Einrichten eines Multi-Cluster-Hyperledger-Fabric-Netzwerks: Eine umfassende Anleitung

Die Blockchain-Technologie hat in vielen Branchen für einen Wandel gesorgt, indem sie dezentrale und unveränderliche Aufzeichnungsmöglichkeiten bietet, die langjährige Probleme im Bereich der Datenintegrität und des Vertrauens lösen.

Unter den vielen verfügbaren Blockchain-Frameworks hat sich Hyperledger Fabric als eine der besten genehmigungspflichtigen Blockchain-Implementierungen herausgestellt, die vor allem wegen ihrer Modularität, Flexibilität und Unternehmensreife geschätzt wird.

Dieser ausführliche Leitfaden erklärt den komplexen Prozess der Einrichtung eines Hyperledger Fabric Multi-Cluster-Setups und baut ein Multi-Cluster- und Multi-Organisations-Hyperledger Fabric-Netzwerk auf.

Durch die Verteilung der Netzwerkkomponenten auf verschiedene Cluster und Organisationen werden eine bessere Fehlertoleranz, Skalierbarkeit und organisatorische Autonomie erreicht.

Jeder Schritt wurde sorgfältig beschrieben, um sowohl technische Details als auch praktische Einblicke für die Umsetzung zu geben.

Bevor du mit der Implementierung loslegst, solltest du unbedingt die architektonischen Grundlagen verstehen, die in diesem Hyperledger Fabric Architecture Guide erklärt werden.

Das Multi-Cluster-Design ist ein ausgeklügeltes Design für die Bereitstellung von Blockchain-Netzwerken, das Zusammenarbeit mit organisatorischer Unabhängigkeit verbindet.

In diesem Architekturmodell haben wir es mit zwei verschiedenen Organisationen zu tun, von denen jede ihre eigene Zertifizierungsstelle hat, die für die Verwaltung kryptografischer Identitäten und die Gewährleistung einer sicheren Authentifizierung zuständig ist.

Diese Organisationen arbeiten unabhängig voneinander, ihre Ressourcen laufen in verschiedenen Kubernetes-Hyperledger-Fabric-Clustern.

Diese Trennung hat wichtige Vorteile wie Fehlertoleranz, Isolierung von Ressourcen und die Tatsache, dass jede Organisation die Kontrolle über ihre Infrastruktur behalten kann.

Der Cluster ist so eingerichtet, dass jede Organisation ihre eigene Gruppe von Peers und Zertifizierungsstellen in ihren eigenen dedizierten Umgebungen hostet.

Diese Designentscheidung stellt sicher, dass es keine Ressourcenkonflikte gibt, und ermöglicht es Unternehmen, ihre Infrastruktur entsprechend ihren spezifischen Anforderungen zu skalieren, ohne andere Netzwerkteilnehmer zu beeinträchtigen.

Der Orderer-Dienst, der als Konsensmechanismus für das Netzwerk fungiert, ist strategisch auf verschiedene Organisationen verteilt.

Durch die Aufteilung der beiden Orderer in separate Cluster verfügt die Architektur über Redundanz und hohe Verfügbarkeit.

Sollte ein Besteller Probleme haben, läuft das Netzwerk über den anderen Besteller weiter, sodass es nie ausfällt.

Die Implementierung nutzt sorgfältig ausgewählte Tools, die die Bereitstellung komplexer Systeme vereinfachen und robuste Verwaltungsfunktionen bieten.

EKS macht es einfach, Kubernetes-Cluster auf der Amazon Web Services-Infrastruktur einzurichten, zu verwalten und zu skalieren, und bietet eine zuverlässige und bewährte Plattform für das Hosting von Fabric-Netzwerkkomponenten.

Da EKS verwaltet wird, reduziert es den Aufwand für den Betrieb des Systems und bietet gleichzeitig Zuverlässigkeit auf Unternehmensniveau.

Hlf-Operator ist ein spezieller Kubernetes-Operator, der extra für die Verwaltung der Bereitstellung von Hyperledger-Fabric-Netzwerken und den laufenden Betrieb von Hyperledger-Fabric-Netzwerken entwickelt wurde.

