区块链 + 大数据:EOS存储

谈到区块链的存储,我们很容易联想到它的链式存储结构,然而区块链从比特币发展到今日当红的EOS,技术形态已经演化了10年之久。目前的EOS的存储除了确认结构的链式存储以外,在状态存储方面有了很大的进步,尤其是引入了MongoDB plugin以后,可以将功能有限的状态库搭上大数据的班车。本文将全面介绍EOS的存储技术。

EOS 存储,Merkle Tree,mongodb,chainbase,源码学习,context_free_actions

EOS的链式存储结构

EOS的区块数据结构如下:

field

explanation

timestamp

时间戳

producer

生产者

confirmed

生产者确认数

previous

链式结构前一个区块的id

transaction_mroot

交易默克尔树根

action_mroot

动作默克尔树根

schedule_version

生产者版本排序号

new_producers

下一个生产者

header_extensions

区块头扩展字段

producer_signature

区块签名,由生产者签名

transactions

块打包交易内容,是数组结构,可以多个

block_extensions

区块扩展字段

id

当前块id

block_num

当前块高度

ref_block_prefix

引用区块的区块头

Merkle Tree

默克尔树的演化路线是 Hash => Hash Tree => Merkle Tree ,他们都是为解决数据一致性而存在的,具体的含义如下:

  • Hash 是我们都熟知的技术了,它可以为一个文件或其他数据生成一个Hash值,我们在下载一个文件时,通常会在下载页面看到这个文件的Hash值以及该Hash值的算法,下载完毕以后,我们可以在本地对整个文件进行同样的Hash算法得到Hash值,然后与网页上的Hash值进行对比,如果相同,则说明文件完整,是网页上的源文件,如果不匹配则说明文件损坏,被修改或者不完整。
  • 仍旧是文件完整性的校验需求,当这个文件特别大的时候,对这个文件进行Hash算法是能耗巨大的,所以可以将文件切割成很多的小块,每一个小块都有一个Hash,然后将所有小块的Hash值拼在一起再次进行Hash算法得到的就是Root Hash。这样一来,我们在下载大文件的时候,会先下载一个包含Root Hash的Hash list,通过校验Root Hash可以确定Hash list的正确性,确定Hash list正确以后,再逐个下载小块文件并逐一验证Hash,当发现某个小块Hash不匹配的时候,就可以单独重新下载该小块即可,而不必重新下载全部。Hash list的结构实际上是一个Root Hash 为根,小块Hashs为叶子节点的树高为2的Hash Tree。
  • Merkle Tree实际上是对Hash List的优化,它极大的提高了性能。它的结构是一个二叉树(也可以是多叉树,性能优化的关键点是它的高度是大于等于2的),每个节点最多只有两个子节点,只有叶节点是根据小块文件做的Hash,每两个相邻的叶节点的父节点是由这两个Hash做的父Hash,如果叶节点的总数是单数,则会剩余一个,逐级而上,最终会有一个的根节点,这个根节点就是Merkle Root。这样以来,我们在下载大文件的时候,会首先下载一个Merkle Tree,从最左下叶节点进行校验,逐级而上,将整个Merkle Tree校验完毕。这里面不同于上面Hash Tree的是,只要最左下相邻的两个叶节点的Hash值与他们的父节点的Hash通过了匹配,则可以立即开始下载这两个叶节点对应的文件块,并行地,再校验其他叶节点,这就提高了性能,不必校验完整的Merkle Tree之后再下载文件。

Merkle Tree 与 区块链

上面的区块数据结构中包含了两个与Merkle Tree相关的字段:

  • transaction_mroot,一个区块中的transactions字段可以包含多笔交易,区块中的transaction_mroot是所有该区块内打包的交易的Merkle Root,可以用来校验其中的每笔交易的正确性。如果该区块中不包含任何交易,则该字段的值为0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000。节点同步数据的时候,会先将交易的Merkle Tree下载并通过Merkle Root来校验,而不是将所有的交易主体全部下载下来,这样可以节省轻节点的数据量。
  • action_mroot,创建一个基于所有分发的action的根,在区块内接收交易时进行评估。用在轻客户端的校验,功能同上。

action_mroot是始终有值的,哪怕transaction_mroot是0,这是因为出块本身也是一个action动作onblock,这个动作调用的是system合约的onblock函数。TODO:源码分析

