区块链相关论文研读3- 关于超级账本Hyperledger Fabric的性能优化
这是2019年6月发表在顶会Sigmod上面的论文，论文题目为《Blurring the Lines between Blockchains and Database Systems: the Case of Hyperledger Fabric》，第一作者为Ankur Sharma。
本人这段时间要大量阅读顶刊顶会论文，在阅读论文的同时跟大家分享所提炼出来的论文内容，达到加深理解以及共同探讨研究和学习的目的。关注本人的知乎或者专栏可以获得最新的更新通知哦 =-=
论文的问题描述
- 总体上来讲，这篇论文是针对Hyperledger Fabric的吞吐量的优化。超级账本的客户端所发起的所有的交易中，无有效/无有意义的交易的所占的比例很大。很多种情况会使一个交易无效，比如恶意篡改，脏数据读取（如果正常提交的交易在这个过程中涉及的数据发生了变化)。下图所示，客户端发送空白交易成功的比例是100%，而非空白的交易中，很大一部分是无效的，最总能够写入账单中的交易只占其中的一部分(这里使用空白交易实验对比)。
上面是论文所解决问题的总体方向，但是，具体所要解决的问题是什么呢？先得了解Hyperledger交易的处理流程了。下面给以简单介绍：
在超级账本中，一个交易从被发起到最终写入账本中需要经历四个阶段，分别是模拟背书，排序，验证和提交。在模拟阶段，客户端产生交易，并发给多个peers节点，每一个peer节点进行模拟背书操作之后，都向客户端返回一个读写集合以及自己的签名，客户端把所收到的数据发给排序服务Ordering Service，进入排序阶段。排序服务不会读取交易中的内容，只是将所收到的交易数据按照接收顺序排序和打包，然后发给各个peer，进入验证阶段。各个peer节点验证各个交易数据是否有效。在目前版本的实现中，无效交易也会保留在区块中，可以通过区块记录的元数据确定哪些是无效交易。无效交易的读写集不会提交到状态数据库中，不会导致状态数据库发生变化，只是会占用区块的大小，占用记账节点的硬盘空间。后续的版本会实现账本的精简，过滤掉无效交易。
了解了超级账本的交易流程之后，我们发现一个问题，那就是交易的有效性是在第三阶段检查的。如果无效交易比较多，就会影响系统的吞吐量。就比如排了半天的队，快要轮到你的时候才跟你说要打烊了，是不是觉得很恼火，为什么不早点告诉我呢？如果我们在第一和第二阶段也进行针对无效交易的检查，也就是把部分检查提前，而不需要等到交易跑了大半个流程之后才将其标定为无效的，就可以在一定程度上提高系统的吞吐量了。那么，具体如何将无效交易的检查提前呢？这也就是这篇论文主要解决的具体问题了。
论文的贡献点
本片论文的贡献点主要有两个：（1）transaction reordering （2）early transaction abort. 也就是交易重排序和提前中断交易。
下面分别对这两个贡献点进行分析
贡献点一：交易重排序
问题描述：
一个交易包含读集和写集，都是以键值对的方式出现，读集表示需要读取的数据的键和值，比如交易T2的需要读取的数据为(k1,v1)和(k2,v1); 写集表示需要写入或者更新账本的集合，比如交易T2需要将键为k2的值从v1改为v2。
下表中，因为第一个交易T1已经把键为k1的值从v1改为v2，而交易T2，T3和T4读取的却是k1对应的老数据（脏数据）（从Read Set中看出），所以，这后面到来的三个交易都是无效的。这里使用 表示它们的顺序关系。
而如果交易产生的顺序为 ,就不会有这个读脏数据的问题。这时候，四个交易都是有效的。所以，交易的顺序很重要。
因此，首先需要分析同一个区块中的交易数据，找出相互冲突的交易，比如交易之间形成了环，然后进行有效性排序来避免冲突，减少无效交易。如下图，一个区块中的交易很可能存在这样读写冲突的情况。
怎么解决这些冲突呢？算法为：
（1）对这个区块中的所有交易建立一个冲突图。
（2）找到这个图中所有的环。
（3）标记每一个交易在这些环中出现的次数
（4）从出现次数最多的交易开始，增量地中断该交易，直到所有的环都解除了。
（5）构建合理的交易顺序。
下面结合具体的例子讲解上面的算法：
下面的两个表格分别是一个区块中所有交易的读集和写集。值为1表示对相应键为Ki的值进行了读或者写。
根据上面两个表格，我们做二进制与&的操作，很容易得到下面冲突图
- 利用算法Tarjan's algorithm可以将上面的冲突图分解成多个强连通图。强连通图是指其中的每一个节点都可以到达其它节点的图。
- 使用Johnsons算法从强连通图中得到所有的环。分别为：
- 对上面这三个环，我们可以建立下面这个表格，用于标记每一个交易出现的总次数
从出现次数最大的交易开始，将该交易从区块中移除，将包含该交易的所有环从上面表格中移除，同时对于出现在该环上面的交易，相应的减少它们的出现次数。重复上面过程直到上面表格为空。上面T0和T3的次数都是2，这里选择交易下标编号较小的一个，首先选择T0。将第一个和第二个环从表格中移除，移除交易T0，相应的，T3的次数也相应减少为0。现在上面表格只剩下环c3，将环3移除，移除交易T2。此时表格中没有环了，算法结束。
- 我们得到下面没有环的图。接下来就是构建交易顺序了。合理的交易顺序应该是无读写冲突的，为 。T0和T2被当作无效的交易已经被移除出区块了。
这就是交易重排序的算法了。
在Hyperledger Fabric的重排序阶段，接收多少个交易之后才能打包成一个区块呢？在Fabric中，如果满足下面三个条件之一，就将所接收到的所有交易进行打包。
- 达到一定数量的交易。
- 达到了一定的数据大小。
- 从接收到这些交易的第一个交易开始，已经过去了一定的时间。
结合上面的算法，为了避免上面表格Table3中的不同key的数量太多，影响算法性能，论文提出增加一个打包条件：
- 所接收到的所有交易中的不同key集合达到一定的数量。
论文贡献点2：提前中断交易
在传统数据库系统中，当要修改一个数据的时候，可以通过加同步锁的方式，这样其它客户端就不会读取到脏数据了。而在Hyperledger Fabric中，可以通过版本号来实现同步，避免使用同步锁。一个版本号包含一个进行更新操作的交易ID和区块的Id。如果一个操作要把一个数据更新，它需要更新该数据的版本号。另一个操作读取该数据，在模拟阶段会检查该数据是不是被更新过，如果被更新过，就能够知道该交易是无效的。
论文举了一个例子，如上图所示，看上面两条线，它们分别表示并行的两个阶段，模拟阶段和验证阶段。一开始的时候，最新的block id是last-block-id = 4，表示最新被验证通过的区块。第一个在模拟阶段的读操作读取balA=70成功。接下来在验证阶段将balA修改为50，同时将balB修改为100。如果这时候在模拟阶段要读取balB的值，那么对应的交易将是无效的，因为此时last-block-id是4，而更新block-id为5， 4 < 5。意思是在区块id为5的区块中的交易将这个值修改了，但是该区块还没验证通过。当该区块验证通过，那么last block id将变为5.
总结：本论文通过交易重排序和提前中断交易两种方式来提高Hyperledger Fabric的吞吐量。论文给出了详细且准确算法描述。18页的论文通篇读下来，感觉自己又长见识了！
谢谢！
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