ION:技术入门 | 以Transaction的生命周期为线索剖析Libra核心组件

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。

前面我们讲述了Libra的第一条主线——Node启动以及加入网络的过程，详细介绍了Network组件的设计与实现。这里，我们将要讲述Libra的第二条主线——Transaction的生命周期，再围绕Transaction的生命周期，逐个讲述Libra各个核心组件的一些设计与实现。在讲述生命周期之前，我们先了解一下账号模型以及Transaction与Move合约的关系。

账号模型

实际上区块链可以简单的理解为：使用Transaction为载体，按大部分人认可的顺序记录每个Address的变更过程。为了达到这个目的，区块链发展至今抽象出两种账号模型：以BTC为代表的UTXO模型和以ETH为代表的Account模型。这两种模型各有优劣，简单对比一下：

UTXO的英文是UnspentTransactionOutput，直译就是未消费的交易输出，一个Address的当前状态就是一个UTXO列表。UTXO模型下，消费(构造Transaction)的时候拿出一个或者多个UTXO当作当前Transaction的Input，然后生成多个UTXO，Input和Output的总额是相等的。在未来的某个时刻，这些Output又被当做其他Transaction的Input。是不是跟纸钞有些像？而Account模型中，每个Address通常包含一个的总额和SequenceNumber计数器。每次消费(构造Transaction)的时候会从当前Address的总额中减去消费额，在另一个Address中加上相应的消费额，同时通过SequenceNumber递增的方式，保证当前Address构造的出来的所有Transaction有先后顺序，从而保障账号的状态正确。

声音 | 于佳宁：区块链技术将为人类命运共同体构建起到至关重要的作用:1月7日，由龙腾智库组织的区块链闭门交流活动在京顺利举行。本次活动旨在促进区块链技术交流，增加新科技的参与感，围绕区块链技术发展和可塑性展开讨论。火币大学校长于佳宁受邀参加并与到场嘉宾就区块链技术发展现状及趋势等问题进行了深度的交流与探讨。

于佳宁表示，区块链作为新兴科技，在2020年代，很有可能成为助力人类命运共同体建设的关键。目前，区块链技术处于初级阶段，但自产生以来，其技术原理独特性以及先进性得到了国际的广泛认可，区块链很有可能成为新一轮科技变革浪潮的中流砥柱，将为人类命运共同体构建起到至关重要的作用。[2020/1/7]

Libra使用的Account模型来表达账本数据，所以Transaction有严格的先后顺序。这点在后面我们还会提到。

Transaction与Move合约

前面我们了解了账号模型，为了便于理解，以支付的场景做了类比。给我们的感觉就是，Transaction的作用就是对一个数字进行加减运算，例如Alice给Bob转了一笔账。那就不能应用于更多、更复杂的场景吗？比如游戏。区块链起步的时候，表达能力相对比较简单，随着区块链的推广，大家的需求越来越丰富，最初的设计难以满足。我们希望能通过一门语言，在链上表达我们的需求，所以虚拟机、智能合约以及合约语言顺势产生了。这是一个很广阔的话题。Libra推出了Move语言作为合约语言，这里我们不展开讲。那么Transaction、链、Move到底是什么关系呢？

我们假设上图是某个时刻，链上所存储的账号数据，其中Alice有一个Move定义的合约，code被存储在她的账号下。上图的第①步中，Bob构建一个Transaction，在Transaction中指定运行Alice账号下对应的合约的一个方法，并从自己的账号下取出该合约方法能理解的数据作为方法的参数，然后对Transaction进行签名并广播出去。图中第②步，矿工收到Bob的Transaction，打包到Block中，然后执行Bob的Transaction，并且将结果写到Bob的账号下面。整个过程中，大概的理解就是，Move定义了一段逻辑，Transaction设置了运行逻辑用到的数据，链记录了逻辑运行之后的最终状态。

声音 | 诸暨法院立案庭庭长：区块链等技术助推司法效率提升社会法治水平提高:诸暨法院立案庭庭长寿文光接受采访时表示，“一系列科技手段正在有效助推司法效率的提升和社会法治水平的提高。”浙江省高院审管办数据显示，通过运用司法区块链、人工智能等技术，在线矛盾纠纷多元化解平台、“移动微法院”等平台推进诉源治理，从2019年5月开始，浙江各级法院收案量出现下降拐点，且降幅逐月扩大。（新华社）[2019/11/24]

