区块链性能突破(四):共识与同步流程优化

阅读数:8270 2019 年 8 月 30 日 16:07

区块链性能突破(四):共识与同步流程优化

“性能”是区块链领域最受关注的话题之一,如果没有高性能表现作为支撑,就无法运行快速的、执行复杂的智能合约逻辑,从而快速完成交易事务。本系列文章将以 FISCO BCOS 开源社区对区块链性能提升的研究成果为例,阐述区块链性能优化之路。

共识与同步的流程优化,是 FISCO BCOS 性能优化迈开的第一步。仅依靠这一流程优化,就给系统 TPS 带来可观的 1.75 倍提升。但这不是目的,其目的在于确定了共识的主导地位,排除了同步给共识带来的性能影响,让之后的性能分析更好地聚焦在共识流程中。

基础讲解

在卓别林的电影《摩登时代》里,卓别林扮演一个工人,日复一日地重复着拧螺丝的动作:提起扳手,找到零件,对准螺丝,拧紧,再提起扳手,再找到下一个零件,再对准螺丝,再拧紧…

在 FISCO BCOS 的设计里,共识和同步也在干着这样重复的事情。

共识与同步是什么?

共识与同步,是 FISCO BCOS 节点中的两个核心流程。它们相互配合,实现了区块链的核心功能:生产出一条在每个节点上都一致的区块链。

在 FISCO BCOS 节点的实现里,共识和同步的实体,我们称为共识模块和同步模块。
共识模块:负责生产区块,让节点产生的区块都是一模一样的
同步模块:负责广播交易,让用户发出的交易尽可能地到达每个节点

共识与同步在干啥?

我们来看看共识模块和同步模块的工作环境:
交易池:节点中缓存未被处理交易的容器
网络模块:接收其它节点发来的消息包,也可向其它节点发送消息包

那么,共识模块与同步模块在干啥?

共识模块

不断进行共识消息的处理和发送,让所有节点上的区块达到一致,此处以 PBFT 的共识为例。

  • 打包区块:从交易池拿取出交易,打包成区块广播出去,或处理从网络模块拿到的其它节点的区块
  • 执行区块:解码区块,验证区块,执行区块,将区块的执行结果签个名广播出去
  • 收集签名:收集其它节点执行结果的签名,如果收集到的签名达到一定数量,就向其它节点广播“commit 消息”
  • 收集 commit:收集其它节点的 commit 消息,当收集到的 commit 消息达到一定数量,说明区块已经一致,可以落盘了
  • 落盘:把区块连接到现有区块链的末端,形成区块链,存储到 DB 中

区块链性能突破(四):共识与同步流程优化

同步模块

不断进行交易的收发,让每一笔交易尽可能地到达每个节点。

  • 取交易:从交易池中取出未发送的交易
  • 发交易:把未发送的交易广播给其它节点
  • 收交易:从网络模块收取其它节点的交易
  • 验交易:对交易进行解码和验签
  • 存交易:把验签通过的交易存到交易池中
    区块链性能突破(四):共识与同步流程优化

问题与优化

卓别林和他的伙伴各司其职,井然有序,看似非常和谐。可当工厂落后的生产力跟不上旺盛的市场需求,即便是卓别林这种熟练工,加班加点也干不完。这个时候,卓别林不得不开始思考自己和伙伴在生产关系上的问题。

在以往的设计中,共识模块和同步模块并没有优先级的区分,导致它们在争夺资源时浪费了大量的时间。同时,共识模块和同步模块中还有很多重复的操作,也浪费了时间。因此,应该将共识模块和同步模块的执行流程一并考虑,优化流程,提高效率。

在经过详细分析和缜密验证后,FISCO BCOS 将共识模块和同步模块流程进行了优化。优化基于以下思想:

共识模块负责主导整个区块链出块的节奏,应让共识模块先行。而同步模块,理应扮演好配合的角色,辅佐共识模块更快出块。

基于上述思想,我们来看看其中几个问题的优化方法。

问题 1:工作阻塞

共识模块与同步模块都是从网络模块中获取消息包,再根据相应消息包进行下一步操作。但是,由于网络回调线程数量的限制,同步模块在处理消息包时,占用了网络的回调线程,导致共识模块无法及时处理其它节点发来的共识消息,共识流程被阻塞。

区块链性能突破(四):共识与同步流程优化

如何解决?——将同步消息的处理操作从网络回调线程中剥离

基于共识模块先行的思想,应让共识模块更及时地收到共识消息,不能让同步模块占用网络回调线程太久。因此,同步模块在拿到消息时,不是直接在回调线程中对交易进行解码和验签,而是将同步消息包缓存起来,用另外一个线程“私下”慢慢处理。这样一来,同步消息的处理不会长时间占用网络回调线程,能让共识消息响应得更快。

区块链性能突破(四):共识与同步流程优化

问题 2:编解码冗余

同步模块收到同步消息中的交易,是经过编码的,同步模块需将其解码成节点代码中的数据结构,再存入交易池中。共识模块打包区块时,把交易从交易池中取出,将交易进行编码,打包成区块,再将区块发送出去。在这个过程中,交易先被解码,又被编码,操作存在冗余。

区块链性能突破(四):共识与同步流程优化

如何解决?——交易编码缓存

共识优先级高于同步,应尽量减少共识模块中不必要的操作。因此,在同步模块存交易时,一并将交易的编码存入交易池。共识模块取交易时,直接从交易池中拿出编码好的交易,免去了编码操作。

区块链性能突破(四):共识与同步流程优化

问题 3:重复验签

同步模块在收到交易后,需对交易的签名进行验证(简称“验签”),共识模块在收到区块后,也需要对区块中的交易进行验签。同步模块和共识模块所验签的交易,有很大概率是重复的。验签是一个非常耗时的操作,每进行一次额外的验签,都会消耗大量的时间。

区块链性能突破(四):共识与同步流程优化

如何解决?
——验签去重

无论是同步模块还是共识模块,在验签前,都去交易池里查询该笔交易是否存在。如果存在,就省略验签操作。如此一来,一笔交易只验签一次,减少了不必要的验签开销。

区块链性能突破(四):共识与同步流程优化

解决方案可否更优?
——尽量让同步验签,减少共识模块验签的次数

仍然是共识模块优先的思想,尽量减少共识模块验签的操作。因此,同步模块必须比共识模块跑得快,在共识模块处理一笔交易前,同步模块先拿到交易,优先对交易验签。

区块链性能突破(四):共识与同步流程优化

FISCO BCOS 在此处对同步模块采取的策略是:对交易进行全量的广播。

在一个打包节点拿到交易时,其它节点的同步模块也收到了相应的交易。在其它节点收到打包节点发过去的区块时,区块中所包含的交易早已被同步模块验签后写入交易池中。同时,为了让同步模块在相同操作的处理速度上不低于共识模块,同步模块的交易编解码,也采用了和共识模块一样的“并行编解码”和“交易编码缓存”。

结果如何?

共识与同步的流程优化,一定程度上也提高了交易处理的 TPS。经测试,交易处理的 TPS 提高至原来的 1.75 倍!更重要的是,通过流程优化,确定了共识的主导地位,排除了同步给共识带来的性能影响,让之后的性能分析更好地聚焦在共识流程中!

消除了阻塞,消除了编码冗余,消除了重复验签,卓别林和他的伙伴工作得更轻松,更顺畅了!

下篇文章,我们将集中阐述并行优化,让可并行的操作都并行起来!敬请期待《全方位的并行处理》。

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