🥇Blockchain: čo nás stojí PoC postaviť?

Oči sa bojažia, ale ruky svrbia!

V predchádzajúcich článkoch sme sa zaoberali technológiami, na ktorých sú postavené blockchainy (Čo nám stojí postaviť blockchain?) a prípadmi, ktoré je možné s ich pomocou realizovať (Aké je našou úlohou postaviť prípad?). Prišiel čas zamerať sa na praktickú prácu! Na realizáciu pilotných projektov a PoC (Proof of Concept) uprednostňujem používanie cloudových služieb, pretože k nim je prístup z ktorejkoľvek časti sveta a často nemusím tráviť čas nudnou inštaláciou prostredia, pretože existujú predkonfigurované nastavenia. Takže, poďme spraviť niečo jednoduché, napríklad sieť na prevod mincí medzi účastníkmi, a skromne ju nazveme CitiCoin. Na to budeme používať cloud od IBM a univerzálny blockchain Hyperledger Fabric. Na začiatok sa pozrime, prečo sa Hyperledger Fabric nazýva univerzálnym blockchainom?

Hyperledger Fabric — univerzálny blockchain

Vo všeobecnosti je univerzálna informačná sústava:

Súbor serverov a programové jadro, ktoré vykonáva biznis logiku;
Rozhrania na interakciu so systémom;
Prostriedky na registráciu, autentifikáciu a autorizáciu zariadení / ľudí;
Dátová báza, ktorá uchováva prevádzkové a archívne dáta:

Oficiálnu verziu toho, čo je Hyperledger Fabric, si môžete prečítať na webe, a ak to zhrnieme, Hyperledger Fabric je opensource platforma, ktorá umožňuje vytvárať uzavreté blockchainy a vykonávať libovolné smart kontrakty napísané v programovacích jazykoch JS a Go. Pozrime sa podrobne na architektúru Hyperledger Fabric a presvedčme sa, že ide o univerzálny systém, ktorý má len špecifiku v ukladaní a zapisovaní dát. Špecifikum spočíva v tom, že dáta, podobne ako vo všetkých blockchainoch, sú uložené v blokoch, ktoré sú vložené do blockchainu len v prípade, že účastníci dosiahli konsenzus, a po zapísaní nie je možné tieto dáta nenápadne upraviť alebo odstrániť.

Architektúra Hyperledger Fabric

Na schéme je zobrazená architektúra Hyperledger Fabric:

Organizácie — organizácie obsahujú peer-ov, pričom blockchain existuje vďaka podpore organizácií. Rôzne organizácie môžu byť súčasťou jedného kanála.

Channel — logická štruktúra, ktorá spája peer-ov do skupín, čím sa určuje blockchain. Hyperledger Fabric môže súčasne spracovávať viacero blockchainov s rôznou biznis logikou.

Membership Services Provider (MSP) — je to CA (Certificate Authority) na vydávanie identities a prideľovanie rolí. Na vytvorenie uzla je potrebné interagovať s MSP.

Peer uzly — kontrolujú transakcie, ukladajú blockchain, vykonávajú smart kontrakty a komunikujú s aplikáciami. Peer uzly majú identitu (digitálny certifikát), ktorý vydáva MSP. Na rozdiel od sietí Bitcoin alebo Ethereum, kde sú všetky uzly rovnaké, v Hyperledger Fabric majú uzly rôzne úlohy:

Peer môže byť endorzujúci peer (EP) a môže vykonávať smart kontrakty.
Zachovávajúci peer (CP) — len ukladajú dáta do blockchainu a aktualizujú "World state".
Anchor Peer (AP) — ak sa do blockchainu zapája niekoľko organizácií, tak sa anchor peer využívajú na spojenie medzi nimi. Každá organizácia musí mať jeden alebo niekoľko anchor peer. Pomocou AP môže akýkoľvek peer v organizácii získať informácie o všetkých peer-och v iných organizáciách. Na synchronizáciu informácií medzi AP sa používa gossip protokol.
Líder Peer — ak organizácia má niekoľko peer-ov, len líder peer bude prijímať bloky z Ordering service a distribuovať ich ostatným peer-om. Líder môže byť nastavený staticky, alebo vybraný dynamicky peer-ami v organizácii. Na synchronizáciu informácií o lídroch sa tiež používa gossip protokol.

