ブロックチェーン: どのような PoC を構築すべきでしょうか?

目は怖くて、手はかゆくなります。

以前の記事では、ブロックチェーンを構築するテクノロジーについて説明しました (ブロックチェーンを構築するにはどうすればよいでしょうか?）と彼らの助けを借りて実装できるケース（なぜケースを作成する必要があるのでしょうか?）。 手を動かして仕事をする時が来ました！ パイロットと PoC (概念実証) を実装するには、クラウドを使用することを好みます。 世界中のどこからでもアクセスでき、多くの場合、面倒な環境のインストールに時間を浪費する必要がありません。 プリセット設定があります。 そこで、たとえば、参加者間でコインを転送するためのネットワークなど、単純なものを作成しましょう。それを控えめにビットコインと呼びましょう。 このために、IBM クラウドとユニバーサル ブロックチェーン Hyperledger Fabric を使用します。 まず、Hyperledger Fabric がユニバーサル ブロックチェーンと呼ばれる理由を考えてみましょう。

Hyperledger Fabric - ユニバーサルブロックチェーン

一般に、ユニバーサル情報システムとは次のようなものです。

• ビジネス ロジックを実行する一連のサーバーとソフトウェア コア。
• システムと対話するためのインターフェイス。
• デバイス/人の登録、認証、認可のためのツール。
• 運用データとアーカイブ データを保存するデータベース:

Hyperledger Fabric の正式版は、次の場所で読むことができます。 オンライン、つまり、Hyperledger Fabric は、プライベート ブロックチェーンを構築し、JS および Go プログラミング言語で書かれた任意のスマート コントラクトを実行できるオープンソース プラットフォームです。 Hyperledger Fabric のアーキテクチャを詳細に見て、これがデータの保存と記録のみを備えた汎用システムであることを確認しましょう。 特異性は、すべてのブロックチェーンと同様に、参加者が合意に達した場合にのみデータがブロックチェーン上に配置されるブロックに保存され、記録後にデータをこっそり修正したり削除したりすることができないことです。

ハイパーレジャーファブリックアーキテクチャ

この図は、Hyperledger Fabric のアーキテクチャを示しています。

企業・組織の方へ — 組織にはピアが含まれます。つまり、 ブロックチェーンは組織のサポートによって存在します。 異なる組織が同じチャネルに参加することができます。

チャネル — ピアをグループに結合する論理構造。 ブロックチェーンが指定されています。 Hyperledger Fabric は、異なるビジネス ロジックを持つ複数のブロックチェーンを同時に処理できます。

会員サービスプロバイダー (MSP) ID の発行と役割の割り当てを行う CA (認証局) です。 ノードを作成するには、MSP と対話する必要があります。

ピアノード — トランザクションを検証し、ブロックチェーンを保存し、スマート コントラクトを実行し、アプリケーションと対話します。 ピアは、MSP によって発行された ID (デジタル証明書) を持っています。 すべてのノードが同等の権利を持つビットコインやイーサリアムのネットワークとは異なり、ハイパーレジャー ファブリックではノードが異なる役割を果たします。

• ピアかもしれない 仲間を支持する (EP) し、スマートコントラクトを実行します。
• ピアをコミットしています (CP) - ブロックチェーンにデータを保存し、「世界状態」を更新するだけです。
• アンカーピア (AP) - 複数の組織がブロックチェーンに参加している場合、それらの間の通信にはアンカー ピアが使用されます。 各組織には XNUMX つ以上のアンカー ピアが必要です。 AP を使用すると、組織内のどのピアも他の組織内のすべてのピアに関する情報を取得できます。 AP 間の情報を同期するために使用されます ゴシッププロトコル.
• リーダーピア — 組織に複数のピアがある場合、ピアのリーダーのみが順序付けサービスからブロックを受け取り、残りのピアに渡します。 リーダーは静的に指定することも、組織内のピアによって動的に選択することもできます。 ゴシップ プロトコルは、リーダーに関する情報を同期するためにも使用されます。

資産 — 価値があり、ブロックチェーンに保存されているエンティティ。 より具体的には、これは JSON 形式のキーと値のデータです。 ブロックチェーンに記録されるのはこのデータです。 それらには、ブロックチェーンに保存される履歴と、「世界状態」データベースに保存される現在の状態があります。 データ構造はビジネスタスクに応じて任意に埋められます。 必須フィールドはありません。唯一の推奨事項は、資産には所有者が存在し、価値があることです。

