技術入門 | 以Transaction的生命周期為線索剖析Libra核心組件_ION

Libra涉及的東西比較多，我們從三條線介紹Libra的設計與實現：

通過分析Node啟動并加入到Libra網絡的過程，介紹Network組件的設計與實現；

圍繞Transaction的生命周期，分析其接收交易、打包區塊、運行上鏈的過程，介紹Libra的Mempool、Executor以及Storage、VM等核心組件；

圍繞LibraBFT，介紹Consensus組件以及區塊達成共識的過程。

前面我們講述了Libra的第一條主線——Node啟動以及加入網絡的過程，詳細介紹了Network組件的設計與實現。這里，我們將要講述Libra的第二條主線——Transaction的生命周期，再圍繞Transaction的生命周期，逐個講述Libra各個核心組件的一些設計與實現。在講述生命周期之前，我們先了解一下賬號模型以及Transaction與Move合約的關系。

賬號模型

實際上區塊鏈可以簡單的理解為：使用Transaction為載體，按大部分人認可的順序記錄每個Address的變更過程。為了達到這個目的，區塊鏈發展至今抽象出兩種賬號模型：以BTC為代表的UTXO模型和以ETH為代表的Account模型。這兩種模型各有優劣，簡單對比一下：

UTXO的英文是UnspentTransactionOutput，直譯就是未消費的交易輸出，一個Address的當前狀態就是一個UTXO列表。UTXO模型下，消費(構造Transaction)的時候拿出一個或者多個UTXO當作當前Transaction的Input，然后生成多個UTXO，Input和Output的總額是相等的。在未來的某個時刻，這些Output又被當做其他Transaction的Input。是不是跟紙鈔有些像？而Account模型中，每個Address通常包含一個的總額和SequenceNumber計數器。每次消費(構造Transaction)的時候會從當前Address的總額中減去消費額，在另一個Address中加上相應的消費額，同時通過SequenceNumber遞增的方式，保證當前Address構造的出來的所有Transaction有先后順序，從而保障賬號的狀態正確。

超圖軟件：主要方向是電子證照業務中使用區塊鏈技術:超圖軟件（300036.SZ）在互動平臺上回答投資者提問時表示，目前公司關于區塊鏈+不動產業務的主要方向是電子證照業務中使用區塊鏈技術，廣西的部分區域已經開始應用。[2020/3/6]

Libra使用的Account模型來表達賬本數據，所以Transaction有嚴格的先后順序。這點在后面我們還會提到。

Transaction與Move合約

前面我們了解了賬號模型，為了便于理解，以支付的場景做了類比。給我們的感覺就是，Transaction的作用就是對一個數字進行加減運算，例如Alice給Bob轉了一筆賬。那就不能應用于更多、更復雜的場景嗎？比如游戲。區塊鏈起步的時候，表達能力相對比較簡單，隨著區塊鏈的推廣，大家的需求越來越豐富，最初的設計難以滿足。我們希望能通過一門語言，在鏈上表達我們的需求，所以虛擬機、智能合約以及合約語言順勢產生了。這是一個很廣闊的話題。Libra推出了Move語言作為合約語言，這里我們不展開講。那么Transaction、鏈、Move到底是什么關系呢？

我們假設上圖是某個時刻，鏈上所存儲的賬號數據，其中Alice有一個Move定義的合約，code被存儲在她的賬號下。上圖的第①步中，Bob構建一個Transaction，在Transaction中指定運行Alice賬號下對應的合約的一個方法，并從自己的賬號下取出該合約方法能理解的數據作為方法的參數，然后對Transaction進行簽名并廣播出去。圖中第②步，礦工收到Bob的Transaction，打包到Block中，然后執行Bob的Transaction，并且將結果寫到Bob的賬號下面。整個過程中，大概的理解就是，Move定義了一段邏輯，Transaction設置了運行邏輯用到的數據，鏈記錄了邏輯運行之后的最終狀態。

浙江運用區塊鏈等數字技術有序推進企業復工復產:2月29日，經濟日報刊文稱，“能否復工，是否安全”，是落實農民工復工最復雜的一步。數字信息技術在指導企業有序復工上發揮了突出作用。浙江在疫情防控、員工返崗隔離、上下游聯動等過程中運用大數據、人工智能、區塊鏈等數字技術，在確保疫情可控的情況下，從2月10日開始，因地因時、分類有序推進企業復工復產。“大數據”還讓浙江的電商、物流和快遞在城市社區內暢通起來，努力實現“人受控、物暢通”的目標。[2020/2/29]