Transaction的生命周期

前面我们讲了两个背景知识，接下来，我们对Transaction的生命周期做一个整体的认识：

这张图也是Libra的技术白皮书中的一张图，跟前面介绍Libra核心组件那张图有些像，但是箭头上多了一些数字。这张图实际上是表示一个Transaction从生成到打包，从执行到上链的完整的生命周期。下面我们依次介绍一下每个数字大概代表的意思:

1.交易被用户使用wallet或者cli提交到AdmissionControl

2.AdmissionControl运行VM做一些Transaction的前置校验，例如交易的签名校验等等，过滤掉一些无效交易

3.Transaction前置校验通过后，会被提交到Mempool中

4.Transaction被设置为Ready状态，等待被打包进Block中

5.Transaction被设置为Ready状态之后，会被广播给其他Mempool

6.Validator节点的Consensus组件pull对应的Mempool组件，获取一批Ready状态的Transaction，用于创建Block

7.新创建的Block被广播给其他Validator节点，并且选举Block

声音 | 京东数字科技首席数据科学家：京东城市整合区块链等技术，破解贫困地区“资源限制”:据新华网报道，25日，呼和浩特市精准扶贫项目特卖嘉年华活动在京东集团总部举行。京东数字科技首席数据科学家郑宇表示，京东城市借助京东集团强大的数据基础和品牌优势，能够整合电商、金融、物流三大体系，以及大数据、人工智能和区块链等领域的技术优势和能力，破解贫困地区的“资源限制”，有效地把社会资源的供给和需求衔接起来，帮助贫困地区的农户与企业打通市场销路，实现产品和品牌的可持续发展。[2019/1/26]

8.拿到新的Block之后，提交到Executor组件执行Block

9.新Block中的所有交易被提交给VirtualMachine组件，VM按顺序执行Block的所有交易

10.提交被共识选举胜出的Block

11.广播被共识选举胜出的Block

12.存储胜出的Block中所有被KEEP的Transaction以及每个address对应的最终状态

我们对Transaction的生命周期有了一个直观的认识，接下来，我们深入每一个组件内部，了解更多的设计和实现细节。

AC服务

从交易被用户提交开始，首先到AC服务。

在讲述第一条主线的时候，我们提到了AC是一个GRPC服务，相当于是Node的一个网关。Node包含多个GRPC服务和很多的RPC接口，然而只有跟用户打交道的两类接口，才有必要暴露出去给wallet或者cli调用：

提交Transaction的接口

用户状态相关的接口

所以AC没有太多的逻辑，只是对Node内部部分GRPC接口的一个封装，以暴露给用户使用。另外AC还有一个作用是对提交过来的Transaction做简单的过滤。

Mempool服务

交易通过AC被提交到了Mempool服务。

在讲述第一条主线的时候，我们知道Mempool是用来存储未上链的Transaction。我们先来看一看Mempool的整体设计：

多个软件提供商拥抱区块链 陆续引入区块链简化技术流程:雅虎香港财经8日讯，区块链已被多家软件提供商青睐，陆续引入区块链技术简化其技术流程。甲骨文公司于昨日明确表示将于本月推出区块链服务平台，6月发布区块链App；亚马逊网络服务（AWS）已为Ethereum和Hyperledger Fabric引入了区块链模板，提供开源框架创建和部署安全区块链网络的快捷方式；微软在2016年与一家基于以太坊的区块链公司ConsenSys合作，为其Azure服务的客户提供区块链作为企业解决方案。IBM几年前就开始从事区块链项目的工作，成立了一个专门从事该技术的部门。[2018/5/8]

Mempool主要包含两个模块：

MempoolService：是一个Grpc服务，用来接收从AC提交过来的Transaction

ShareMempool：主要有两个作用，一个是通过Mempool协议(在第一条主线的时候有提到)在不同的Mempool节点之间同步Transaction，另外是存储和处理Transaction

我们对Mempool有了一个整体的认识，但是还有些疑问，Mempool究竟对Transaction做了什么处理呢？什么情况下Transaction会被打包？Transaction又是什么时候被广播给其他Mempool？接下来我们就解答一下这些疑问。

Mempool内的Transaction状态转化

Transaction提交到Mempool之后，首先会根据来源将其标记为不同的状态：

Unready：用户主动提交到MempoolService的交易状态

NonQualified：其他节点同步过来的交易状态

这些Transaction会按一定的顺序排序，等待被标记成Ready状态。前面我们提到了Libra采用Account模型，通过SequenceNumber将用户发起的Transaction按顺序关联起来，当Mempool发现某个Transaction前面的所有其他Transaction都被上链了或者都是Ready状态了，那么这个Transaction就可以被标记为Ready状态了，也就意味着这个Transaction具备打包进区块的条件了。如果当前被设置成Ready状态的Transaction是从Unready状态转变过来的(也就是用户通过AC提交到当前Mempool)，那么该Transaction会被转发给其他的Mempool。