元帳 — ブロックチェーンと資産の現在の状態を保存する Word 状態データベースで構成されます。 World state は LevelDB または CouchDB を使用します。

スマート契約 — スマート コントラクトを使用して、システムのビジネス ロジックが実装されます。 Hyperledger Fabric では、スマート コントラクトはチェーンコードと呼ばれます。 チェーンコードを使用して、資産とそのトランザクションを指定します。 技術的に言えば、スマート コントラクトは、JS または Go プログラミング言語で実装されたソフトウェア モジュールです。

推奨ポリシー — チェーンコードごとに、トランザクションの確認を何回、誰から期待するかに関するポリシーを設定できます。 ポリシーが設定されていない場合、デフォルトは「トランザクションはチャネル内の組織のメンバーによって確認される必要がある」になります。 ポリシーの例:

• トランザクションは組織の管理者によって承認される必要があります。
• 組織のメンバーまたはクライアントによる確認が必要です。
• ピア組織による確認が必要です。

オーダーサービス — トランザクションをブロックにパックし、チャネル内のピアに送信します。 ネットワーク上のすべてのピアへのメッセージの配信を保証します。 産業用システムに使用される Kafka メッセージ ブローカー、開発およびテスト用 のみ.

コールフロー

• アプリケーションは、Go、Node.js、または Java SDK を使用して Hyperledger Fabric と通信します。
• クライアントは tx トランザクションを作成し、それを承認ピアに送信します。
• ピアはクライアントの署名を検証し、トランザクションを完了し、エンドースメント署名をクライアントに送り返します。 チェーンコードは承認ピア上でのみ実行され、その実行結果はすべてのピアに送信されます。 この作業アルゴリズムは、PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerant) コンセンサスと呼ばれます。 とは異なり クラシックBFT メッセージが送信され、すべての参加者からの確認が期待されるのではなく、特定の参加者のみからの確認が期待されるという事実。
• クライアントは、承認ポリシーに対応する数の応答を受信した後、トランザクションを注文サービスに送信します。
• 順序付けサービスはブロックを生成し、それをコミットしているすべてのピアに送信します。 順序付けサービスにより、ブロックの順次記録が保証され、いわゆるレジャーフォーク (「フォーク」のセクションを参照してください。);
• ピアはブロックを受信し、承認ポリシーを再度確認し、ブロックをブロックチェーンに書き込み、「世界状態」DB の状態を変更します。

それらの。 これにより、ノード間の役割が分割されます。 これにより、ブロックチェーンがスケーラブルで安全であることが保証されます。

• スマート コントラクト (チェーンコード) はピアの承認を実行します。 これにより、スマート コントラクトの機密性が保証されます。 すべての参加者によって保存されるのではなく、承認したピアによってのみ保存されます。
• 注文は迅速に行われる必要があります。 これは、Ordering がブロックを形成し、それをリーダー ピアの固定セットに送信するだけであるという事実によって保証されます。
• コミットピアはブロックチェーンを保存するだけです。ピアは多数存在する可能性があり、多くの電力と即時の操作を必要としません。

Hyperledger Fabric のアーキテクチャ ソリューションの詳細と、Hyperledger Fabric がこの方法で機能し、他の方法では機能しない理由については、こちらをご覧ください。 建築の起源 またはここに： Hyperledger Fabric: 許可型ブロックチェーン用の分散オペレーティング システム.

したがって、Hyperledger Fabric は、次のことができる真の汎用システムです。

• スマートコントラクトメカニズムを使用して任意のビジネスロジックを実装します。
• JSON 形式でブロックチェーン データベースからデータを記録および受信します。
• 認証局を使用して API アクセスを許可し、検証します。

Hyperledger Fabric の詳細について少し理解できたので、最後に役立つことをやってみましょう。

ブロックチェーンの導入

問題の定式化

タスクは、アカウントの作成、残高の取得、アカウントの補充、あるアカウントから別のアカウントへのコインの送金などの機能を備えた Citcoin ネットワークを実装することです。 オブジェクト モデルを描いてみましょう。これをさらにスマート コントラクトに実装します。 したがって、名前で識別され、残高と口座のリストが含まれる口座が存在します。 アカウントとアカウントのリストは、Hyperledger Fabric 資産の観点から言えます。 したがって、それらには歴史と現状があります。 これを明確に描いてみます。

