与恢复

一般是刚启动的节点从其他节点同步数据。

  • 第一步:GetRound()获取当前打包节点信息
  • 第二步:循环向各个节点发送请求,执行getBlockHeader()获取区块数据
  • 第三步:再请求该区块的投票结果,执行getVotes()获取投票结果
  • 第四步:执行Validate()校验投票结果的完整性和真实性,不合法重复第二步
  • 第五步:校验合法后,执行getBlockEvents()获取交易明细数据,再执行ValidateNextBlock()验证交易明细数据和区块数据是否合法,不合法重复第二步
  • 第六步:以上都合法,执行RecieveVoteResult()写入区块

流程图如下:

后续会对RecieveVoteResult()单独分析,该函数集成的功能较多,包括:验证投票、管理区块、改变状态、记录打包间隔、写区块等功能。

本地数据恢复流程,一图可以描述,不再多说。

结语

这篇文章的内容已经足够长且多。如果反响不错,会继续在深入写下对别人有价值的东西。

真正理解,还需要多多阅读源码。