Dieser Operator abstrahiert viele der komplexen Bereitstellungs- und Verwaltungsaufgaben, die mit Fabric-Netzwerken verbunden sind, und bietet eine Reihe von deklarativen Konfigurationsoptionen, die die Netzwerkadministration erheblich vereinfachen und das Potenzial für Konfigurationsfehler reduzieren.

Nachdem die Architektur und die Tools klar sind, folgt der Implementierungsprozess einer strukturierten Abfolge von Schritten, die aufeinander aufbauen, um ein voll funktionsfähiges Netzwerk zu schaffen.

Schritt 1: EKS-Cluster einrichten

In der ersten Phase der Implementierung werden die Kubernetes-Cluster erstellt, in denen die Komponenten des Fabric-Netzwerks untergebracht werden.

Dieser grundlegende Schritt erfordert eine sorgfältige Planung, um sicherzustellen, dass die Cluster für Blockchain-Workloads richtig konfiguriert sind.

Die Clusterkonfiguration beginnt mit der Definition von Parametern, die das Verhalten und die Kapazität des Clusters bestimmen.

Zu diesen Parametern gehören:

• •Instanztypen, die basierend auf den erwarteten Eigenschaften der Arbeitslast ausgewählt werden
• •Anzahl der Instanzen, die für die zu erwartenden Transaktionsvolumina nötig sind
• •Verfügbarkeitszonen, die ausgewählt werden, um die Ausfallsicherheit zu maximieren und die Latenz zu minimieren.

Mit eksctl, einem speziellen Befehlszeilentool, das für die EKS-Clusterverwaltung entwickelt wurde, werden die Cluster gemäß den definierten Spezifikationen erstellt.

Dieses Tool macht viele der komplizierten Aufgaben beim Cluster-Provisioning automatisch und sorgt dafür, dass die besten Vorgehensweisen eingehalten werden.

Nach dem Erstellen der Cluster werden kubeconfig-Dateien generiert, um einen sicheren Zugriff auf die neu erstellten Cluster zu ermöglichen.

Diese Konfigurationsdateien enthalten die erforderlichen Authentifizierungsdaten und Verbindungsinformationen, die für die nächsten Bereitstellungsschritte benötigt werden.

Schritt 2: Hlf-Operator und Istio installieren

Nachdem die Cluster eingerichtet sind, geht's weiter mit der Installation der Management-Tools, die für die Bereitstellung der Fabric-Komponenten und die Kommunikation zwischen den Diensten gebraucht werden.

Die Installation von Hlf-Operator beginnt mit dem Hinzufügen des Helm-Repositorys, das die Operator-Charts enthält.

Sobald das Repository verfügbar ist, wird der Operator auf beiden Clustern installiert und stellt die benutzerdefinierten Ressourcendefinitionen und Controller bereit, die für die Verwaltung der Fabric-Komponenten erforderlich sind.

Als Nächstes kommt die Installation von Istio, das den Clustern die Funktionen eines Service-Mesh zur Verfügung stellt.

Istio bietet einige erweiterte Funktionen für das Traffic-Management, den Lastausgleich und die Beobachtbarkeit, die in verteilten Blockchain-Netzwerken sehr nützlich sind, wo eine zuverlässige Kommunikation zwischen den Komponenten super wichtig ist.

Die Konfiguration des Domain Name Systems legt die Namensstruktur fest, die eine einfache Kommunikation zwischen Netzwerkkomponenten ermöglicht, die über verschiedene Cluster verteilt sind.

Für die DNS-Einrichtung musst du eine gehostete Zone in AWS Route 53 erstellen, damit die Domain mit dem Fabric-Netzwerk verbunden werden kann.

Innerhalb dieser gehosteten Zone werden für jede Servicekomponente einzelne Datensätze eingerichtet, die die lesbaren Domainnamen dem Cluster-Endpunkt zuordnen.

Für jeden Peer, jede Zertifizierungsstelle und jeden Besteller wird ein CNAME-Eintrag festgelegt, der auf die entsprechende externe URL des Clusters verweist.

Mit dieser Konfiguration können die Komponenten in einem Cluster Komponenten in anderen Clustern über einheitliche und vorhersehbare Domänennamen finden und mit ihnen kommunizieren.

