小试牛刀-Turbine数据分发

[3.1 Leader实现](#3.1 Leader实现)

[3.2 Validator实现](#3.2 Validator实现)

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本篇文章主要介绍了
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一、什么是Turbine算法?

Turbine 算法是一种用于区块链网络（尤其是 Solana 区块链）中高效数据传输和共识的算法。它的核心目标是在高吞吐量和低延迟的网络环境中，优化数据的传播和验证过程。Turbine 是 Solana 区块链的关键组件之一，帮助其实现每秒处理数万笔交易的能力。

二、流程图

2-1 流程图

如图2-1的所示,当客户端发送transaction到RPC节点后,会被分发到Leader节点(领导者节点),然后领导者节点对数据块进行封装后,会分发到验证节点(Validator)。当数据块数据过大时,数据的分发就会占用大量的网络带宽,造成网络短时负载增加。在区块链网络中,这种网络负载的造成的影响是巨大的,所以使用Turbine算法解决网络中的负载问题。如下图(2-2)所示:

2-2 流程图

当领导者分发包装的区块数据量过大时,将块(Block)拆分为小的Shred并对其进行签名然后分发到验证节点,这样验证节点对接收到得小的Shred验证并进行拼接,最终组成完整的块,然后对块内的交易数据进行验证,并最终完成整个区块的验证。

三、模拟实现

3.1 Leader实现

为了更好的理解Turbine算法的功能实现,这里使用Python代码对其流程进行实现。为更好的模拟领导者节点和验证者节点，这里使用google的grpc依赖创建leader(server)和validator(client)进行演示。

首先准备用户发送到链上的数据信息,这里模拟可直接对其进行定义,其定义如下:

python 复制代码

# 接收到的交易数据
transaction = {
    "message_header": {
        "version": 1,
        "account_count": 2,
        "signature_count": 1
    },
    "account_keys": ["Alice", "Bob"],
    "recent_blockhash": "5KQmYg7s8v9wX2y3z4a5b6c7d8e9f0g1h2i3j4k5l6m7n8o9p0q1r2s3t4u5v6w7",
    "instructions": [],
    "program_id": "TokenkegQfeZyiNwAJbNbGKPFXCWuBvf9Ss623VQ5DA"
}

当用户发送该数据到链上之前应对其进行签名(模拟私钥签名),使用pynacl依赖使用私钥对数据进行签名并添加到要发送transcation中,其代码如下:

python 复制代码

def get_signkey()->None:
    """
    生成并返回签名密钥。
    """
    config = load_config("config.yml")  # 加载配置文件
    private_key = config["private_key"]  # 获取私钥
    seed = base58.b58decode(private_key)[:32]  # 解码私钥并取前32字节作为种子

    signing_key = SigningKey(seed)  # 使用种子生成签名密钥
    return signing_key

def sign_transaction(transaction:dict[str,Any]) -> dict[str,Any]:
    """
    对交易数据进行签名并返回签名后的交易数据。
    """
    transaction_signature = get_signkey().sign(json.dumps(transaction).encode()).signature  # 对交易数据进行签名
    transaction.update({"signature": base58.b58encode(transaction_signature).decode()})  # 将签名添加到交易数据中
    return transaction

之后对数据进行分片,即将其打包为Shred列表,为发送数据做准备,代码如下：

python 复制代码

def create_shreds(transaction_data:str) -> list[Shred]:
    """
    将交易数据分片并返回分片对象列表。
    """
    shreds = []
    for i in range(0, len(transaction_data), SHRED_LENGTH):
        payload = transaction_data[i:i+SHRED_LENGTH]  # 分片数据
        base58_payload = base58.b58encode(payload).decode()  # 对分片数据进行 base58 编码
        shred = Shred(i // SHRED_LENGTH, len(transaction_data) // SHRED_LENGTH + 1, base58_payload)  # 创建分片对象
        signKey = get_signkey()  # 获取签名密钥
        shred.sign_shred(signKey)  # 对分片进行签名
        shreds.append(shred)
    return shreds

