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摘要：當(dāng)前金融機(jī)構(gòu)正在尋求使用區(qū)塊鏈技術(shù)重構(gòu)關(guān)鍵性應(yīng)用軟件。通常，設(shè)計(jì)者引用通信順序進(jìn)程（CSP）庫去構(gòu)建這些軟件，便可方便套用CSP模型去驗(yàn)證軟件在并發(fā)通信過程中的安全性。然而，在現(xiàn)有的CSP庫中，通道以面向?qū)ο蠓绞奖怀橄?、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，在名稱解析、序列化和反序列化方面存在單點(diǎn)故障和額外開銷，設(shè)計(jì)者難以使用他們來構(gòu)建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)分布式應(yīng)用。利用Kademlia網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的路由算法，對CSP模型中提出的通道進(jìn)行重新抽象，并把它設(shè)計(jì)為由一組遠(yuǎn)程調(diào)用過程構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使其具有改良的可靠性和擴(kuò)展性，為設(shè)計(jì)者在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中開發(fā)大規(guī)模、安全的分布式應(yīng)用提供了現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：Kademlia覆蓋網(wǎng)絡(luò)；通信順序進(jìn)程（CSP）通道；進(jìn)程同步通信

使用進(jìn)程代數(shù)方法以通信順序進(jìn)程（CommunicatingSequentialProcesses，CSP）為模型，對網(wǎng)絡(luò)分布式軟件中的進(jìn)程進(jìn)行形式化驗(yàn)證是確認(rèn)其系統(tǒng)并發(fā)行為的有效理論途徑［1］。它適用于基于CSP原語和實(shí)用概念構(gòu)建的軟件。然而，在技術(shù)應(yīng)用層面，金融行業(yè)開始將區(qū)塊鏈技術(shù)用來構(gòu)建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)分布式應(yīng)用［2］。面向金融科技行業(yè)而設(shè)計(jì)的領(lǐng)域特定編程語言尚不成熟［3］，以面向?qū)ο蟮耐ㄓ镁幊陶Z言實(shí)現(xiàn)CSP原語、實(shí)用概念的做法對構(gòu)建大規(guī)模、可擴(kuò)展、其并發(fā)特性可驗(yàn)證的網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)依然具有現(xiàn)實(shí)意義［4－8］。例如，Ian等［6］提出，通道被抽象為了具有緩沖或者非緩沖類型，具備數(shù)量不確定的讀取或者寫入端的語言級別對象，進(jìn)程可以通過它發(fā)送和接收消息。但是，不支持分布在網(wǎng)絡(luò)主機(jī)上的進(jìn)程之間相互通信。文獻(xiàn)［5］以及對它的修訂文獻(xiàn)［9］，采用基于名稱解析方法訪問遠(yuǎn)程對象的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了適用于進(jìn)程在網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間進(jìn)行通信的通道［10］。進(jìn)程使用通道的基本過程：①A進(jìn)程在本地創(chuàng)建通道對象；②A進(jìn)程通道對象的名稱；③B進(jìn)程通過名稱服務(wù)解析獲取通道的讀取或者寫入端對象；④A和B通過對象發(fā)送消息。在工程上，文獻(xiàn)［5，9］存在兩方面的問題：①在可靠性方面，系統(tǒng)采用無冗余設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程對象訪問服務(wù)。如果有關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)發(fā)生故障，那么系統(tǒng)就無法管理通道實(shí)例；②在擴(kuò)展性方面，系統(tǒng)對語言級別對象進(jìn)行序列化和反序列化，在時(shí)間和空間上均存在額外開銷［11］。如果進(jìn)程委托遠(yuǎn)程對象訪問服務(wù)管理大量的通道實(shí)例，那么進(jìn)程頻繁創(chuàng)建、加入、獲取通道對象會延長系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

1設(shè)計(jì)方法

在Kademlia等［12］網(wǎng)絡(luò)上設(shè)計(jì)管理和實(shí)現(xiàn)通道的方法可以解決以上兩方面的問題。該方法的核心是：①該對等網(wǎng)絡(luò)采用將鍵字與節(jié)點(diǎn)標(biāo)識的散列值進(jìn)行按位“抑或”后，比較相對距離的方法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)了相對可靠的查找和讀寫塊表中哈希鍵值的功能，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以為查找通道提供名稱解析功能，不存在單點(diǎn)故障。而且用戶可以查找至多3個(gè)鄰近的節(jié)點(diǎn)，以副本形式保存哈希鍵值［13］，該特性為實(shí)現(xiàn)冗余提供了可能。因此，構(gòu)建可靠且本質(zhì)上具備擴(kuò)展特性的通道服務(wù)是可能的。②在網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間對語言級別的通道對象序列化和反序列化產(chǎn)生額外開銷之事實(shí)，啟發(fā)了以簡化的方式對通道進(jìn)行抽象和實(shí)現(xiàn)的構(gòu)想。即選擇使用遠(yuǎn)程過程調(diào)用實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步通信，可以降低對通道對象序列化和反序列化產(chǎn)生的額外開銷，提高系統(tǒng)性能。

