Rust区块链共识引擎sc-consensus-babe的使用:Substrate框架中的BABE协议实现与区块生产机制
Rust区块链共识引擎sc-consensus-babe的使用:Substrate框架中的BABE协议实现与区块生产机制
BABE协议概述
BABE是一种基于时隙的区块生产机制,它使用可验证随机函数(VRF)来随机分配时隙。验证节点在每个时隙生成随机数,如果低于与其质押量相关的阈值,则获得出块权。
关键特性
- 随机时隙分配:时隙可能分配给多个验证节点或无人获得,导致临时分叉或空块
- 协议参数c:控制时隙为空概率,影响安全性与网络延迟容忍度
- 次要点时隙机制:在主时隙失败时的备用出块方案
- 分叉选择规则:优先选择包含更多主区块的链
完整示例代码
以下是基于Substrate框架的完整BABE实现示例:
use sc_consensus_babe::{self, BabeParams, Config, Environment};
use sc_consensus_babe::inherents::BabeInherentData;
use sp_consensus_babe::{AuthorityId, Slot, BabeEpochConfiguration, AuthorityPair,
digests::{PreDigest, SecondaryPlainPreDigest, SecondaryVRFPreDigest}};
use sp_consensus_vrf::schnorrkel::{Randomness, VRFOutput, VRFProof};
use sp_consensus::{BlockImport, BlockImportParams, ForkChoiceStrategy, ImportResult};
use sp_runtime::{traits::Block as BlockT, generic::BlockId};
use sp_keystore::{SyncCryptoStore, SyncCryptoStorePtr};
use std::{sync::Arc, collections::HashMap};
// 1. 定义BABE服务结构体
pub struct BabeService<B: BlockT, C, E, I, SO, SC> {
inner: sc_consensus_babe::BabeBlockImport<B, E, I, SO, SC>,
keystore: SyncCryptoStorePtr,
}
impl<B, C, E, I, SO, SC> BabeService<B, C, E, I, SO, SC>
where
B: BlockT,
C: sp_api::ProvideRuntimeApi<B> + sc_client_api::BlockBackend<B> + Send + Sync + 'static,
E: sc_consensus::SelectChain<B> + 'static,
I: BlockImport<B, Error = sp_consensus::Error> + Send + Sync + 'static,
SO: sc_network::SyncOracle + Send + Sync + Clone + 'static,
SC: sc_consensus::SharedDataLink<B> + Send + Sync + 'static,
{
// 2. 创建BABE服务
pub fn new(
client: Arc<C>,
block_import: I,
select_chain: E,
keystore: SyncCryptoStorePtr,
sync_oracle: SO,
justification_sync_link: SC,
) -> Result<Self, sp_consensus::Error> {
// 配置BABE参数
let config = Config {
keystore: keystore.clone(),
is_authority: true,
can_author_with: None,
slot_duration: sc_consensus_babe::SlotDuration::from_millis(1000),
epoch_changes: sc_consensus_babe::EpochChanges::new(),
babe_link: sc_consensus_babe::BabeLink::new(),
};
// 创建BABE环境
let env = Environment::new(
client.clone(),
config.clone(),
select_chain.clone(),
keystore.clone(),
);
// 初始化BABE参数
let params = BabeParams {
keystore,
client,
block_import,
sync_oracle,
justification_sync_link,
select_chain,
env,
config,
_phantom: Default::default(),
};
// 启动BABE共识
Ok(Self {
inner: sc_consensus_babe::start(params)?,
keystore,
})
}
// 3. 区块生产逻辑
pub async fn produce_block(&mut self) -> Result<(), sp_consensus::Error> {
// 获取当前时隙
let slot = self.inner.slot();
// 检查是否是验证节点
if let Some(authority_id) = sc_consensus_babe::authorship::authority_id(&*self.keystore) {
// 尝试主时隙出块
if let Some((vrf_output, vrf_proof)) = self.try_primary_slot(&authority_id, slot) {
self.build_and_import_block(slot, Some((vrf_output, vrf_proof))).await?;
}
// 尝试次要点时隙出块
else if self.try_secondary_slot(&authority_id, slot) {
self.build_and_import_block(slot, None).await?;
}
}
Ok(())
}
// 4. 主时隙处理
fn try_primary_slot(
&self,
authority_id: &AuthorityId,
slot: Slot,
) -> Option<(VRFOutput, VRFProof)> {
