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深度解析企业级区块链解决方案——Quorum (中)

导读

:Quorum是由摩根大通开发的企业级分布式账本和智能合约平台,主要是为了解决区块链技术在金融及其他行业应用的特殊挑战而设计。我们将对Quorum最重要的几个特性做分析,本文是这个系列的第二篇(《第一篇》《第三篇》),Quorum隐私分析。

一、隐私性设计

privacy(隐私性)是Quorum的重要的部分,Quorum的一个重要特点就是在以太坊的基础上增加了隐私性(参看白皮书)。将交易和数据进行了隐私性隔离,包括加密和零知识证明等。在将隐私性相关抽象出来以后,导致的一个结果就是,状态数据库的分裂。

在以太坊中,MTP主宰的状态树控制着整个以太坊的世界,任何的风吹草动,都必须纳入状态数据库的更新。但是在Quorum中,公有的数据仍然保持在全局状态的更新,但是私有的数据不被更新到全局状态中,而是被加密保存到节点上,同样通过分布式的事务等同步到所有的节点上。

深度解析企业级区块链解决方案——Quorum (中)

通过上图可以看到,隐私分成了两部分即ZSL和Constellation两部分。

· ZSL:Zero-knowledge Security Layer,即零知识证明安全层。它主要使用ZCASH的零知识证明的zk-SNARKs来增强Constellation机制。

· Constellation:P2P的加密消息交换系统,提供整个Quorum的信息安全交换的模块。

一个私有交易的简单流程:

深度解析企业级区块链解决方案——Quorum (中)

合约交易状态:

下面的交易是允许的:

S -> A -> B

S -> (A) -> (B)

S -> (A) -> [B -> C]

而下面的交易是不支持的:

(S) -> A

(S) -> (A)

说明:

S = sender

(X) = private

X = public

-> = direction

[] = read only mode

通过上述的分析可以看出,Quorum的隐私设计是基于加密的安全算法来实现的。不管是在ZSL还是在Constellation,它都提供了相关的Token来进行相应的支持。

二、Constellation

在Quorum的架构文档中可以看到,Constellation是其重要的一个模块。你可以想象它是一个分布式的密钥服务器,等同于用PGP加密消息的MTA(消息传输代理)网络,做为一个独立的模块,它可以适用于包括区块链在内的许多类型的应用程序,它是实现Quorum的“隐私引擎”,目前使用的版本是使用Haskell实现。 Constellation模块由两个子模块组成:

深度解析企业级区块链解决方案——Quorum (中)

1、事务管理器(Transaction Manager):

事务管理器,允许访问私有事务的加密交易数据、管理器本地数据存储以及与其他事务管理器的通信。它做隐私数据的数据层,提供数据的安全访问并利用Enclave来实现数据的安全加密。

2、飞地(Enclave)

Enclave就是为了解决区块链中记帐的真实性和安全性而实现的一个模块。它通过事务隔离和特定的加密措施来提供并行操作,大大提高了性能。正如上面所讲,隐私的数据的安全处理基本都是通过Enclave来实现的。

三、ZSL


ZSL在Quorum中是单独提供的,它提供了两种支持的方法,一种是直接在其JS平台中调用相关的接口,另外一种是使用C++ libsnark library提供的基本库来供Golang使用。具体的使用办法和接口参看下面的地址:

(https://github.com/jpmorganchase/zsl-q/blob/master/README.md)

在Quorum中,1.5和1.6版本都提供了对ZSL的支持,但在最新的版本中,没有提供对ZSL的支持。猜测可能是JP想把ZSL专门做为一个特别的部分来提供相应的服务,而不是广泛的集成到整体的Quorum这个项目中去。 下图是一个相关的简单股权交易用例:

深度解析企业级区块链解决方案——Quorum (中)

ZSL的使用还是比较复杂的,需要下载相关的库和相关的模块。如果想完整运行一个ZSL的Quorum项目,请参照下面的地址:

https://github.com/jpmorganchase/zsl-q/blob/master/README.md

四、源码分析

1、隐私交易流程介绍

Quorum的交易有两类即”Public Transaction” 和 “Privat Transaction”,也就是公共交易类型和隐私交易类型。在实际的交易中,前者完全兼容以太坊的交易。而在后者的隐私交易中,在原有以太坊的 Transaction 模型上,进行了部分修改。在Quorum 交易tx模型基础上增加了 “privateFor” 字段。另外在还其内部增加了一个判断是否公共或者隐私交易类型的方法 “IsPrivate”。

先看一个官方WIKI上的隐私交易的流程图,这个图中,一笔交易与用户A和用户B有关系,但是和用户C没有关系:

深度解析企业级区块链解决方案——Quorum (中)

说明:

1. 用户A将隐私交易发送到Quorum节点,节点指定交易的有效载荷(内容),并为A和B指定PrivateFor参数为A和B的公钥。

2. 节点将Tx发送到对应的Transaction Manager并存储相关的交易数据。

3. Transaction Manager调用加密的Enclave模块相关函数请求对Tx加密。

4. 节点A的Enclave检验A的私钥,如果验证通过,就进行下列动作:

第一步,生成一个对称密钥和随机值(说明一下这里使用对称密钥的作用是为了加快速度)。

第二步,使上一步生成的密钥加密Tx及相关内容。

第三步,由SHA3-512来计算加密后的Tx的内容的HASH值。

第四步,遍历交易方列表(此处为A和B)使用第一步产生的密钥对用第一步中的public key加密,然后生成一个新的值(加密方法PGP)。

第五步,将上述二三四步的结果返回给Transaction Manager.