Aktíva — entity, ktoré majú hodnotu a sú uložené v blockchainu. Presnejšie ide o key-value dáta vo formáte JSON. Práve tieto dáta sú zapisované do blockchainu „Blockchain“. Majú históriu, ktorá je uložená v blockchainu, a aktuálny stav, ktorý je uložený v databáze „World state“. Štruktúry dát sa napĺňajú libovoľne v závislosti od obchodných úloh. Nie sú žiadne povinné polia, jedinou odporúčanou podmienkou je, že aktíva by mali mať vlastníka a predstavovať hodnotu.

Ledger — pozostáva z blockchainu „Blockchain“ a databázy „World state“, v ktorej sa uchováva aktuálny stav aktív. World state využíva LevelDB alebo CouchDB.

Smart kontrakt — pomocou smart kontraktov sa realizuje obchodná logika systému. V Hyperledger Fabric sa smart kontrakty nazývajú chaincode. Pomocou chaincode sa definujú aktíva a transakcie s nimi. Ak hovoríme technicky, tak smart kontrakty sú programové moduly implementované v programovacích jazykoch JS alebo Go.

Politika schválenia — pre každý chaincode je možné nastaviť politiky, koľko a od koho je potrebné očakávať potvrdenia pre transakciu. Ak politika nie je nastavená, predvolene sa používa: “transakciu musí potvrdiť akýkoľvek člen (member) akejkoľvek organizácie v channel”. Príklady politík:

Transakciu musí potvrdiť ktorýkoľvek administrátor organizácie;
Musí potvrdiť ktorýkoľvek člen (member) alebo klient organizácie;
Musí potvrdiť ktorýkoľvek peer organizácie.

Služba Ordering — balí transakcie do blokov a posiela ich peer-om v kanáli. Zabezpečuje doručenie správ všetkým peer-om v sieti. Pre priemyselné systémy sa používa správy broker Kafka, pre vývoj a testovanie Solo.

CallFlow

Aplikácia interaguje s Hyperledger Fabric, používajúc Go, Node.js alebo Java SDK;
Klient vytvára transakciu tx a posiela ju na endorsing peer-ov;
Peer kontroluje podpis klienta, vykonáva transakciu a posiela endorsement signature späť klientovi. Chaincode sa vykonáva len na endorsing peer, a výsledok jeho vykonania sa rozosiela na všetky peer-y. Takýto algoritmus práce sa nazýva — PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerant) konsenzus. Rozdiel oproti klasickému BFT spočíva v tom, že správa sa rozosiela a očakáva potvrdenie nie od všetkých účastníkov, ale iba od konkrétneho súboru;
Keď klient dostane počet odpovedí zodpovedajúci endorsement policy, posiela transakciu na službu Ordering;
Služba Ordering vytvára blok a posiela ho všetkým committing peer-om. Služba Ordering zabezpečuje sekvenčné zapisovanie blokov, čím sa vylučuje takzvané ledger fork (pozri časť „Forky“);
Peer-om príde blok, opäť overia endorsement policy, zapíšu blok do blockchainu a zmenia stav v „World state“ DB.

To znamená, že dochádza k rozdeleniu rolí medzi nódami. To zabezpečuje škálovateľnosť a bezpečnosť blockchainu:

Smart kontrakty (chaincode) vykonávajú endorsing peer-ov. To zabezpečuje dôvernosť smart kontraktov, keďže sú uchovávané nie u všetkých účastníkov, ale len na endorsing peer-och.
Ordering musí fungovať rýchlo. To sa zabezpečuje tým, že Ordering iba vytvára blok a posiela ho na pevný súbor leader peer-ov.
Committing peers iba uchovávajú blockchain — ich môže byť veľa a nevyžadujú veľkú výkonovú kapacitu a okamžitú prácu.

Podrobnejšie architektonické riešenia Hyperledger Fabric a prečo funguje tak, a nie inak, si môžete pozrieť tu: Architektúra Pôvodu alebo tu: Hyperledger Fabric: Distribuovaný operačný systém pre povolené blockchainy.

Takže, Hyperledger Fabric je naozaj univerzálny systém, pomocou ktorého môžete:

Realizovať ľubovoľnú obchodnú logiku, používajúc mechanizmus smart kontraktov;
Zaznamenávať a získavať údaje z blockchain databázy vo formáte JSON;
Poskytovať a overovať prístup k API pomocou certifikačnej autority.

Teraz, keď sme si trochu objasnili špecifiká Hyperledger Fabric, poďme konečne spraviť niečo užitočné!