西北农林科技大学教授霍学喜委员：可以尝试采用区块链等技术解决农村金融问题:两会期间，西北农林科技大学教授政协委员霍学喜，在谈到数字普惠金融降低运营成本时提到：传统银行和互联网银行可以尝试采用数字技术解决农村金融问题,包括移动互联、大数据、云计算、区块链、人工智能等数字技术。[2018/3/3]

上图是Transaction在Mempool中大致的状态转化过程，而Transaction大概的排序规则是：gas_price>expiration_time>address>sequence_number

Consensus组件

前面介绍了Mempool的状态转化，用户提交的Transaction处于Ready状态，等待被打包到区块中。考虑到Consensus的复杂性，以及当前主线主要是介绍Transaction的生命周期，这里只简单的介绍一下上链流程，大概如下：

其中compute->execute以及commit->store会在后面讲，vote将在第3条主线详细讲，这里暂时只需要注意两个地方：

Consensus组件主动去Mempool中pull一批Ready状态的Transaction，并打包到Block

Block被选举并提交之后，Consensus组件会主动去删除Mempool中被提交的Transaction

Executor&VM组件

由于Executor只是运行VM的一个入口，这里把Executor和VM合并到一起介绍。前面Consensus组件的流程中，Block被Build之后会被提交到Executor中comput，再进入VM中execute，这就是执行Transaction。也就是compute->execute过程，有些细节需要注意：

其中浅颜色由Executor发起，深颜色是在VM中执行的Move合约。Consensus组件将新的Block提交到Executor组件之后，Executor会为Block提供运行环境，初始化VM，依次在VM中运行Block的Coinbase和其他用户Transaction。所以VM会最先执行Coinbase交易，也就运行LibraAccount合约中的blockprologue。然后再按顺序依次执行Block中打包的Transaction，最后将执行之后的状态返回给Consensus组件。

Storage服务

在介绍Consensus组件的时候，我们提到了Block会被commit，数据最终会被写入Storage服务。也就是commit->store流程，这时候用户提交的Transaction已经被大家认可。关于Storage服务，我们可能会有两个疑问：

Storage服务包含哪些模块？

Storage最终存储了哪些数据？

Storage模块

Storage是一个GRPC服务，存储了所有链上的数据，用户的账本状态等信息就是从Storage获取的。Libra选择了RocksDB作为底层存储的数据库，SchemaDB基于RocksDB封装了对数据统一的CRUD操作以及Key-Value的系列化与反序列化方式。LibraDB是围绕Libra的账本数据和特点，定义了一系列数据结构，并针对这些数据结构进行数据库的操作。将所有的这些操作，封装成Storage服务，提供给Executor、AC等组件使用。

账本数据

前面讲述Storage服务包含的模块，我们了解到LibraDB围绕Libra账本的特点定义了一些数据结构，Libra账本有什么特点？那么包含哪些核心数据结构呢？

账本特点Libra采用Account，需要存储全局的用户状态，当前状态的所有历史交易以及交易的顺序。也就是说，Storage需要存储的主要数据：用户状态、交易及交易顺序。跟其他公链不同的是，一般的公链通过记录Block顺序(Block内的交易也是有序的)，来达到记录所有交易和交易的顺序的目的。而Libra直接存储交易，采用MerkleAccumulator来记录交易的顺序。

核心数据结构Libra为了存储用户状态、交易及交易顺序，分别使用了SparseMerkleTree和MerkleAccumulator。

SparseMerkleTree使用256比特存储用户状态，理论上总共可以有2的256次方个账号。上图是4比特SparseMerkleTree的例子，每个橙色的叶子节点代表了一个用户；正方形的方块是占位符，表明该分支下没有账号，减少账号的存储；

MerkleAccumulator存储交易以及交易的顺序。上图中，每个深颜色的叶子节点表示一个Transaction；正方形的方块是占位符。新上链的交易会按顺序一个一个被加入到后面。

?上面提到了Storage的两个核心数据结构，整个Storage都在围绕他们进行存储和优化，更多细节不再展开。

总结

?以上是Transaction整个生命周期的过程，依次经过AC、Mempool、Consensus、Executor、VM的处理，最终存储到Storage。然后我们深入到每一个组件或者服务，既介绍了他们的一些设计和实现，也了解了Transaction被处理的核心细节。

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