5.A的Transaction Manager使用从 Enclave 中获取的 hash 值作为索引把加密后的TX以及加密后的密钥保存到本地。同时,Transaction Manager会把hash值,加密后的TX,public_key_B加密的密钥这三项通过HTTPS发送给PartyB的Transaction Manager。PartyB的Tx Manager收到数据后,会进行ACK/NACK的应答。需要注意的同如果A没有收到应答,那么交易不会在网上传播,也就是说,接收人存储通信的有效载荷是网络传播的前提条件。

6.一旦发往B的Transaction Manager的交易成功,A的事务管理器便将hash值返回给其对应的Quorum节点。该节点用hash值来替换原来TX的交易内容(有效载荷)。修改TX的 V 值为 37 或者 38(Private Transaction的标识)。其他节点可以通过这个 V 的值来判断其是否为已加密交易内容的相关私有交易;否则,即为一个无意义的字节码相关的公开交易。

7.使用标准的以太坊的通信协议将节点通过P2P方式广播给整个网络。

8.此交易被打包到区块中,并分发到各个网络用户。

9. 节点收到这个TX的区块后,发现这个TX的 V 值为37或38。表明这个Tx是隐私的交易,需要解密,需要调用本地的事务管理器,最终决定是否同意这笔交易(使用hash索引查找)。

10. 因为用户C的节点不能控制这笔TX,所以它只会接收到一个NotARecipient的消息,从而忽略这笔交易——c用户不会更新自己的私有状态数据库。A和B将会在自己的事务管理器中查找哈希值,识别他们的确同意该交易,然后它们调用对应的Enclave模块,传递已加密交易内容和加密的系统密钥和签名。

11. Enclave模块验证签名,然后使用在Enclave中保存的该用户的私钥解密对称密钥,使用解密的密钥对交易内容进行解密,然后将解密的交易内容返回给事务管理器。

12. 用户A和B的事务管理器,将解密的TX后通过EVM执行。执行完成后将执行结果返回给Quorum节点,并更新Quorum节点的私有状态。注意:一旦代码被执行将会无效,因此在不经过上述过程的情况下,它无法被读取。

2、隐私交易流程的源码

隐私交易的部分在Quorum中只有Transaction Manager部分,Enclave部分是在另外的项目constellation中,用haskell语言编写完成。下面分别介绍这两个部分。在了解了私有交易的流程后,看一下相关的代码:

1)隐私交易

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2)Transaction Manager模块

这个模

块包含private.go和node.go以及constellation.go几个模块。在private.go中实现了:

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而在Constellation这个结构体中实现了这个接口:

深度解析企业级区块链解决方案——Quorum (中)

Constellation通过RPC调用Haskell的接口:

深度解析企业级区块链解决方案——Quorum (中)

通过上述的一系列调用,就

产生一个RPC的请求,传递到Enclave.

3)En

clave模块

在Haskell的项目中主要有以下几个模块:主模块、Enclave模块、Node模块和相关的工具模块,这里重点介绍Enclave模块。

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相关的RPC:

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API接口消息处理:

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逻辑节点的消息处理:

API接口消息处理:

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haskell的代码纯数学的,理解起来有点头大啊,又回到从前的感觉。

2、ZSL的分析


在Quorum中,ZSL是定位于增强Constellation模块的。下面简要的分析一下ZSL的代码:

1)在Quorum中增加的ZSL部分

在1.6版本中,core,internal,params,eth中都增加ZSL的相关代码或者模块,在vendor的引用库中,也增加了相关的zsl的库的引用。

其中主要的代码在core/zsl/api.go中,它主要引用了用GO封装的ZSL相关的接口,在代码中有一个注释说明:

深度解析企业级区块链解决方案——Quorum (中)

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注意,

这里只简要说明一下零知识证明,不详细阐述零知识证明的相关算法,如果对其有兴趣,可在网上查找相关的资料。

零知识证明过程即参与的一方向另一方证明自己掌握某个秘密(或者说证明者向验证者证明自己掌握某个秘密)。在这个过程中,证明的一方并不想让另外一方知道这个秘密是什么。所以二者要按照一个约定,进行一系列的交互,然后最终由另外一方验证一方确实知道某个秘密。

在计算机领域,一般做法是把原始问题映射到NP问题。验证者只要验证证明者给出的NP问题的解即可,这个计算量需求不大。Quorum是和zcash合作,在Zash中使用的NP问题是QAP(把向量表达式表示为多项式,从而把向量的验证转化为多项式的验证,这个过程称为QAP(Quadratic Arithmetic Programs))

零知识证明的缺点,就在交互上,交互就意味着时间的延长,所以目前使用零知识证明的相关的程序,耗时都是一个瓶颈。

其它的几个

模块中,也增加了相应的接口说明和相关的模块,但基本都是给这个API接口做服务的。

2)零知识证明的snark相关

在Quorum中,使用Golang封装了相关的库。形成了一个单独的项目zsl-q(还有一个与其相关的zsl-q-params项目)。

在封装的snark.go中:

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这些代码和在Quorum中的Golang代码互相响应,但是真正的算法调用在下面:

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在向下的代码,就是零知识证明的c++实现和库了,这里就不再分析,有兴趣的可以将源码下来,学习一下。

五、总结

通过上述的分析,可以看到,Quorum把privacy独立出来,确实想法比较不错,既可以依赖以太坊的公网技术实现区块链的功能,又可以在其基础上开发相应的专门的联盟链的分支,达到自己的目的。

不管是从设计上还是技术的实现上,Quorum力求简单明了,在整个源码的阅读过程中,看不到什么特别的设计技巧,显得非常的接地气。

来源:360区块链实验室

根据国家《关于防范代币发行融资风险的公告》,大家应警惕代币发行融资与交易的风险隐患。

本文来自LIANYI转载,不代表链一财经立场,转载请联系原作者。

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