Struktur der DNS-Einträge:

• •Für die erste Organisation werden Datensätze für die Zertifizierungsstelle und Peers erstellt.
• •Die zweite Organisation muss über eigene Datensätze verfügen.
• •Die bestellende Organisation braucht Datensätze für ihre Zertifizierungsstelle und mehrere Besteller, die auf ihre jeweiligen Cluster-Endpunkte zeigen.

Sobald die Infrastruktur und das Netzwerk eingerichtet sind, fängt die Bereitstellung der eigentlichen Fabric-Komponenten mit den Zertifizierungsstellen und Peers für jede Organisation an.

Zertifizierungsstellen sind die Vertrauensanker für ihre jeweiligen Organisationen und stellen die kryptografischen Identitäten aus, die die Teilnehmer zur Authentifizierung und Autorisierung von Aktionen innerhalb des Netzwerks verwenden.

Jede Organisation setzt ihre CA nach Vorgaben um, die Anmeldedaten, TLS-Konfiguration und andere Sicherheitsparameter beinhalten.

Peers sind die Knotenpunkte der Transaktionsverarbeitung innerhalb jeder Organisation.

Diese Teile speichern Kopien des Ledgers, führen den Chaincode aus und bestätigen Transaktionen gemäß den Bestätigungsrichtlinien des Netzwerks.

Peer-Bereitstellung – Für die Bereitstellung einer CA werden Speicheranforderungen, Ressourcenzuweisungen und Verbindungseinstellungen festgelegt.

Für die erste Organisation:

• •Zuerst wird die CA eingesetzt, dann die Peer-Knoten.
• •Konfigurationsdateien legen die spezifischen Parameter für jede der Komponenten fest, wie z. B. Bootstrap-Identitäten, Speicherklassen und Diensttypen.
• •Nachdem du diese Einstellungen gemacht hast, werden die Komponenten überwacht, bis sie einsatzbereit sind.

Die zweite Organisation hat ein ähnliches Bereitstellungsmuster, wobei ihre CA und ihre Peers entsprechend den organisationsspezifischen Anforderungen konfiguriert sind.

Obwohl der allgemeine Prozess dem der ersten Organisation ähnelt, unterscheiden sich einige Konfigurationswerte, um die separaten Cluster- und Domänenkonfigurationen darzustellen.

Die bestellende Organisation hat eine besondere Rolle im Netzwerk, weil sie den Konsensmechanismus bereitstellt, der verwendet wird, um Transaktionen zu sequenzieren und Blöcke zu erstellen, die an Peers verteilt werden.

Die Erstellung der Orderer-CA erstellt die Zertifizierungsstelle, die für die Ausstellung von Identitäten an Orderer-Knoten zuständig ist.

Diese CA ist von den Organisations-CAs getrennt und sorgt für eine bessere Trennung zwischen Bestelldienst und Transaktionsbestätigung.

Der erste Befehl wird mit der folgenden Konfiguration ausgeführt:

• •Die Verbindung zum Auftraggeber CA
• •Speicheranforderungen
• •Genesis-Block-Einstellungen

Dieser Besteller ist der erste Anker für den Bestelldienst.

Die Bereitstellung des zweiten Orderers macht die Sache etwas komplizierter, weil dieser Orderer in einem separaten Cluster ist.

Es werden folgende spezifische Änderungen vorgenommen:

• •CA-Host-Referenzen müssen auf die Domain der bestellenden CA verweisen.
• •Der CA-Host wird zur Zertifikatssignierungsanforderung hinzugefügt.
• •CA-TLS-Zertifikate werden aus der Konfiguration des ersten Bestellers kopiert.

Diese Anpassungen werden gemacht, damit der zweite Besteller sich richtig bei der Bestelldienst-CA anmelden und mit ihr kommunizieren kann.

Nach den Konfigurationsanpassungen wird der zweite Orderer bereitgestellt und bis zur Betriebsbereitschaft überwacht.

Zu diesem Zeitpunkt hat das Netzwerk einen kompletten Satz der wichtigsten Infrastrukturkomponenten, wobei alle CAs, Peers und Orderer laufen und zugänglich sind.

