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

  1. 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
  2. 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
  3. 次要点时隙机制:在主时隙失败时的备用出块方案
  4. 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

  1. BabeService结构体:封装了BABE共识的核心功能
  2. 服务初始化:配置时隙持续时间、epoch变更等参数
  3. 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
  4. VRF验证:确保只有赢得时隙的验证节点才能出块
  5. 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

  1. 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,
};
  1. 启动BABE共识
let babe = start_babe(babe_params)?;
  1. 自定义出块条件
let can_author_with = Box::new(move |_| -> bool {
    true
});
  1. 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

  1. 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
  1. 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
  1. 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
  1. 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。

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