Transaction的生命周期

前面我們講了兩個背景知識，接下來，我們對Transaction的生命周期做一個整體的認識：

這張圖也是Libra的技術白皮書中的一張圖，跟前面介紹Libra核心組件那張圖有些像，但是箭頭上多了一些數字。這張圖實際上是表示一個Transaction從生成到打包，從執行到上鏈的完整的生命周期。下面我們依次介紹一下每個數字大概代表的意思:

1.交易被用戶使用wallet或者cli提交到AdmissionControl

2.AdmissionControl運行VM做一些Transaction的前置校驗，例如交易的簽名校驗等等，過濾掉一些無效交易

3.Transaction前置校驗通過后，會被提交到Mempool中

4.Transaction被設置為Ready狀態，等待被打包進Block中

5.Transaction被設置為Ready狀態之后，會被廣播給其他Mempool

6.Validator節點的Consensus組件pull對應的Mempool組件，獲取一批Ready狀態的Transaction，用于創建Block

動態 | 津巴布韋證交所CEO稱有興趣采用區塊鏈技術:據Cointelegraph消息，津巴布韋證券交易所（ZSE）首席執行官Justin Bgoni表示，如果能夠實現監管確定性，ZSE有興趣采用區塊鏈技術。Bgoni在支持區塊鏈技術的同時，正等待在ZSE應用區塊鏈技術，直到監管確定性問題得到解決：“我們不想做一些監管不明確的交易所，但區塊鏈技術非常好。”[2019/5/21]

7.新創建的Block被廣播給其他Validator節點，并且選舉Block

8.拿到新的Block之后，提交到Executor組件執行Block

9.新Block中的所有交易被提交給VirtualMachine組件，VM按順序執行Block的所有交易

10.提交被共識選舉勝出的Block

11.廣播被共識選舉勝出的Block

12.存儲勝出的Block中所有被KEEP的Transaction以及每個address對應的最終狀態

我們對Transaction的生命周期有了一個直觀的認識，接下來，我們深入每一個組件內部，了解更多的設計和實現細節。

AC服務

從交易被用戶提交開始，首先到AC服務。

在講述第一條主線的時候，我們提到了AC是一個GRPC服務，相當于是Node的一個網關。Node包含多個GRPC服務和很多的RPC接口，然而只有跟用戶打交道的兩類接口，才有必要暴露出去給wallet或者cli調用：

提交Transaction的接口

用戶狀態相關的接口

所以AC沒有太多的邏輯，只是對Node內部部分GRPC接口的一個封裝，以暴露給用戶使用。另外AC還有一個作用是對提交過來的Transaction做簡單的過濾。

Mempool服務

交易通過AC被提交到了Mempool服務。

動態 | 雄安紀檢監察工作推進會議強調廣泛應用區塊鏈等技術:據中國雄安官網消息，2月28日，雄安新區召開紀檢監察工作推進會議，會議強調，充分利用現代科技手段，廣泛應用大數據、區塊鏈等現代信息技術，探索構建全生命周期的權力運行監督體系，力爭實現所有行政行為源頭可溯、過程可查、效果可評、責任可追。[2019/3/2]

在講述第一條主線的時候，我們知道Mempool是用來存儲未上鏈的Transaction。我們先來看一看Mempool的整體設計：

Mempool主要包含兩個模塊：

MempoolService：是一個Grpc服務，用來接收從AC提交過來的Transaction

ShareMempool：主要有兩個作用，一個是通過Mempool協議(在第一條主線的時候有提到)在不同的Mempool節點之間同步Transaction，另外是存儲和處理Transaction

我們對Mempool有了一個整體的認識，但是還有些疑問，Mempool究竟對Transaction做了什么處理呢？什么情況下Transaction會被打包？Transaction又是什么時候被廣播給其他Mempool？接下來我們就解答一下這些疑問。

Mempool內的Transaction狀態轉化

Transaction提交到Mempool之后，首先會根據來源將其標記為不同的狀態：

Unready：用戶主動提交到MempoolService的交易狀態

NonQualified：其他節點同步過來的交易狀態

這些Transaction會按一定的順序排序，等待被標記成Ready狀態。前面我們提到了Libra采用Account模型，通過SequenceNumber將用戶發起的Transaction按順序關聯起來，當Mempool發現某個Transaction前面的所有其他Transaction都被上鏈了或者都是Ready狀態了，那么這個Transaction就可以被標記為Ready狀態了，也就意味著這個Transaction具備打包進區塊的條件了。如果當前被設置成Ready狀態的Transaction是從Unready狀態轉變過來的(也就是用戶通過AC提交到當前Mempool)，那么該Transaction會被轉發給其他的Mempool。