/**
*  At the start of each block we notify the system contract with a transaction that passes in
*  the block header of the prior block (which is currently our head block)
*/
signed_transaction get_on_block_transaction()
{
  action on_block_act;
  on_block_act.account = config::system_account_name;
  on_block_act.name = N(onblock);
  on_block_act.authorization = vector<permission_level>{{config::system_account_name, config::active_name}};
  on_block_act.data = fc::raw::pack(self.head_block_header());

  signed_transaction trx;
  trx.actions.emplace_back(std::move(on_block_act));
  trx.set_reference_block(self.head_block_id());
  trx.expiration = self.pending_block_time() + fc::microseconds(999'999); // Round up to nearest second to avoid appearing expired
  return trx;
}

context_free_actions

通过对eosio.null账户的nouce动作,可以将无签名的数据打包进入context_free_action字段,结果区块信息如下:

evsward@evsward-TM1701:~/work/src/github.com/eos/tutorials/bios-boot-tutorial$ cleos --wallet-url http://127.0.0.1:6666 --url http://127.0.0.1:8000 get block 440
{
  "timestamp": "2018-08-14T08:47:09.000",
  "producer": "eosio",
  "confirmed": 0,
  "previous": "000001b760e4a6610d122c5aa5d855aa49e29f3052ac3e40b9e1ef78e0f1fd02",
  "transaction_mroot": "32cb43abd7863f162f4d8f3ab9026623ea99d3f8261d2c8b4d8bf920ab97e3d1",
  "action_mroot": "09afeaf40d6988a14e9e92817d2ccf4023b280075c99f13782a6535ccc58cbb0",
  "schedule_version": 0,
  "new_producers": null,
  "header_extensions": [],
  "producer_signature": "SIG_K1_K2eFDzbxCg3hmQzpzPuLYmiesrciPmTHdeNsQDyFgcHUMFeMC3PntXTqiup5VuNmyb7qmH18FBdMuNKsc7jgCm1TSPFbaj",
  "transactions": [{
      "status": "executed",
      "cpu_usage_us": 290,
      "net_usage_words": 16,
      "trx": {
        "id": "d74843749d1e255f13572b7a3b95af9ddd6df23d1d0ad19d88e1496091d4be2b",
        "signatures": [
          "SIG_K1_KVzwg3QRH6ZmempNsvAxpPQa42hF4tDpV5cqwqo7EY4oSU7NMrEFwG7gdSDCnUHHhmH1EwtVAmV1z9bqtTvvQNSXiSgaWG"
        ],
        "compression": "none",
        "packed_context_free_data": "",
        "context_free_data": [],
        "packed_trx": "8497725bb601973ea96f0000000100408c7a02ea3055000000000085269d000706686168616861010082c95865ea3055000000000000806b010082c95865ea305500000000a8ed3232080000000000d08cf200",
        "transaction": {
          "expiration": "2018-08-14T08:49:08",
          "ref_block_num": 438,
          "ref_block_prefix": 1873362583,
          "max_net_usage_words": 0,
          "max_cpu_usage_ms": 0,
          "delay_sec": 0,
          "context_free_actions": [{
              "account": "eosio.null",
              "name": "nonce",
              "authorization": [],
              "data": "06686168616861"
            }
          ],
          "actions": [{
              "account": "eosiotesta1",
              "name": "hi",
              "authorization": [{
                  "actor": "eosiotesta1",
                  "permission": "active"
                }
              ],
              "data": {
                "user": "yeah"
              },
              "hex_data": "0000000000d08cf2"
            }
          ],
          "transaction_extensions": []
        }
      }
    }
  ],
  "block_extensions": [],
  "id": "000001b8d299602b289a9194bd698476c5d39c5ad88235460908e9d43d04edc8",
  "block_num": 440,
  "ref_block_prefix": 2492570152
}

正常的actions的内容是hi智能合约的调用,而context_free_action中包含了无签名的data数据,是已做数字摘要后的形态。源码中的操作:

// lets also push a context free action, the multi chain test will then also include a context free action
("context_free_actions", fc::variants({
    fc::mutable_variant_object()
       ("account", name(config::null_account_name))
       ("name", "nonce")
       ("data", fc::raw::pack(v))
    })
 );

EOS的StateDB

我们来设想一个场景:

A账户转账给B账户100个SYS,如何查看A账户的余额?

对于不知道以上动作何时发生的我们来讲,我们要如何做呢:

  • 首先是从头扫描区块内的交易,交易内的action,直到找到A账户被创建的action所对应的区块号。
  • 从这个区块号开始继续扫描,要将所有A账户的转账,包括收入和支出的所有action记录下来并统计。
  • 算出A的当前余额。

以上步骤很容易出错且繁琐,每一次的余额查询都要重复这些操作实在是毫无意义,因此StateDB就诞生了,这个库顾名思义就是用来存储状态数据的,如果有了StateDB,上面的场景的解决办法就是:

  • 从A账户被第一次收入SYS开始,为A账户在StateDB中建立一个table,存储A账户的余额,每当A账户发生转账的action,都会同步更新StateDB中相关table中A账户的余额的值,当我们需要知道A账户的余额时,我们可以直接查找这个余额state即可。