上の数字は、「世界の状態」データベースに保存されている現在の状態です。 その下には、ブロックチェーンに保存されている履歴を示す図があります。 資産の現状は取引によって変化します。 資産は全体としてのみ変更されるため、トランザクションの結果として新しいオブジェクトが作成され、資産の現在の価値が履歴に残ります。

IBMクラウド

でアカウントを作成します IBMクラウド。 ブロックチェーン プラットフォームを使用するには、従量課金制にアップグレードする必要があります。 このプロセスは迅速ではない可能性があります。理由は次のとおりです。 IBM は追加情報を要求し、手動で検証します。 良い点として、IBM には、Hyperledger Fabric をクラウドに導入できる優れたトレーニング資料があると言えます。 次の一連の記事と例が気に入りました。

• ブロックチェーン プラットフォームを使用して基本的なブロックチェーン ネットワークを作成する
• ブロックチェーンスマートコントラクトを作成して実行する
• ブロックチェーンプラットフォームからイベントを発行する

以下は、IBM Blockchain プラットフォームのスクリーンショットです。 これはブロックチェーンの作成方法に関する説明ではなく、単にタスクの範囲を説明するものです。 したがって、私たちの目的のために、XNUMX つの組織を作成します。

その中にノードを作成します: Orderer CA、Org1 CA、Orderer Peer:

ユーザーを作成します。

チャネルを作成し、それに citcoin という名前を付けます。

基本的にチャネルはブロックチェーンであるため、ブロック XNUMX (Genesis ブロック) から始まります。

スマートコントラクトを書く

/*
 * Citcoin smart-contract v1.5 for Hyperledger Fabric
 * (c) Alexey Sushkov, 2019
 */
 
'use strict';
 
const { Contract } = require('fabric-contract-api');
const maxAccounts = 5;
 
class CitcoinEvents extends Contract {
 
    async instantiate(ctx) {
        console.info('instantiate');
        let emptyList = [];
        await ctx.stub.putState('accounts', Buffer.from(JSON.stringify(emptyList)));
    }
    // Get all accounts
    async GetAccounts(ctx) {
        // Get account list:
        let accounts = '{}'
        let accountsData = await ctx.stub.getState('accounts');
        if (accountsData) {
            accounts = JSON.parse(accountsData.toString());
        } else {
            throw new Error('accounts not found');
        }
        return accountsData.toString()
    }
     // add a account object to the blockchain state identifited by their name
    async AddAccount(ctx, name, balance) {
        // this is account data:
        let account = {
            name: name,
            balance: Number(balance),       
            type: 'account',
        };
        // create account:
        await ctx.stub.putState(name, Buffer.from(JSON.stringify(account)));
 
        // Add account to list:
        let accountsData = await ctx.stub.getState('accounts');
        if (accountsData) {
            let accounts = JSON.parse(accountsData.toString());
            if (accounts.length < maxAccounts)
            {
                accounts.push(name);
                await ctx.stub.putState('accounts', Buffer.from(JSON.stringify(accounts)));
            } else {
                throw new Error('Max accounts number reached');
            }
        } else {
            throw new Error('accounts not found');
        }
        // return  object
        return JSON.stringify(account);
    }
    // Sends money from Account to Account
    async SendFrom(ctx, fromAccount, toAccount, value) {
        // get Account from
        let fromData = await ctx.stub.getState(fromAccount);
        let from;
        if (fromData) {
            from = JSON.parse(fromData.toString());
            if (from.type !== 'account') {
                throw new Error('wrong from type');
            }   
        } else {
            throw new Error('Accout from not found');
        }
        // get Account to
        let toData = await ctx.stub.getState(toAccount);
        let to;
        if (toData) {
            to = JSON.parse(toData.toString());
            if (to.type !== 'account') {
                throw new Error('wrong to type');
            }  
        } else {
            throw new Error('Accout to not found');
        }
 
        // update the balances
        if ((from.balance - Number(value)) >= 0 ) {
            from.balance -= Number(value);
            to.balance += Number(value);
        } else {
            throw new Error('From Account: not enought balance');          
        }
 
        await ctx.stub.putState(from.name, Buffer.from(JSON.stringify(from)));
        await ctx.stub.putState(to.name, Buffer.from(JSON.stringify(to)));
                 
