HyperLedger Fabric 查询机制、过程

引言

随着区块链技术的日趋成熟，更多企业开始探索区块链的实际使用场景。HyperLedger Fabric（下称Fabric），由Apache社区开发的开源的，企业级的，带权限的分布式账本平台，被广泛应用于学术研究和企业应用领域。其查询技术是使用和开发Fabric不可或缺的一项功能模块，但由于区块链技术的去中心化特性，其查询机制的设计和常规分布式系统存在较大差异，并且存在一定的技术理解门槛。目前官方文档或相关资料对查询章节的描述通常与其它技术（如系统部署，更新等）一同描述，没有单独对查询进行描述，或缺乏原理层面的系统描述，难以理解和运用。本文较为详细的描述Fabric查询的设计原理，可作为生产和开发中系统设计的参考依据。

文章分为4个部分。首先介绍于查询相关的Fabric基础名词概念，接着介绍Fabric的经历的各查询过程以及查询对象的存储结构，最后通过描述区块链的系统结构以描述Fabric的一种特殊查询机制——跨链查询。

基本概念[1]

• 节点（Peer）：一个维护一个账本的网络实体。节点会运行链码容器以实现对账本的读写操作。节点由Fabric内的成员持有和维护。
• 通道（Channel）：在Fabric中，通道是私有区块链，可实现数据隔离和保证机密性。部署在一个通道内的账本由通道中的所有节点之间共享，并且交易方必须通过通道进行身份验证才能与通道内节点进行交互。
• 链码（Chaincode）：在Fabric中，链码即智能合约。一个链码就是由客户端应用程序调用的代码，它可以通过事务（Transaction）改变通道的状态。在Fabric中，用户不能直接访问通道，只能通过链码改变通道的状态。
• 组织（Organization）：节点以组织的身份加入通道，一个组织可以有一个或多个节点。

查询过程

在Fabric中，查询过程涉及区块链五层协议[2]中的应用层，合约层和存储层。其查询过程如图所示。当用户需要执行查询操作时，首先在合约层编写用户链码，一份完整的用户链码应包含对多个对事务的读写函数，每个读写函数由判断逻辑和系统链码组成。系统链码由Fabric封装了更改通道记录的函数，包括处理事务的验证链码（VSCC）和查询事务的查询系统链码（QSCC）。对于查询系统链码，截止2.2版本，Fabric已经实现了K-V查询，范围查询和溯源查询三种基本功能，以及区块链中特有的跨链码查询和跨通道查询功能。由用户编写的用户链码会被分别部署在Fabric的各个节点上，并向节点上的更下一层存储层查询用户请求数据。当链码部署完毕后，查询者可以通过调用RESTAPI以HTTP协议方式向节点请求调用链码，或者可以将RESTAPI封装为基于去中心化的存储的应用程序。

查询对象

如图所示，我们可以查询对象分解为文件系统的数据库两层架构。文件系统记录以区块的链式结构记录数据的存储信息，每个区块包含记录当前区块信息的区块头和元数据，以及若干事务组成的区块体。为了加速查询或实现特定查询功能，Fabric将区块信息分类提取存储在KV数据库中。目前，Fabric支持LevelDB [3]和CouchDB [4]两种数据库。

• 状态数据库：维护最新的KV状态，这些状态会根据最新的区块事物进行修改。状态数据库支持基于键的查询，组合键值对查询和键范围查询。
• 键历史索引：记录键的值历史变更状态，用于溯源查询。
• 块索引：存储块对应的Hash值和块在文件系统中的位置；存储块编号与其在文件系统中的位置；存储事务ID与其在文件系统中的位置。通过以上三种方式实现对区块和事务的快速定位。

特殊查询机制

在实际运用中可能出现不同业务的交叉应用场景，对于传统分布式系统而言，这代表单次查询可能设计多个数据库的交互。由于Fabric采用账本的形式记录数据，并且应用与账本的交互通过链码实现，跨数据库查询在Fabric中转变为跨链码查询。为了更好的理解链码间的交互查询机制，我们需要先了解Fabric中链码，组织，信道和节点的关系。下图展示了查询角度下，Fabric中各模块的简化交互方式。

模块交互遵守以下规则：

• 链码部署在节点上，且只有已部署链码节点才能请求读写通道数据。
• 节点以组织的形式加入通道，一个节点只能加入一个组织，但一个组织可以同时加入多个通道。
• 每个通道中相同的链码共同维护一份完整的的交易状态视图，不同链码之间信息不共享，不同通道之间的链码信息不共享。

基于上述规则，Fabric的跨链码和跨通道通信需要由节点完成。在节点部署的用户链码中通过调用系统链码实现跨链码调用。在同一节点上，若部署了同通道内的链码（如Peer3在Channel1的Chaincode1和Chaincode2），Fabric允许直接在用户链码中调用和修改目标链码维护的视图。若链码处于不同通道中（如Peer3在Channel1的Chaincode1和在Channel2的Chaincode2），若当前节点所在组织同时加入了链码所在通道，并且部署了需要跨通道交互的的链码，Fabric虽然也提供跨链码调用，但只能返回调用结果，不能对调用目标进行更改。

参考文献

[1] Hyperledger Fabric [G/OL] https://hyperledger-fabric.readthedocs.io/en/latest/glossary.html

[2] 袁勇, 王飞跃. 区块链技术发展现状与展望.[J] 自动化学报 42.4 (2016): 481-494

[3] LevelDB [G/OL] https://github.com/google/leveldb

[4] CouchDB [G/OL] https://couchdb.apache.org/