2設(shè)計(jì)通道

通道必須滿足以下原則：①進(jìn)程之間是匿名的；②進(jìn)程之間的通信是同步的；③進(jìn)程之間的通信是有序的。在本文闡述的方法中，通道被重新抽象為滿足以上原則的一組可被遠(yuǎn)程調(diào)用的過程，以及它們所操作的狀態(tài)數(shù)據(jù)。這些過程被設(shè)計(jì)為在對等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行著的有狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的一部分。因此，在設(shè)計(jì)中不存在對通道進(jìn)行具有創(chuàng)建、銷毀語義的操作，通道也不具有在面向?qū)ο蟮某橄笾械纳芷凇Ｔ谠O(shè)計(jì)中通道是包含實(shí)現(xiàn)以下功能的過程：①接收調(diào)用者關(guān)于讀取和寫入操作的請求；②按照順序?qū)ψx取和寫入操作進(jìn)行匹配；③向調(diào)用者返回有關(guān)讀取和寫入操作之請求的應(yīng)答。為了使設(shè)計(jì)符合原則①和②的要求，采用分別對讀取和寫入請求的數(shù)量進(jìn)行判定的方式控制同步通信。具體在上述過程②中，當(dāng)調(diào)用者發(fā)出有關(guān)讀取和寫入請求的數(shù)量分別達(dá)到了為同步通信而設(shè)置的數(shù)量時(shí)，在通道上才會發(fā)生同步通信，然后服務(wù)向每個(gè)調(diào)用者返回關(guān)于讀取或者寫入請求的應(yīng)答。因此，服務(wù)對讀取和寫入請求的處理，分別與讀取和寫入請求的數(shù)量有關(guān)，而與調(diào)用者無關(guān)。而且，進(jìn)程無需加入通道即可進(jìn)行讀取和寫入操作。為了使設(shè)計(jì)符合原則③的要求，采用2種可遞增的序號，確定有關(guān)調(diào)用時(shí)的交互操作和同步通信的順序。具體的，通道被設(shè)計(jì)保存以下狀態(tài)信息：①調(diào)用者和會話序號；②消息序號。以會話序號保證進(jìn)程在多次調(diào)用通道服務(wù)的交互過程中順序的一致性的做法，可以保證進(jìn)程間同步通信的過程滿足偏序關(guān)系，以消息序號控制讀取和寫入操作同步的做法，就是保證進(jìn)程間同步通信的過程滿足全序關(guān)系。例如，為了滿足順序關(guān)系，服務(wù)只響應(yīng)同時(shí)滿足以下2個(gè)條件的讀取和寫入請求，其他請求會被忽略：①在調(diào)用者有序發(fā)出的所有讀取或者寫入請求中，按照調(diào)用者分組后存在最大的會話序號。②在調(diào)用者有序發(fā)出的所有讀取或者寫入請求中，其消息序號與通道當(dāng)前的消息序號在數(shù)值上是相同的。在實(shí)現(xiàn)中通道是有狀態(tài)的。服務(wù)按照通道的名稱分別保存：①消息序號；②調(diào)用者和會話序號。

3管理通道

在本文闡述的方法中，對通道的管理也被抽象為實(shí)現(xiàn)查找和配置功能的一組可被遠(yuǎn)程調(diào)用的過程。這些過程被設(shè)計(jì)為在對等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行著的有狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的另外一部分。在設(shè)計(jì)中對通道的管理包含以下功能：①根據(jù)通道的名稱定位服務(wù)；②配置或者修改通道的參數(shù)和狀態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的進(jìn)程調(diào)用遠(yuǎn)程過程讀取或者向通道寫入消息之前，它通過遠(yuǎn)程調(diào)用一個(gè)實(shí)現(xiàn)查找功能的過程在網(wǎng)絡(luò)中尋找服務(wù)。在設(shè)計(jì)上該功能采用Kademlia網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)的路由算法。因?yàn)樵撀酚伤惴ūM可能保證了在網(wǎng)絡(luò)擾動的條件下的穩(wěn)定和可靠［14－15］，所以在任意網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的進(jìn)程，均可以根據(jù)通道的名稱定位到相同的服務(wù)。同時(shí)，因?yàn)槠洳捎霉Ｋ惴ǖ男再|(zhì)，決定了結(jié)果在空間具有均勻分布的特點(diǎn)，在本質(zhì)上存在負(fù)載均衡的效果。根據(jù)通道的名稱，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的進(jìn)程定位服務(wù)以后，通過遠(yuǎn)程調(diào)用一個(gè)實(shí)現(xiàn)配置功能的過程，設(shè)定通道的參數(shù)。通道服務(wù)按照通道的名稱保存參數(shù)信息，它被設(shè)計(jì)為包括：①緩沖隊(duì)列的大?。虎谧x取的數(shù)量；③寫入的數(shù)量；④健康狀態(tài)。其中，①被用來設(shè)計(jì)具有緩沖特性的通道，②和③被用作同步通信的條件，④被用于標(biāo)志是否中毒［8］。在實(shí)現(xiàn)中，通道的參數(shù)和狀態(tài)信息，均按照通道的名稱分組后以鍵值的方式保存在鄰近的節(jié)點(diǎn)中。

4結(jié)語

在區(qū)塊鏈底層Kademlia覆蓋網(wǎng)絡(luò)中，工程人員可以根據(jù)CSP模型中通道的概念，采用新方法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)通道服務(wù)。與文獻(xiàn)［5，9］相比，該方法利用在Kademlia網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定可靠的路由算法，解決了將通道抽象為語言級別對象時(shí)，集中式名稱解析服務(wù)、對象訪問機(jī)制而產(chǎn)生的可靠性和擴(kuò)展性問題［13］。雖然在強(qiáng)烈的網(wǎng)絡(luò)擾動中，通道服務(wù)的正確性可能會受到有限影響［14－16］，但是金融行業(yè)采用的技術(shù)系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，可以滿足關(guān)鍵應(yīng)用的可靠性要求。系統(tǒng)開發(fā)人員可以使用該方法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的通道服務(wù)，構(gòu)建需要通過CSP模型，驗(yàn)證并發(fā)特性的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)分布式應(yīng)用，測試人員可以使用人工或者自動化方式對系統(tǒng)進(jìn)行初步的形式化分析。

作者：趙揚(yáng) 單位：中國證券登記結(jié)算有限責(zé)任公司上海分公司