Kanäle in Hyperledger Fabric bieten private Kommunikationswege zwischen bestimmten Netzwerkteilnehmern und ermöglichen so vertrauliche Transaktionsabläufe und selektiven Datenaustausch.

Die Erstellung des Kanals beginnt mit der Registrierung und Anmeldung der administrativen Identitäten für jede Organisation und die bestellende Organisation.

Diese Identitäten haben die erforderlichen Berechtigungen, um Kanalverwaltungsvorgänge durchzuführen.

Für die Registrierung brauchst du:

• •Verbindung zur entsprechenden Zertifizierungsstelle herstellen
• •Erstellen von Benutzerkonten mit Administratorrechten

Nach der Registrierung werden bei der Anmeldung die kryptografischen Materialien für jede Identität erstellt (Signaturzertifikate und private Schlüssel).

Wenn alle administrativen Identitäten fertig sind, werden sie in einem Kubernetes-Geheimnis zusammengefasst, auf das während des Kanalbetriebs zugegriffen wird.

Dieses Geheimnis enthält die kryptografischen Materialien, die für die Kanalverwaltung nötig sind.

Der Hauptkanal wird mit folgenden Spezifikationen initialisiert:

• •Teilnehmende Organisationen
• •Auftraggeber sind für den Kanal verantwortlich.
• •Richtlinien für den Betrieb und die Änderung von Kanälen

Dieser Initialisierungsprozess erstellt den Genesis-Block für den Kanal und legt die Konfiguration für den Kanal fest.

Kollegen aus beiden Organisationen können dem Kanal beitreten, indem sie auf die Hauptkanalkonfiguration verweisen und ihre Organisationsanmeldedaten eingeben.

Durch diesen Beitrittsprozess wird der Kanal für die Peers sichtbar und sie können Blöcke empfangen, die Kanaltransaktionen enthalten.

Für jede Organisation werden Follower-Kanäle erstellt, um die Verbindung zwischen Kollegen und dem Kanal herzustellen.

Diese Konfigurationen zeigen, welcher Peer welchem Kanal folgen soll, und machen die Einrichtung der Kettenmitgliedschaft fertig.

Chaincode, die [Smart Contract]-Implementierung in Hyperledger Fabric, ist die Geschäftslogik, die die Verarbeitung von Transaktionen und die Verwaltung des Status in der Blockchain beschreibt.

Der Lebenszyklus des Chaincodes beginnt mit der Verpackung des Chaincodes als einsatzfähiges Artefakt.

Bei dieser Implementierung wird Chaincode als Dienst bereitgestellt, der Folgendes braucht:

• •Erstelle ein Docker-Image mit dem Chaincode.
• •Mach Metadaten für die Verbindung, die beschreiben, wie sich die Peers mit dem Chaincode-Dienst verbinden sollen.

Für die erste Organisation:

• •Der gepackte Chaincode wird auf dem Peer installiert, sodass das Chaincode-Paket für die Bereitstellung verfügbar ist.
• •Es wird eine Verbindungskonfigurationsdatei vorbereitet, die die Adresse und die TLS-Verbindungsdetails für den Chaincode-Dienst enthält.
• •Der Chaincode wird dann als Kubernetes-Dienst im Cluster der Organisation bereitgestellt, sodass er für die Kollegen der Organisation zugänglich ist.

Nachdem die Chaincode-Definition bereitgestellt wurde, genehmigt die Organisation die Chaincode-Definition und zeigt damit an, dass diese Chaincode-Version auf dem Kanal einsatzbereit ist.

Nachdem alle Organisationen die Chaincode-Definition genehmigt haben, wird sie in den Kanal übernommen, wodurch sie aktiv und bereit für den Aufruf ist.

Dieser Commitment-Prozess erstellt den Chaincode-Container und macht ihn zur maßgeblichen Implementierung für den Kanal.

Die zweite Organisation macht einen ähnlichen Installationsprozess durch und installiert dasselbe Chaincode-Paket auf ihren Peers und setzt den Chaincode-Dienst in ihrem Cluster ein.

Nach der Installation und Bereitstellung kann der Chaincode im gesamten Netzwerk genutzt werden.