测试用例

这里为大家提供一个测试方法,也是我的命令history:

cleos create key
cleos wallet import 5JA9oDotJHoKnjUV6NrAMx4g5gWTCVCRLybTnG1XVU3EKGZZeNY
cleos wallet import --private-key 5JA9oDotJHoKnjUV6NrAMx4g5gWTCVCRLybTnG1XVU3EKGZZeNY
cleos wallet keys
cleos wallet import --private-key 5KQwrPbwdL6PhXujxW37FSSQZ1JiwsST4cqQzDeyXtP79zkvFD3
cleos wallet keys
cleos create account eosio usertesta1 EOS761KfjhYy3FSypZGG5hePrR8K2wzmw75JCDXgypKt2DLXZoZPW
cleos create account eosio eosio.token EOS761KfjhYy3FSypZGG5hePrR8K2wzmw75JCDXgypKt2DLXZoZPW
cleos set contract eosio.token work/src/github.com/eos/build/contracts/eosio.token/
cleos push action eosio.token create '["eosio","100000000.0000 SYS"]'
cleos push action eosio.token issue 
cleos push action eosio.token issue '["usertesta1","10000000.0000 SYS"]' -p eosio.token
cleos push action eosio.token issue '["usertesta1","10000000.0000 SYS"]' -p eosio
cleos get currency balance eosio.token usertesta1
cleos get table eosio.token usertesta1 accounts
cleos get table eosio.token eosio accounts

可以看到当我想获得usertesta1账户的余额时,是通过查询StateDB的table来获取的,而不是最开始的那种扫块的笨方法。

链式存储和StateDB存储的区别

  • 链式存储,存储的是固定结构的数据:Block=> Block Header/ transactions=>actions,一个action的结构例子:
{
    "account": "eosiotesta1",
    "name": "hi",
    "authorization": [{
      "actor": "eosiotesta1",
      "permission": "active"
    }],
    "data": {
    "user": "yeah"
    },
    "hex_data": "0000000000d08cf2"
}

这个例子中,我们调用了hello合约的hi函数,data传入的格式是hi函数中自定义的,所以在链式存储中,留给我们发挥的空间也即在此。

  • StateDB,存储的是一个最终要记录的状态,这个状态数据必须是有意义的,是有人关心的,无关紧要的数据请不要放在StateDB中去,所以StateDB是可以增删改查的,就像一个普通数据库那样,在合约中通过multi_index来操作,具体请参照文章EOS技术研究:合约与数据库交互

很多人搞不明白为什么区块链不可篡改,却在StateDB中好像可以修改还能删除?

其实不是这样的,链式存储的内容会将所有的动作action全部记录下来,是所有的过程数据,是流水帐,元数据,这些数据一旦上链是不可修改,不可删除的。而StateDB只是为了保存一个状态信息,这个状态信息的修改与删除并不影响区块链的不可篡改的特性。

目前StateDB的主流实现方式是将它放在内存中,而当有些人对StateDB的认识有偏差造成滥用的时候,会引发内存过载,因此一方面我们要非常清楚的理解StateDB的含义,一方面EOSIO帮助我们提供了一个mongodb-plugin插件来同步StateDB数据。

mongodb

安装

  • 下载tgz安装包
  • 解压安装到/usr/local/bin(或者其他某路径)
  • sudo mkdir /data/db

普通模式

  • sudo mongod
  • mongo

服务模式

我们也可以使用ubuntu系统的服务模式。

曾经我们要定义一个系统启动时自启动服务的方式是在/etc/init.d 目录下写一个脚本来执行,现在在ubuntu的服务模式下,我们可以丢弃那种方式,服务模式的命令是service,而现在的ubuntu系统推崇使用的systemctl命令,他俩的使用方法的区别就在于参数的顺序。

  • 定义一个配置文件mongod.conf
  • 定义一个服务文件,放置在/etc/systemd/system/ sudo vi /etc/systemd/system/mongodb.service
[Unit]
Description=High-performance, schema-free document-oriented database
After=network.target
 
[Service]
User=mongodb
ExecStart=['mongod' command location] --quiet --config /etc/mongod.conf
 
[Install]
WantedBy=multi-user.target
  • 查找服务状态 systemctl list-unit-files
  • 查询mongodb服务的激活状态 systemctl is-enabled mongodb
  • 激活系统自启动服务 sudo systemctl enable mongodb
  • 启动mongodb服务 sudo systemctl start mongodb
  • 查询mongodb服务状态 sudo systemctl status mongodb
  • 停止mongodb服务 sudo systemctl stop mongodb

调试模式

IDE选择CLion,EOS源码下载最新的,保证本地可以使用脚本编译通过,安装了相关依赖包,然后在CLion中导入EOS,CLion会自动识别CMakeList.txt文件生成makefile文件并make编译执行。编译时可能会遇到错误,一般来讲要么是环境依赖没有配置好,要么就是CMakeList.txt要有修改,例如mongodb-plugin导入时要在总开关配置上开启。

set(BUILD_MONGO_DB_PLUGIN "true")

全部编译成功以后,会自动识别出可以debug的target,与EOS中配备CMakeList.txt的模块一一对应。

安装Mongo Explorer插件

上面我们介绍了MongoDB的安装方法,以及启动nodeos时的配置方法(除了上文提到的总开关,当然要在config.ini文件末尾设置上plugin = eosio::mongo_db_plugin,这部分内容演练多次,这里不再赘述。)链启动开始出块以后,会同步到mongodb中去(注意要预先启动mongod守护进程,可以理解为服务端),通过mongo命令接入可使用mongo命令查询数据,但这样很不方便。可以在CLion中安装mongo-plugin,配置好效果如下:

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