锯齿湖-最具商用价值的开源区块链项目:超级账本（4）

美国爱达荷州锯齿湖 （图片来自The OutBound）

前面几期分别介绍了超级账本项目结构、Fabric子项目架构、Fabric部署和发布（上述链接均可点击）。本期介绍超级账本另一个子项目Sawtooth Lake(锯齿湖)。更多区块链相关的技术细节，请参考邹均博士等专家和笔者合著的新书《区块链技术指南》。（参见文末） 上期赠书活动由贵州读者"白袍小将"胜出，新书将于近期寄出。

Sawtooth Lake（锯齿湖）是由超级账本联盟成员英特尔（Intel）公司发起的分布式账本平台试验项目，最初发布的时候称为intelledger，在进入超级账本项目后，更名为“锯齿湖”，该名称来源于美国爱达荷州锯齿山上著名的高山湖。

Swatooth Lake是第二个进入超级账本孵化阶段的提案。在超级账本中同时孵化功能相近、设计和实现不同的多个项目，目的是促进更深入地探索各类问题需求和各项目的适配场景。因此，在这些项目的后期，不排除有互相合并或集成的可能。

项目概述

锯齿湖提供了一个构建、部署和运行分布式账本的高度模块化平台，功能上有其独特的地方。譬如，锯齿湖分离了账本和交易，使两者成为松耦合的关系；提出了交易家族的概念，能够扩展到不同的商业领域；适合权限或无权限区块链的可插拔共识算法。

在锯齿湖项目中的分布式账本包括三个组件：

• 代表账本状态的数据模型；
• 改变账本状态的交易语言；
• 在参与者之间建立交易结果共识的协议。

其中，数据模型和交易语言的实现称为“交易家族”（Transaction Family）。尽管用户根据自身账本的需要，可在锯齿湖的基础上开发出定制化的交易家族，锯齿湖项目还是提供了适合构建数字资产市场的三种交易家族，足以用来创建、测试和部署这类市场应用。这三种可直接使用的交易家族分别为：注册账本服务（EndPointRegistry）、测试部署账本（IntegerKey）和数字资产买卖交易系统（MarketPlace）。前两种交易家族内置在锯齿湖的代码内核中，MarketPlace交易家族则是作为应用示例，包含了几乎所有数字资产交易所涉及的元素，如账号、资产、债务、出价等等。用户根据已有的交易家族，能够开发更多的特定领域的交易家族。

项目架构

锯齿湖的设计中包含3个主要的架构层次：账本层、日志层和通信层，如下图所示。

（1）账本层

账本层（Ledgers）从概念上讲是交易类型的数据模型层次。因为其实现是基本通过延展日志层和通信层的功能来完成的。例如系统内置的EndpointRegistry和IntergerKey Registry两个交易家族，以及作为范例的MarketPlace交易家族，都是通过扩展底层功能而来的。

（2）日志层

日志(Journal)层是锯齿湖实现区块链核心功能的层次，实现了共识算法、交易（transaction）、区块(block)、全局存储管理器和数据存储（块存储和键值存储）。其中的区块和交易概念与其他区块链项目比较类似。

交易是指可以更改账本状态的一组操作，操作通常要依照数据模型和表示形式的定义。例如，在IntegerKey 的交易家族中，数据模型是键值对(key/value pair)存储，交易的操作可用设置（set）、增加（inc）和减少（dec）来表达。

区块则是一组交易的集合，是写入账本的单位。在锯齿湖日志的每个区块中，允许有不同类型的交易混合在同一个区块中。

日志层在所有节点之间复制区块数据，采用共识算法确定每个区块的顺序、块内交易顺序以及交易内容。

（3）通信层

通信层主要通过聊天（gossip）协议实现节点之间的通信，主要包括了协议层连接管理和基本的流控制。节点之间的互相发送消息来交换信息，信息通常要封装在不同类型的消息中来传输，如交易消息、交易区块消息、连接消息等。和许多分布式系统一样，在整个架构中，需要在节点之间通过聊天协议发送大量的消息，为此，通信层实现了TokenBucket的机制，以控制数据包的传输速度。

（4）共识算法

锯齿湖项目使用的共识算法有两种：时间消逝证明（Proof of Elapsed Time，PoET）和法定人数投票（Quorum Voting）。

PoET和比特币的工作证明（Proof of Work，PoW）一样都属于彩票算法，即按照一定规则随机地选取出“赢家”节点，由该节点作为区块的主记账者，其他节点则负责验证和确认该节点的结果。

PoET比PoW明显的优势是不需要消耗大量的算力和能耗，但是需要CPU硬件支持SGX （Software Guard Extensions）特性。Intel处理器在Skylake微架构上新增了一组CPU指令集，可以产生一个称为“飞地”（enclave）的代码隔离运行环境，甚至对操作系统内核也可隔离。在这个可信的运行环境中，可以生成公平且可验证的随机等待计时器，在计时器等待结束之后，能够对等待的时间进行签名认证。各个节点间根据退出计时器等待的时间，就可确定那个结点作为主记账人。目前在锯齿湖里面的实现的是飞地模拟环境，并不是一个真正的可信运行环境，因此，暂时不适合在生产环境中使用PoET共识算法。

“法定人数投票算法”是从Ripple和Stellar的共识算法修改而来的，主要用于需要满足交易即刻最终性（finality）的应用。

小结

超级账本是目前最大的区块链开源项目，集结了众多科技和金融界的巨头，目标是建立面向商业应用的分布式账本基础技术。本连载介绍了超级账本项目成立的产生背景和管理方式，并详细介绍了两个孵化期的项目Fabric和Sawtooth Lake的架构原理。Fabric和Sawtooth Lake都提供了分布式账本的实现，两者都采用了可扩展和可插拔的模块化设计，以适应不同场景的需求。Fabric侧重于权限控制、私密性保护和交易性能提高，Sawtooth Lake则注重提供完整的交易家族和节能的共识算法。

由于超级账本成立时间不长，孵化期的项目发展过程中可能会有较大的变化，同时新的提案和项目也会不断增加。因此，本连载主要描述超级账本项目设计的总体原理和技术要点，旨在起到抛砖引玉的作用。（本文节选自《区块链技术指南》）