引言
隨着區塊鏈技術的日趨成熟，更多企業開始探索區塊鏈的實際使用場景。HyperLedger Fabric（下稱Fabric），由Apache社區開發的開源的，企業級的，帶權限的分布式賬本平台，被廣泛應用於學術研究和企業應用領域。其查詢技術是使用和開發Fabric不可或缺的一項功能模塊，但由於區塊鏈技術的去中心化特性，其查詢機制的設計和常規分布式系統存在較大差異，並且存在一定的技術理解門檻。目前官方文檔或相關資料對查詢章節的描述通常與其它技術（如系統部署，更新等）一同描述，沒有單獨對查詢進行描述，或缺乏原理層面的系統描述，難以理解和運用。本文較為詳細的描述Fabric查詢的設計原理，可作為生產和開發中系統設計的參考依據。
文章分為4個部分。首先介紹於查詢相關的Fabric基礎名詞概念，接着介紹Fabric的經歷的各查詢過程以及查詢對象的存儲結構，最后通過描述區塊鏈的系統結構以描述Fabric的一種特殊查詢機制——跨鏈查詢。
基本概念[1]
- 節點（Peer）：一個維護一個賬本的網絡實體。節點會運行鏈碼容器以實現對賬本的讀寫操作。節點由Fabric內的成員持有和維護。
- 通道（Channel）：在Fabric中，通道是私有區塊鏈，可實現數據隔離和保證機密性。部署在一個通道內的賬本由通道中的所有節點之間共享，並且交易方必須通過通道進行身份驗證才能與通道內節點進行交互。
- 鏈碼（Chaincode）：在Fabric中，鏈碼即智能合約。一個鏈碼就是由客戶端應用程序調用的代碼，它可以通過事務（Transaction）改變通道的狀態。在Fabric中，用戶不能直接訪問通道，只能通過鏈碼改變通道的狀態。
- 組織（Organization）：節點以組織的身份加入通道，一個組織可以有一個或多個節點。
查詢過程
在Fabric中，查詢過程涉及區塊鏈五層協議[2]中的應用層，合約層和存儲層。其查詢過程如圖所示。當用戶需要執行查詢操作時，首先在合約層編寫用戶鏈碼，一份完整的用戶鏈碼應包含對多個對事務的讀寫函數，每個讀寫函數由判斷邏輯和系統鏈碼組成。系統鏈碼由Fabric封裝了更改通道記錄的函數，包括處理事務的驗證鏈碼（VSCC）和查詢事務的查詢系統鏈碼（QSCC）。對於查詢系統鏈碼，截止2.2版本，Fabric已經實現了K-V查詢，范圍查詢和溯源查詢三種基本功能，以及區塊鏈中特有的跨鏈碼查詢和跨通道查詢功能。由用戶編寫的用戶鏈碼會被分別部署在Fabric的各個節點上，並向節點上的更下一層存儲層查詢用戶請求數據。當鏈碼部署完畢后，查詢者可以通過調用RESTAPI以HTTP協議方式向節點請求調用鏈碼，或者可以將RESTAPI封裝為基於去中心化的存儲的應用程序。
查詢對象
如圖所示，我們可以查詢對象分解為文件系統的數據庫兩層架構。文件系統記錄以區塊的鏈式結構記錄數據的存儲信息，每個區塊包含記錄當前區塊信息的區塊頭和元數據，以及若干事務組成的區塊體。為了加速查詢或實現特定查詢功能，Fabric將區塊信息分類提取存儲在KV數據庫中。目前，Fabric支持LevelDB [3]和CouchDB [4]兩種數據庫。
- 狀態數據庫：維護最新的KV狀態，這些狀態會根據最新的區塊事物進行修改。狀態數據庫支持基於鍵的查詢，組合鍵值對查詢和鍵范圍查詢。
- 鍵歷史索引：記錄鍵的值歷史變更狀態，用於溯源查詢。
- 塊索引：存儲塊對應的Hash值和塊在文件系統中的位置；存儲塊編號與其在文件系統中的位置；存儲事務ID與其在文件系統中的位置。通過以上三種方式實現對區塊和事務的快速定位。
特殊查詢機制
在實際運用中可能出現不同業務的交叉應用場景，對於傳統分布式系統而言，這代表單次查詢可能設計多個數據庫的交互。由於Fabric采用賬本的形式記錄數據，並且應用與賬本的交互通過鏈碼實現，跨數據庫查詢在Fabric中轉變為跨鏈碼查詢。為了更好的理解鏈碼間的交互查詢機制，我們需要先了解Fabric中鏈碼，組織，信道和節點的關系。下圖展示了查詢角度下，Fabric中各模塊的簡化交互方式。
模塊交互遵守以下規則：
- 鏈碼部署在節點上，且只有已部署鏈碼節點才能請求讀寫通道數據。
- 節點以組織的形式加入通道，一個節點只能加入一個組織，但一個組織可以同時加入多個通道。
- 每個通道中相同的鏈碼共同維護一份完整的的交易狀態視圖，不同鏈碼之間信息不共享，不同通道之間的鏈碼信息不共享。
基於上述規則，Fabric的跨鏈碼和跨通道通信需要由節點完成。在節點部署的用戶鏈碼中通過調用系統鏈碼實現跨鏈碼調用。在同一節點上，若部署了同通道內的鏈碼（如Peer3在Channel1的Chaincode1和Chaincode2），Fabric允許直接在用戶鏈碼中調用和修改目標鏈碼維護的視圖。若鏈碼處於不同通道中（如Peer3在Channel1的Chaincode1和在Channel2的Chaincode2），若當前節點所在組織同時加入了鏈碼所在通道，並且部署了需要跨通道交互的的鏈碼，Fabric雖然也提供跨鏈碼調用，但只能返回調用結果，不能對調用目標進行更改。
參考文獻
[1] Hyperledger Fabric [G/OL] https://hyperledger-fabric.readthedocs.io/en/latest/glossary.html
[2] 袁勇, 王飛躍. 區塊鏈技術發展現狀與展望.[J] 自動化學報 42.4 (2016): 481-494
[3] LevelDB [G/OL] https://github.com/google/leveldb
[4] CouchDB [G/OL] https://couchdb.apache.org/