        // define and set Event
        let Event = {
            type: "SendFrom",
            from: from.name,
            to: to.name,
            balanceFrom: from.balance,
            balanceTo: to.balance,
            value: value
        };
        await ctx.stub.setEvent('SendFrom', Buffer.from(JSON.stringify(Event)));
 
        // return to object
        return JSON.stringify(from);
    }
 
    // get the state from key
    async GetState(ctx, key) {
        let data = await ctx.stub.getState(key);
        let jsonData = JSON.parse(data.toString());
        return JSON.stringify(jsonData);
    }
    // GetBalance   
    async GetBalance(ctx, accountName) {
        let data = await ctx.stub.getState(accountName);
        let jsonData = JSON.parse(data.toString());
        return JSON.stringify(jsonData);
    }
     
    // Refill own balance
    async RefillBalance(ctx, toAccount, value) {
        // get Account to
        let toData = await ctx.stub.getState(toAccount);
        let to;
        if (toData) {
            to = JSON.parse(toData.toString());
            if (to.type !== 'account') {
                throw new Error('wrong to type');
            }  
        } else {
            throw new Error('Accout to not found');
        }
 
        // update the balance
        to.balance += Number(value);
        await ctx.stub.putState(to.name, Buffer.from(JSON.stringify(to)));
                 
        // define and set Event
        let Event = {
            type: "RefillBalance",
            to: to.name,
            balanceTo: to.balance,
            value: value
        };
        await ctx.stub.setEvent('RefillBalance', Buffer.from(JSON.stringify(Event)));
 
        // return to object
        return JSON.stringify(from);
    }
}
module.exports = CitcoinEvents;

直感的には、ここですべてが明らかになるはずです。

• デモ プログラムが Hyperledger Fabric API を使用して呼び出す関数 (AddAccount、GetAccounts、SendFrom、GetBalance、RefillBalance) がいくつかあります。
• SendFrom 関数と RefillBalance 関数は、デモ プログラムが受信するイベントを生成します。
• インスタンス化関数は、スマート コントラクトがインスタンス化されるときに XNUMX 回呼び出されます。 実際、これは XNUMX 回だけではなく、スマート コントラクトのバージョンが変更されるたびに呼び出されます。 したがって、空の配列でリストを初期化することは悪い考えです。 ここで、スマート コントラクトのバージョンを変更すると、現在のリストは失われます。 でも大丈夫、ただ勉強しているだけです）。
• アカウントとアカウントのリストは JSON データ構造です。 データ操作にはJSを使用します。
• getState 関数呼び出しを使用してアセットの現在の値を取得し、putState を使用して更新できます。
• アカウントを作成するときに、AddAccount 関数が呼び出され、ブロックチェーン内の最大アカウント数 (maxAccounts = 5) が比較されます。 そしてここには側枠があり (お気づきですか?)、アカウントの数が無限に増加することにつながります。 このような間違いは避けるべきです）

次に、スマート コントラクトをチャネルにロードし、インスタンス化します。

スマート コントラクトをインストールするトランザクションを見てみましょう。

チャンネルの詳細を見てみましょう。

その結果、IBM クラウド内のブロックチェーン ネットワークの次の図が得られます。 この図には、仮想サーバー上の Amazon クラウドで実行されているデモ プログラムも示されています (詳細は次のセクションで説明します)。

Hyperledger Fabric API呼び出し用のGUIの作成

Hyperledger Fabric には、次の目的で使用できる API があります。

• チャンネルを作成します。
• ピアツーチャネル接続。
• チャネル内でのスマート コントラクトのインストールとインスタンス化。
• トランザクションの呼び出し。
• ブロックチェーンに関する情報をリクエストします。

アプリケーション開発

デモ プログラムでは、トランザクションの呼び出しと情報のリクエストのみに API を使用します。 IBM ブロックチェーン プラットフォームを使用して残りの手順をすでに完了しています。 標準テクノロジー スタック (Express.js + Vue.js + Node.js) を使用して GUI を作成します。 最新の Web アプリケーションの作成を開始する方法については、別の記事を書くことができます。 ここに、私が最も気に入った一連の講義へのリンクを残しておきます。 Vue.js と Express.js を使用したフルスタック Web アプリ。 その結果、Google のマテリアル デザイン スタイルの使い慣れたグラフィカル インターフェイスを備えたクライアント サーバー アプリケーションが完成しました。 クライアントとサーバー間の REST API は、いくつかの呼び出しで構成されます。