let epoch = self.inner.epoch();
let epoch_config = self.inner.epoch_config();
// 创建VRF输出和证明
let (vrf_output, vrf_proof) = create_vrf_output(authority_id, slot, epoch_config);
// 检查是否赢得时隙
if sc_consensus_babe::authorship::check_primary_slot(
slot,
epoch_config,
&vrf_output,
) {
Some((vrf_output, vrf_proof))
} else {
None
}
}
// 5. 次要点时隙处理
fn try_secondary_slot(&self, authority_id: &AuthorityId, slot: Slot) -> bool {
let epoch = self.inner.epoch();
let authorities = epoch.authorities();
// 计算次要点时隙验证节点索引
let index = sc_consensus_babe::authorship::secondary_slot_author(
slot,
&epoch.randomness,
authorities.len(),
)?;
// 检查是否是当前验证节点
authorities.get(index).map(|a| &a.0 == authority_id).unwrap_or(false)
}
// 6. 构建并导入区块
async fn build_and_import_block(
&mut self,
slot: Slot,
vrf_output: Option<(VRFOutput, VRFProof)>,
) -> Result<(), sp_consensus::Error> {
// 构建BABE固有数据
let inherent_data = build_babe_inherent_data(slot, vrf_output);
// 创建区块导入参数
let mut import_params = BlockImportParams::new(BlockId::number(0), None);
import_params.fork_choice = Some(ForkChoiceStrategy::LongestChain);
// 导入区块
self.inner.import_block(import_params, inherent_data).await
}
}
// 7. 辅助函数:创建VRF输出和证明
fn create_vrf_output(
authority_id: &AuthorityId,
slot: Slot,
epoch_config: &BabeEpochConfiguration,
) -> (VRFOutput, VRFProof) {
let randomness = Randomness::from([0u8; 32]); // 实际应用中应从链上获取
let transcript = sp_consensus_babe::make_transcript(&randomness, slot, epoch_config);
let (inout, proof, _) = authority_id.vrf_sign(transcript);
(inout.to_output(), proof)
}
// 8. 辅助函数:构建BABE固有数据
fn build_babe_inherent_data(
slot: Slot,
vrf_output: Option<(VRFOutput, VRFProof)>,
) -> BabeInherentData {
BabeInherentData {
timestamp: sp_timestamp::InherentDataProvider::from_system_time().unwrap(),
babe: sp_consensus_babe::inherents::InherentDataProvider {
epoch: 0,
slot,
vrf_output,
}
.create_inherent_data()
.unwrap(),
}
}
// 9. 使用示例
#[tokio::main]
async fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
// 初始化客户端和密钥存储等组件
// ...
// 创建BABE服务
let mut babe_service = BabeService::new(
client,
block_import,
select_chain,
keystore,
sync_oracle,
justification_sync_link,
)?;
// 开始生产区块
babe_service.produce_block().await?;
Ok(())
}
代码说明
- BabeService结构体:封装了BABE共识的核心功能
- 服务初始化:配置时隙持续时间、epoch变更等参数
- 区块生产流程:
- 检查当前时隙
- 尝试主时隙出块(使用VRF)
- 失败时尝试次要点时隙出块
- VRF验证:确保只有赢得时隙的验证节点才能出块
- 区块导入:将新生成的区块导入到区块链中
这个完整示例展示了如何在Substrate框架中实现BABE共识引擎,包括初始化、时隙管理、VRF验证和区块生产等核心功能。
1 回复
以下是基于您提供的内容整理的Rust区块链共识引擎sc-consensus-babe使用指南的完整示例:
内容中提供的示例汇总
- 初始化BABE配置
use sc_consensus_babe::{BabeParams, start_babe};
use sp_consensus_babe::BabeGenesisConfiguration;
let babe_config = BabeGenesisConfiguration {
slot_duration: 6000, // 6秒的毫秒数
epoch_length: 10, // 每个epoch包含的槽位数
c: (3, 10), // 随机性参数
genesis_authorities: vec![...], // 初始验证人集合
randomness: Default::default(), // 初始随机性
allowed_slots: sp_consensus_babe::AllowedSlots::PrimaryAndSecondaryPlainSlots,
};
- 启动BABE共识
let babe = start_babe(babe_params)?;
- 自定义出块条件
let can_author_with = Box::new(move |_| -> bool {