Rozvíjame blockchain

Stanovenie úlohy

Úloha — realizovať sieť Citcoin s nasledujúcimi funkciami: vytvoriť účet, získať zostatok, doplniť účet, previesť mince z jedného účtu na druhý. Vykreslíme objektový model, ktorý neskôr implementujeme v smart kontrakte. Takže budeme mať účty, ktoré sú identifikované menami (name) a obsahujú zostatok (balance), a zoznam účtov. Účty a zoznam účtov — to sú v termínoch Hyperledger Fabric aktíva. Zodpovedajúcim spôsobom majú históriu a aktuálny stav. Pokúsim sa to názorne znázorniť:

Horné postavy — to je aktuálny stav, ktorý sa uchováva v databáze „World state“. Pod nimi postavy, ktoré ukazujú históriu, ktorá sa uchováva v blockchain. Aktuálny stav aktív sa mení transakciami. Aktívum sa mení iba celé, preto sa v dôsledku vykonania transakcie vytvára nový objekt a aktuálna hodnota aktíva prechádza do histórie.

IBM Cloud

Zakladáme účet v IBM cloude. Na používanie blockchain platformy ju treba upgradovať na Pay-As-You-Go. Tento proces nemusí byť rýchly, pretože IBM požaduje ďalšie informácie a kontroluje ich ručne. Z pozitívneho hľadiska môžem povedať, že IBM má skvelé vzdelávacie materiály, ktoré umožňujú rozvinúť Hyperledger Fabric v ich cloude. Páčil sa mi nasledujúci cyklus článkov a príkladov:

Nasledujú obrazovky Blockchain platformy IBM. Toto nie je návod na vytváranie blockchainu, ale jednoducho ukážka rozsahu úlohy. Takže pre naše účely vytvárame jednu Organizáciu:

V nej vytvárame uzly: Orderer CA, Org1 CA, Orderer Peer:

Zakladáme používateľov:

Vytvárame Channel a nazývame ho citcoin:

V podstate Channel — to je blockchain, preto začína s nulovým blokom (Genesis block):

Píšeme Smart Contract

/*
 * 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;

Intuitívne by to malo byť všetko jasné:

Existuje niekoľko funkcií (AddAccount, GetAccounts, SendFrom, GetBalance, RefillBalance), ktoré bude vyžadovať demo program pomocou Hyperledger Fabric API.
Funkcie SendFrom a RefillBalance generujú udalosti (Event), ktoré dostane demo program.
Funkcia instantiate – sa volá len raz pri inštancii smart kontraktu. V skutočnosti sa volá nie jedenkrát, ale zakaždým pri zmene verzie smart kontraktu. Preto inicializácia zoznamu prázdnym poľom nie je dobrý nápad, pretože pri zmene verzie smart kontraktu prídeme o aktuálny zoznam. Ale nič, len sa učím).
Účty a zoznam účtov (accounts) – to sú JSON štruktúry údajov. Na manipuláciu s údajmi sa používa JS.
Aktuálnu hodnotu assetu môžeme získať pomocou volania funkcie getState, a aktualizovať pomocou putState.
Pri vytváraní účtu sa volá funkcia AddAccount, v ktorej sa porovnáva maximálny počet účtov v blockchaine (maxAccounts = 5). A tu je problém (ste si všimli?), ktorý vedie k nekonečnému rastu počtu účtov. Takýmto chybám je potrebné sa vyhýbať).

Ďalej nahráme smart kontrakt do Channel a inštancujeme ho:

Pozrime sa na transakciu na nastavenie Smart Contract:

Pozrime sa na podrobnosti o našom Channel:

V dôsledku získavame nasledujúcu schému blockchain siete v cloude IBM. Na schéme je tiež demoprogram, ktorý je spustený v cloude Amazon na virtuálnom serveri (podrobnosti o ňom budú v ďalšej časti):

Vytvorenie GUI pre volania Hyperledger Fabric API

Hyperledger Fabric má API, ktoré sa môže použiť na:

Vytvorenie channel;
Pripojenie peer k channel;
Inštaláciu a inštancovanie smart kontraktov v channel;
Volanie transakcií;
Žiadosť o informácie v blockchaine.