動態 | 廣東英德市政府應用區塊鏈技術保障茶葉品質:據東北局新聞網消息，近日，2018英德紅茶互聯網文化節在廣東省農業科學院茶葉研究所(英德基地)開幕，英德市委市政府表示，將深化與阿里巴巴的合作，通過應用區塊鏈技術，確保從茶園到茶杯的品質保障。為此，英德市質檢部門將在源頭對英德紅茶進行質量檢測，實現“一檢一碼”，銷售的每一包茶葉都會有一張專屬“身份證”。[2018/9/20]

上圖是Transaction在Mempool中大致的狀態轉化過程，而Transaction大概的排序規則是：gas_price>expiration_time>address>sequence_number

Consensus組件

前面介紹了Mempool的狀態轉化，用戶提交的Transaction處于Ready狀態，等待被打包到區塊中。考慮到Consensus的復雜性，以及當前主線主要是介紹Transaction的生命周期，這里只簡單的介紹一下上鏈流程，大概如下：

其中compute->execute以及commit->store會在后面講，vote將在第3條主線詳細講，這里暫時只需要注意兩個地方：

Consensus組件主動去Mempool中pull一批Ready狀態的Transaction，并打包到Block

Block被選舉并提交之后，Consensus組件會主動去刪除Mempool中被提交的Transaction

Executor&VM組件

由于Executor只是運行VM的一個入口，這里把Executor和VM合并到一起介紹。前面Consensus組件的流程中，Block被Build之后會被提交到Executor中comput，再進入VM中execute，這就是執行Transaction。也就是compute->execute過程，有些細節需要注意：

其中淺顏色由Executor發起，深顏色是在VM中執行的Move合約。Consensus組件將新的Block提交到Executor組件之后，Executor會為Block提供運行環境，初始化VM，依次在VM中運行Block的Coinbase和其他用戶Transaction。所以VM會最先執行Coinbase交易，也就運行LibraAccount合約中的blockprologue。然后再按順序依次執行Block中打包的Transaction，最后將執行之后的狀態返回給Consensus組件。

Storage服務

在介紹Consensus組件的時候，我們提到了Block會被commit，數據最終會被寫入Storage服務。也就是commit->store流程，這時候用戶提交的Transaction已經被大家認可。關于Storage服務，我們可能會有兩個疑問：

Storage服務包含哪些模塊？

Storage最終存儲了哪些數據？

Storage模塊

Storage是一個GRPC服務，存儲了所有鏈上的數據，用戶的賬本狀態等信息就是從Storage獲取的。Libra選擇了RocksDB作為底層存儲的數據庫，SchemaDB基于RocksDB封裝了對數據統一的CRUD操作以及Key-Value的系列化與反序列化方式。LibraDB是圍繞Libra的賬本數據和特點，定義了一系列數據結構，并針對這些數據結構進行數據庫的操作。將所有的這些操作，封裝成Storage服務，提供給Executor、AC等組件使用。

賬本數據

前面講述Storage服務包含的模塊，我們了解到LibraDB圍繞Libra賬本的特點定義了一些數據結構，Libra賬本有什么特點？那么包含哪些核心數據結構呢？

賬本特點Libra采用Account，需要存儲全局的用戶狀態，當前狀態的所有歷史交易以及交易的順序。也就是說，Storage需要存儲的主要數據：用戶狀態、交易及交易順序。跟其他公鏈不同的是，一般的公鏈通過記錄Block順序(Block內的交易也是有序的)，來達到記錄所有交易和交易的順序的目的。而Libra直接存儲交易，采用MerkleAccumulator來記錄交易的順序。

核心數據結構Libra為了存儲用戶狀態、交易及交易順序，分別使用了SparseMerkleTree和MerkleAccumulator。

SparseMerkleTree使用256比特存儲用戶狀態，理論上總共可以有2的256次方個賬號。上圖是4比特SparseMerkleTree的例子，每個橙色的葉子節點代表了一個用戶；正方形的方塊是占位符，表明該分支下沒有賬號，減少賬號的存儲；

MerkleAccumulator存儲交易以及交易的順序。上圖中，每個深顏色的葉子節點表示一個Transaction；正方形的方塊是占位符。新上鏈的交易會按順序一個一個被加入到后面。

?上面提到了Storage的兩個核心數據結構，整個Storage都在圍繞他們進行存儲和優化，更多細節不再展開。

總結

?以上是Transaction整個生命周期的過程，依次經過AC、Mempool、Consensus、Executor、VM的處理，最終存儲到Storage。然后我們深入到每一個組件或者服務，既介紹了他們的一些設計和實現，也了解了Transaction被處理的核心細節。

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