PBFT网络优化

FISCO BCOS v2.2.0优化了PBFT消息转发机制和Prepare包的结构，尽量减少网络中冗余的数据包，提升网络效率。

PBFT消息转发优化

为了保证节点断连情况下共识消息包能到达所有节点，FISCO BCOS PBFT共识模块采用了消息转发机制，优化前的消息转发机制如下：

sequenceDiagram participant consensusNodeA participant consensusNodeB consensusNodeA->>consensusNodeB: 发送PBFT消息msg{id, ttl} consensusNodeB->>consensusNodeB: 缓存{id, consensusNodeB nodeID}到广播过滤列表filter consensusNodeB->>consensusNodeB: 转发pbft msg{id, ttl-1} Note right of ConsensusNodeB: ttl > 1, 向未缓存于filter
节点转发PBFT消息
msg{id, ttl-1}

对于全连四节点区块链系统，系统TTL设置为2时，每个共识消息包均会被转发三次，且节点规模越大、TTL值越大冗余的共识消息包越多。且Leader广播的Prepare包内含有整个区块，多次转发同样的Prepare包会带来巨大的网络开销。

../../../_images/pbft_forward_demo.png

为了在网络全连的情况下，避免冗余的共识消息包；在网络断连情况下，共识消息包能尽量到达每个共识节点，FISCO BCOS v2.2.0对PBFT消息转发机制进行了优化，优化后的PBFT消息转发流程如下：

sequenceDiagram participant ConsensusNodeA participant ConsensusNodeB participant Neighbors Of ConsensusNodeB ConsensusNodeA->>ConsensusNodeA: 获取断连共识节点列表forwardNodes ConsensusNodeA->>ConsensusNodeB: 发送PBFT消息msg{id, ttl, forwardNodes} ConsensusNodeB->>ConsensusNodeB: 更新forwardNodes Note right of ConsensusNodeB: forwardNodes不为空，
将forwardNodes中
非邻居节点过滤出来，
记为forwardNodes2
若forwardNodes为空，
不转发PBFT消息 ConsensusNodeB->>Neighbors Of ConsensusNodeB: 转发msg{id, ttl, forwardNodes2}

下图展示了四节点区块链系统在节点断连情况下，PBFT消息包转发流程：

../../../_images/pbft_optimized_forward.png

  • node0向{node1, node2, node3}发送PBFT消息，发现{node1, node3}不在连接列表内，则将PBFT消息msg的forwardNodes字段设置为{node1, node3}，并将其转发给node2；
  • node2收到node1的PBFT消息后，判断forwardNodes字段不为空，则遍历邻居节点列表{node1, node3}，并将邻居节点从forwardNodes中移除；
  • node2向node1和node3转发更新后的PBFT消息msg；
  • node1和node3收到msg后，判断forwardNodes字段为空，认为该消息已经到达了所有节点，不继续转发PBFT消息。

优化后的PBFT消息转发策略，源节点在PBFT消息包中加入了forwardNodes字段记录断连节点信息，其他节点收到PBFT消息包后，将消息转发给forwardNodes记录的可达节点，保障PBFT消息包尽量能到达所有节点的同时，减少了网络中冗余的PBFT消息，提升网络效率。

Prepare包结构优化

PBFT共识算法中，Leader向所有节点广播Prepare包，Prepare包内包含Leader节点从交易池打包的整个区块，由于同步模块会将交易同步到所有共识节点，因此Prepare包内区块的交易有很大概率在其他共识节点的交易池命中。基于这点，FISCO BCOS 2.2.0优化了Prepare包结构，Prepare消息包内的区块仅包含交易哈希，其他节点收到Prepare包后，优先从本地交易池内获取命中交易，缺失的交易向Leader请求。

优化后的Prepare消息包内的区块结构如下：

../../../_images/partial_block.png

Prepare包处理流程如下：

sequenceDiagram participant Leader participant ConsensusNodes Leader->>ConsensusNodes: 广播Prepare包 ConsensusNodes->>ConsensusNodes: 从交易池获取命中交易 Note right of ConsensusNodes: 解码Prepare包，
获取交易哈希列表
从本地交易池
获取命中交易 ConsensusNodes->>Leader: 请求缺失交易 Note right of ConsensusNodes: 若有交易缺失
向Leader节点发送交
易请求txs_request
包括{block_hash, txs_hash_list} Leader->>ConsensusNodes: 回复交易 Note left of Leader: 缓存的Prepare包哈希
与txs_request的
block_hash一致
返回请求的交易列表，
记为txs_response ConsensusNodes->>ConsensusNodes: 填充Prepare包内区块 Note right of ConsensusNodes: 解码txs_response
将其填充到Prepare包
内的区块中

优化Prepare结构后，充分利用了交易池缓存的交易，进一步降低了Prepare消息包的大小，节省了网络流量。