Nachdem alle Teile eingerichtet und konfiguriert sind, wird durch die Überprüfung sichergestellt, dass das Netzwerk wie geplant funktioniert und Transaktionen richtig verarbeiten kann.

Beim Transaktionstest werden Testtransaktionen gestartet, die die Chaincode-Logik überprüfen.

Diese Transaktionen sind:

• •An Kollegen weiterleiten, die die Ausführung der Transaktion simulieren und Bestätigungen für die Transaktion zurücksenden.
• •An den Bestelldienst geschickt, der sie in Blöcke sortiert und an alle Kanalmitglieder sendet.

Eine erfolgreiche Verarbeitung der Transaktionen stellt sicher, dass:

• •Die Peer-to-Peer-Kommunikation funktioniert einwandfrei.
• •Die Richtlinien zur Werbung werden ordnungsgemäß durchgesetzt.
• •Der Bestelldienst ordnet die Transaktionen richtig an.
• •Statusänderungen werden bei allen Peers richtig angezeigt.

Das Erstellen eines Hyperledger Fabric-Netzwerks mit mehreren Clustern und Organisationen erfordert sorgfältige Planung, genaue Konfiguration und die Koordination vieler Komponenten und Tools.

Der Prozess umfasst:

• •Aufbau einer isolierten, aber vernetzten Infrastruktur
• •Spezielle Blockchain-Elemente einbauen
• •Sichere Kommunikationskanäle einrichten
• •Überprüfe, ob alles richtig läuft, indem du die Transaktionen testest.

Dieser Ansatz für die Architektur hat folgende Vorteile:

• •Die Fehlertoleranz wurde verbessert, indem die Komponenten über das Netzwerk verteilt wurden.
• •Bessere Skalierbarkeit durch Trennung der Ressourcen der Organisation
• •Mehr Kontrolle über die Infrastruktur und den Betrieb
• •Mehr Flexibilität, um das Netzwerk an veränderte Anforderungen anzupassen

Die Blockchain-Infrastruktur, die dabei rauskommt, ist eine starke Basis, die für viele verschiedene Anwendungsfälle in verschiedenen Branchen genutzt werden kann, von der Verfolgung von Lieferketten über Finanzabrechnungen bis hin zur Verwaltung von Gesundheitsdaten.

Die Berechtigungsstruktur von Hyperledger Fabric in Verbindung mit der Multi-Cluster-Architektur bietet eine Plattform, die die Transparenz und Unveränderlichkeit der Blockchain mit den Anforderungen an Datenschutz und Kontrolle von Unternehmensanwendungen in Einklang bringt.

Es gibt mehrere Verbesserungen, die vorgenommen werden könnten, um den Bereitstellungsprozess weiter zu optimieren und die Fähigkeiten der Netzwerkarchitektur zu erweitern.

Automatisierung ist eine super Chance, um Sachen besser zu machen.

Die Entwicklung von Skripten und Infrastructure-as-Code-Vorlagen könnte für folgende Zwecke genutzt werden:

• •Mach den Einrichtungsprozess einfacher.
• •Mach so wenig manuelle Konfigurationsschritte wie möglich.
• •Mach menschliche Fehler so selten wie möglich.

Eine solche Automatisierung würde es ermöglichen, das Netzwerk wiederholbarer einzusetzen und es Organisationen mit unterschiedlichem Kenntnisstand in Bezug auf Blockchain zur Verfügung zu stellen.

Mehr Unterstützung für Multi-Cloud-Bereitstellungen würde das Netzwerk widerstandsfähiger und flexibler machen.

Wenn verschiedene Organisationen auf unterschiedlichen Cloud-Anbietern bereitgestellt werden, z. B. eine Organisation auf AWS, eine andere auf Google Cloud Platform und eine dritte auf Microsoft Azure, gibt es keine Abhängigkeiten zwischen einzelnen Clouds, aber die Organisation kann ihre bevorzugten Cloud-Umgebungen nutzen und trotzdem an einem einheitlichen Blockchain-Netzwerk teilnehmen.

Diese Verbesserungen würden auf der soliden Grundlage der aktuellen Implementierung aufbauen, die Funktionen des Netzwerks erweitern und es noch besser für den Einsatz in Produktionsumgebungen von Unternehmen machen.