Vývoj aplikácie

V našej demoprogramu budeme používať API len na volanie transakcií a žiadosť o informácie, pretože ostatné kroky sme už uskutočnili pomocou blockchain platformy IBM. Píšeme GUI s použitím štandardného technologického stacku: Express.js + Vue.js + Node.js. O tom, ako začať vytvárať moderné webové aplikácie, by sa mohla napísať samostatná článok. Tu nechám odkaz na sériu prednášok, ktorá sa mi najviac páčila: Full Stack Web App using Vue.js & Express.js. V dôsledku toho vzniklo klient-serverové aplikácie so známym grafickým rozhraním v štýle Material Design od Google. REST API medzi klientom a serverom pozostáva z niekoľkých volaní:

HyperledgerDemo/v1/init – inicializovať blockchain;
HyperledgerDemo/v1/accounts/list – získať zoznam všetkých účtov;
HyperledgerDemo/v1/account?name=Bob&balance=100 – vytvoriť účet Bob;
HyperledgerDemo/v1/info?account=Bob – získať informácie o účte Bob;
HyperledgerDemo/v1/transaction?from=Bob&to=Alice&volume=2 — previesť dve mince od Bob k Alice;
HyperledgerDemo/v1/disconnect — uzavrieť spojenie s blokchainom.

Popis API s príkladmi som dal na stránku „Postman“ — široko známy program na testovanie HTTP API.

Demo aplikácia v cloude Amazon

Aplikáciu som nahral na Amazon, pretože IBM doteraz nemohol aktualizovať môj účet a povoliť mi vytvárať virtuálne servery. Ako pomyselnú čerešničku som pridal doménu: www.citcoin.info. Trochu podporím server zapnutý, potom ho vypnem, pretože centy za prenájom sa kumulujú, a mince citcoin na burze ešte nie sú obchodované) Do článku vkladám screenshoty demoa, aby bola zrozumiteľná logika fungovania. Demo aplikácia môže:

Inicializovať blockchain;
Vytvárať účet (ale teraz nie je možné vytvoriť nový účet, pretože v blockchaine bolo dosiahnuté maximálne číslo účtov, uvedené v smart kontrakte);
Získať zoznam účtov;
Prevádzať mince citcoin medzi Alice, Bobom a Alexom;
Získavať udalosti (ale teraz sa žiadne udalosti nemôžu zobraziť, preto je v rozhraní zjednodušene napísané, že udalosti nie sú podporované);
Registrovať akcie.

Najprv inicializujeme blockchain:

Potom si zakladáme svoj účet, nešetriac s bilanciou:

Získavame zoznam všetkých dostupných účtov:

Vyberáme odosielateľa a príjemcu, a získavame ich zostatky. Ak je odosielateľ a príjemca ten istý, dojde k navýšeniu jeho zostatku:

V logu sledujeme vykonávanie transakcií:

Vlastne s demo programom je to všetko. Potom si môžeme pozrieť našu transakciu v blockchaine:

A celkový zoznam transakcií:

Týmto sme úspešne ukončili implementáciu PoC na vytvorenie siete Citcoin. Čo ešte potrebujeme urobiť, aby sa Citcoin stal plnohodnotnou sieťou na prevod mincí? Veľmi málo:

V etape vytvárania účtu realizovať generáciu súkromného / verejného kľúča. Súkromný kľúč by mal byť uložený u užívateľa účtu, verejný v blockchaine.
Urobiť prevod mincí, pri ktorom sa na identifikáciu užívateľa používa nie meno, ale verejný kľúč.
Šifrovať transakcie, ktoré idú od užívateľa na server jeho súkromným kľúčom.

Záver

Implementovali sme sieť Citcoin s funkciami: pridať účet, získať zostatok, doplniť svoj účet, previesť mince z jedného účtu na iný. Takže, čo nás stálo postaviť PoC?

Je potrebné študovať blockchain všeobecne a Hyperledger Fabric konkrétne;
Naučiť sa používať cloudy IBM alebo Amazon;
Naučiť sa programovací jazyk JS a nejaký webový framework;
Ak je potrebné uchovávať niektoré údaje mimo blockchainu, naučiť sa integráciu, napríklad, s PostgreSQL;
A posledné, ale nie menej dôležité — bez znalosti Linuxu sa v modernom svete nikam nepohneme!)

Samozrejme, nie je to raketová veda, ale bude treba zapotiť sa!

Zdrojové kódy na GitHub

Súbory sú uložené na GitHub. Stručný popis repozitára:
Adresár „server“ — Node.js server
Adresár „client“ — Node.js klient
Adresár „blockchain“ (hodnoty parametrov a kľúče sú, samozrejme, nefunkčné a uvedené iba ako príklad):

contract — zdrojový kód smart kontraktu
wallet — kľúče používateľa pre použitie Hyperledger Fabric API.
*.cds — skompilované verzie smart kontraktov
*.json súbory — príklady konfiguračných súborov pre použitie Hyperledger Fabric API

Je to len začiatok!

Zdroj: habr.com