这里对数据根据SHRED_LENGTH进行分割,同时将分割Json数据转换base58编码,并对Shred进行签名,其内容格式如下(index,total,payload,signature):

python 复制代码

Shred(0, 4, 5nZVN1neN8mfwrCcs3VAa1m5TDiaYrKP19fQ495t2ZrQJuvwh3
JHdvna11pcYbDng7B4LzjyTMXXbBps61PCPQGqVj5HJmDPZMv1Ng8k2soWZEAE
9SHxLeaEhfMQLKVMs4Q4dCezp, 2g4436FiWE61hSbNbsn35x3Po2DaYJcC9uBKEY
7NE7ZiPzTpYb4ijPVWJhLna7ZdhLxR3BhUdczDZkwQjobYaAJJ)

最后将打包好的Shred列表通过grpc服务发送到validator节点,其代码如下:

python 复制代码

class StreamService(sync_pb2_grpc.StreamServiceServicer):
    """
    实现 gRPC 服务的类。
    """

    def BiStream(self, request_iterator, context):
        """
        双向流方法。
        """
        while True:
            signed_transaction = sign_transaction(transaction.copy())  # 对交易数据进行签名
            transaction_data = json.dumps(signed_transaction)  # 将交易数据转换为 JSON 字符串

            shreds = create_shreds(transaction_data)  # 创建分片对象列表
            for shred in shreds:
                response_data = json.dumps(shred.__dict__)  # 将分片对象转换为 JSON 字符串
                yield sync_pb2.SyncResponse(success=True, data=response_data)  # 服务器持续返回数据
            break

def serve():
    """
    创建并启动 gRPC 服务器。
    """
    server = grpc.server(futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=10))
    sync_pb2_grpc.add_StreamServiceServicer_to_server(StreamService(), server)
    server.add_insecure_port("[::]:50051")
    server.start()
    server.wait_for_termination()

if __name__ == "__main__":
    serve()

3.2 Validator实现

当Validator连接到服务器后,会接收到服务器发送的Shred数据,因为领导者节点在发送数据时对每个Shred进行了签名,所以这里可以直接对每个Shred数据进行验证签名(该操作保证了领导者节点发送的Shred数据完整性 )。然后对Shred携带的Payload数据进行组合,得到数据(块数据),然后根据用户携带的签名,对用户数据进行验证(即transaction签名)。其代码如下:

python 复制代码

def process_responses(stub):
    """
    处理来自 gRPC 服务器的响应。

    参数:
        stub (sync_pb2_grpc.StreamServiceStub): gRPC 客户端存根。

    返回:
        bytes: 累积的有效负载数据。
    """
    responses = stub.BiStream(empty_request_iterator())
    payload = b""

    for response in responses:
        res_data = json.loads(response.data, object_hook=json_to_shred)
        verify = res_data.verify_shred(get_verify_key())
        print("验证每个shred的签名:",verify)
        print(f"Received from Server: {response.success}:{res_data}:{verify}")
        payload += base58.b58decode(res_data.payload)
        if res_data.index + 1 == res_data.total:
            break

    return payload

def verify_payload_signature(payload):
    """
    验证累积的有效负载数据的签名。

    参数:
        payload (bytes): 累积的有效负载数据。

    抛出:
        nacl.exceptions.BadSignatureError: 如果签名验证失败。
    """
    dict_data = json.loads(payload.decode('utf-8'))
    signature = dict_data.pop('signature')
    print("接收到的组合完成的数据:", dict_data)
    payload_verify = json.dumps(dict_data).encode()
    signature_bytes = base58.b58decode(signature)
    print("需验证的整体payload:",payload_verify)
    print("需验证的签名:",signature_bytes)
    get_verify_key().verify(payload_verify, signature_bytes)
    print("signature verify success")

需要完整代码可以去我的GitHub获取.

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