true
});
- 完整节点集成
let block_import = BabeBlockImport::new(
client.clone(),
client.clone(),
client.clone(),
select_chain.clone(),
keystore.clone(),
);
完整示例代码
use sc_consensus_babe::{BabeParams, start_babe, Config, BabeBlockImport};
use sp_consensus_babe::{BabeGenesisConfiguration, AllowedSlots, BabeApi};
use sp_api::ProvideRuntimeApi;
use sp_core::crypto::Pair;
use sp_keystore::{SyncCryptoStore, KeystorePtr};
use sc_client_api::Backend;
use sc_consensus::{
BlockImport, ForkChoiceStrategy, BlockImportParams, ImportResult,
};
use std::sync::Arc;
// 1. 初始化BABE配置
fn setup_babe_config() -> BabeGenesisConfiguration {
BabeGenesisConfiguration {
slot_duration: 6000, // 6秒一个槽位
epoch_length: 10, // 每个epoch 10个槽位
c: (3, 10), // 随机性参数
genesis_authorities: vec![], // 实际使用时填入验证人公钥
randomness: Default::default(),
allowed_slots: AllowedSlots::PrimaryAndSecondaryPlainSlots,
}
}
// 2. 创建BABE区块导入器
fn create_babe_block_import<B, C, BE>(
client: Arc<C>,
backend: Arc<BE>,
keystore: KeystorePtr,
) -> BabeBlockImport<B, C, BE>
where
B: Backend,
C: ProvideRuntimeApi<B> + Send + Sync,
C::Api: BabeApi<B>,
{
BabeBlockImport::new(
client.clone(),
client.clone(),
backend,
keystore,
)
}
// 3. 配置并启动BABE
fn start_babe_consensus<P, B, C, BE>(
client: Arc<C>,
block_import: BabeBlockImport<B, C, BE>,
keystore: KeystorePtr,
is_authority: bool,
) -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>>
where
P: Pair,
B: Backend,
C: ProvideRuntimeApi<B> + Send + Sync,
C::Api: BabeApi<B>,
{
let config = Config {
keystore,
is_authority,
can_author_with: Default::default(),
};
let babe = start_babe(config)?;
Ok(())
}
// 4. 自定义出块条件示例
fn custom_authoring_logic() -> Box<dyn Fn(&Header) -> bool> {
Box::new(|_header| {
// 这里可以添加自定义逻辑,例如:
// - 检查系统资源
// - 验证网络状态
// - 其他业务条件
true
})
}
// 5. Epoch处理示例
struct CustomEpochHandler;
impl BabeEpochHandler for CustomEpochHandler {
fn epoch_data(&self, header: &Header) -> Result<BabeEpoch, Error> {
// 自定义epoch转换逻辑
Ok(BabeEpoch::default())
}
}
// 主函数
fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
// 初始化配置
let babe_config = setup_babe_config();
// 创建必要组件(实际使用时需要具体实现)
let client = unimplemented!("需要实现客户端实例");
let backend = unimplemented!("需要实现后端实例");
let keystore = unimplemented!("需要实现密钥库");
// 创建区块导入器
let block_import = create_babe_block_import(client.clone(), backend.clone(), keystore.clone());
// 启动BABE共识
start_babe_consensus::<sp_core::ed25519::Pair, _, _, _>(
client,
block_import,
keystore,
true, // 设置为验证节点
)?;
Ok(())
}
关键点说明
- 配置参数
slot_duration
: 控制出块间隔时间(毫秒)epoch_length
: 每个epoch包含的槽位数c
: 随机性参数,影响验证人选择概率
- 验证人设置
genesis_authorities
需要填入实际的验证人公钥集合- 需要配合
keystore
使用,验证人需要持有对应的私钥
- 运行模式
- 通过
is_authority
区分全节点和验证节点 - 验证节点需要正确配置密钥才能参与出块
- 自定义扩展
- 通过实现
CanAuthorWith
自定义出块条件 - 通过
BabeEpochHandler
处理epoch转换逻辑
调试建议
// 启用详细日志
sc_tracing::logging::LoggerBuilder::new("babe")
.with_target_levels("sc_consensus_babe=debug")
.init()
.expect("日志初始化失败");
这个完整示例展示了如何从初始化配置到实际启动BABE共识的全过程,包含了内容中提到的所有关键环节。实际使用时需要根据具体区块链实现补充客户端、后端等组件的具体实现。