• HyperledgerDemo/v1/init - ブロックチェーンを初期化します。
• HyperledgerDemo/v1/accounts/list — すべてのアカウントのリストを取得します。
• HyperledgerDemo/v1/account?name=Bob&balance=100 — Bob アカウントを作成します。
• HyperledgerDemo/v1/info?account=Bob — Bob アカウントに関する情報を取得します。
• HyperledgerDemo/v1/transaction?from=Bob&to=Alice&volume=2 — ボブからアリスに XNUMX 枚のコインを転送します。
• HyperledgerDemo/v1/disconnect - ブロックチェーンへの接続を閉じます。

に含まれる例を含む API の説明 郵便配達員のウェブサイト - HTTP API をテストするためのよく知られたプログラム。

Amazonクラウドでのデモアプリケーション

アプリケーションを Amazon にアップロードした理由は... IBM はまだ私のアカウントをアップグレードできず、仮想サーバーの作成を許可してくれません。 ドメインにチェリーを追加する方法: www.citcoin.info。 しばらくサーバーをオンにしたままにしてから、オフにします。なぜなら... 家賃のセントは滴り落ちており、シトコインコインはまだ証券取引所に上場されていません）作業のロジックが明確になるように、記事にデモのスクリーンショットを含めています。 デモ アプリケーションでは次のことができます。

• ブロックチェーンを初期化します。
• アカウントを作成します (ただし、ブロックチェーン内のスマート コントラクトで指定されたアカウントの最大数に達しているため、現在は新しいアカウントを作成できません)。
• アカウントのリストを受け取ります。
• アリス、ボブ、アレックスの間で citcoin コインを転送します。
• イベントを受信します (ただし、現在はイベントを表示する方法がないため、わかりやすくするために、インターフェイスではイベントがサポートされていないことが示されています)。
• アクションをログに記録します。

まずブロックチェーンを初期化します。

次に、アカウントを作成します。残高を確認するために時間を無駄にしないでください。

利用可能なすべてのアカウントのリストを取得します。

送信者と受信者を選択し、残高を取得します。 送信者と受信者が同じ場合、そのアカウントは補充されます。

ログではトランザクションの実行を監視します。

実際、デモ プログラムはこれですべてです。 以下にブロックチェーン内のトランザクションを示します。

トランザクションの一般的なリストは次のとおりです。

これにより、Citcoin ネットワークを作成するための PoC の実装が正常に完了しました。 Citcoin が本格的なコイン転送ネットワークになるためには他に何をする必要があるでしょうか? ごくわずか：

• アカウント作成段階で、秘密鍵/公開鍵の生成を実装します。 秘密キーはアカウント ユーザーとともに保存する必要があり、公開キーはブロックチェーンに保存する必要があります。
• ユーザーを識別するために名前ではなく公開キーを使用してコイン転送を行います。
• ユーザーからサーバーに送信されるトランザクションを秘密キーを使用して暗号化します。

まとめ

私たちは次の機能を備えた Citcoin ネットワークを実装しました: アカウントの追加、残高の取得、アカウントの補充、あるアカウントから別のアカウントへのコインの送金。 では、PoC の構築にはどれくらいの費用がかかりましたか?

• ブロックチェーン全般、特に Hyperledger Fabric について学習する必要があります。
• IBM または Amazon クラウドの使い方を学びます。
• JS プログラミング言語と Web フレームワークを学びます。
• 一部のデータをブロックチェーンではなく別のデータベースに保存する必要がある場合は、PostgreSQL などとの統合方法を学習してください。
• そして最後に重要なことですが、Linux の知識がなければ現代の世界では生きていけません!)

もちろん、ロケット科学ではありませんが、一生懸命働く必要があります。

GitHub での更新

ソースを載せる GitHubの。 リポジトリの簡単な説明:
カタログ « » — Node.js サーバー
カタログ «クライアント» — Node.js クライアント
カタログ «ブロックチェーン(パラメータ値とキーは、もちろん機能せず、例としてのみ提供されています):

• コントラクト — スマートコントラクトのソースコード
• ウォレット — Hyperledger Fabric API を使用するためのユーザー キー。
• *.cds - スマート コントラクトのコンパイルされたバージョン
• *.json ファイル - Hyperledger Fabric API を使用するための構成ファイルの例

それはほんの始まりに過ぎません！

出所： habr.com