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Hyperledger Fabric 性能篇

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本文主要从减少网络带宽消耗和降低链码背书延迟这两个方面，介绍如何通过优化链码及SDK应用来提高Fabric区块链应用的吞吐量。

设计高性能的BaaS应用程序

这里首先为大家介绍Fabric中交易的基本概念，再从链码设计、SDK应用使用两个方面解析提升性能的关键点。

交易的一生

  1. SDK 生成 Proposal，其中包含调用链码的相关参数等信息

  2. SDK 将 Proposal 发送到多个不同的 peer 节点

    1. peer 根据 Proposal 的信息，调用用户上传的链码

    2. 链码处理请求，将请求转换为对账本的读集合和写集合

    3. peer 对读集合和写集合进行签名，并将 ProposalResponse 返回给 SDK

  3. SDK 收到多个 peer 节点的 ProposalResponse，并将读集合与写集合和不同节点的签名拼接在一起，组成 Envelope

  4. SDK 将 Envelope 发送给 orderer 节点，并监听 peer 节点的块事件

  5. orderer 节点收到足够的 Envelope 后，生成新的区块，并将区块广播给所有 peer 节点

  6. 各个 peer 节点对收到区块进行验证，并向 SDK 发送新收到的区块和验证结果

  7. SDK 根据事件中的验证结果，判断交易是否成功上链

链码优化

链码侧优化的目标主要是降低链码处理交易的时间，同时尽可能让链码在同一时间内能并发地处理更多的交易

避免 key 冲突

在 Fabric 区块链账本中，数据是以 KV 的形式存储的，链码可以通过 GetState、PutState 等方法对账本数据进行操作。每一个 Key 都有一个版本号，如果有两笔不同的交易对同一个版本的 Key 做不同的修改，其中一笔交易会因为 Key 冲突而失败。在 orderer 产生区块后，交易的顺序也确定了，由于此时第一笔交易已经让 Key 的版本发生了改变，当第二笔交易再次对 Key 进行修改时，就会失败了。

与其它区块链不同，Fabric 中的区块会包含非法的交易，如果业务产生了大量因为 Key 冲突而失败的交易，这些交易也会被记入各个节点的账本，占用节点的存储空间。同时由于冲突的原因，并行的交易很多会失败，不但会导致 SDK 的成功 TPS 大幅下降，失败的交易还会占用网络的吞吐量。

在进行链码设计时，可以通过链码的逻辑设计，减少不同交易对同一个 Key 进行写入的频率。例如，在链码调用阶段，对同一个Key进行写入的多笔不同交易，应避免间隔过短，即避免对Key进行频繁写入。建议在对该Key的上一笔写入交易成功（即 commit 到账本）后再发起下一笔写入交易。

减少 stub 读取和写入账本的次数

Fabric 中的链码与 peer 节点之间的通信与 SDK 和区块链节点的通信类似，也是通过 GRPC 来进行的。当在链码中调用查询、写入账本的接口时（例如 GetState、PutState 等），链码发送 GRPC 请求给 peer 节点，等待 peer 返回结果后再返回到链码的逻辑中。当链码在一次 Query/Invoke 中调用了多次账本的查询或写入接口时，会产生一定的网络通信成本和延迟，这对网络的整体吞吐率会有一定的影响，详细的原因在（减少链码运算量）中介绍。

我们在设计应用时，应尽量减少一次 Query/Invoke 中的查询和写入账本的次数。在一些对吞吐有很高要求的特殊场景下，可以在业务层对多个 Key 及对应的 Value 进行合并，将多次读写操作变成一次操作。

减少链码的运算量

当链码被调用时，会在 peer 的账本上挂一把读锁，保证链码在处理该笔交易时，账本的状态不发生改变，当新的区块产生时，peer 将账本完全锁住，直到完成账本状态的更新操作。如果我们的链码在处理交易时花费了大量时间，会让 peer 验证区块等待更长的时间，从而降低整体的吞吐量。

在编写链码时，链码中最好只包含简单的逻辑、校验等必要的运算，将不太重要的逻辑放到链码外进行。

SDK 优化

Java SDK

这里基于 fabric-sdk-java-1.4.0 版本来讨论，java sdk 相对比较灵活，同时也比较容易踩到坑，导致应用的性能极差。

1.复用 channel 及 client 对象

SDK 在初始化 channel 对象阶段会有一定的资源及时间消耗，同时每一个 channel 对象都会建立自己的事件监听连接，向 peer 获取最新的区块及验证结果，从而消耗较多的网络带宽。应用程序在针对一个业务通道进行操作的时候，如果创建过多 channel 对象，可能会影响业务的响应时间，甚至会由于 TCP 连接数过多而引发业务阻塞。

在应用程序中，如果针对一个业务通道频繁发送交易，则创建该通道的第一个 channel 对象后应尽量复用。如果 channel 对象长时间闲置，可以使用channel.shutdown(true)释放资源。

通过 HFCAClient 产生本地用户时，其中包含了用户私钥的生成和Enroll操作，也有一定的时间消耗。应用程序不需要每次都产生新的 Enrollment 对象，可进行复用。

示例代码：

public class HttpHandler {
    private HFClient client = null;
    private Channel channel = null;

    HttpHandler(FabricUser user) {
        client = HFClient.createNewInstance();
        client.setCryptoSuite(CryptoSuite.Factory.getCryptoSuite());
        client.setUserContext(user);
        NetworkConfig networkConfig = NetworkConfig.fromYamlFile("connection-profile.yaml");
        channel = client.loadChannelFromConfig("mychannel", networkConfig);
        channel.initialize();
    }
}

2.只将交易发送给必要的节点背书

阿里云BaaS（Fabric）中，每个组织都会有2个 peer 背书节点，如果一个业务通道内有 N 个组织，在使用 SDK 提交 Proposal 的时候，会默认发送给所有的 peer 背书节点（2*N个）。这时每个 peer 节点都要处理一遍P roposal，影响整体的吞吐量。而且当个别peer处理缓慢时，会拖慢交易的响应时间。

如果用户不需要在应用端对各个 peer 返回的读写集做一致性验证，可根据链码的背书策略选择性地提交 Proposal 到必要的 peer 节点，这样可节约 peer 的计算资源，提高性能。例如：

  • 如果链码背书策略为 OR ('org1MSP.peer' , 'org2MSP.peer' , 'org3MSP.peer')，则应用可选择6个 peer 节点中的任意一个，提交 proposal 获取背书返回即可；

  • 如果链码背书策略为 OutOf(2 , 'org1MSP.peer' , 'org2MSP.peer' , 'org3MSP.peer')，则应用可选择6个 peer 节点中的任意2个，且来自不同组织，提交 proposal 获取背书返回即可。

示例代码：

 //背书策略为 OR ('org1MSP.peer' , 'org2MSP.peer' , 'org3MSP.peer')
 //只需要发送到一个背书节点
  Collection<Peer> peers = channel.getPeers(EnumSet.of(Peer.PeerRole.ENDORSING_PEER));
  int size = peers.size();
  int index = random.nextInt(size);
  Peer[] endorsingPeers = new Peer[size];
  peers.toArray(endorsingPeers);
  Set partialPeers = new HashSet();
  partialPeers.add(endorsingPeers[index]);

  try {
      transactionPropResp = channel.sendTransactionProposal(transactionProposalRequest, partialPeers);
  } catch (ProposalException e) {
      System.out.printf("invokeTransactionSync fail,ProposalException:{}", e.getLocalizedMessage());
      e.printStackTrace();
  } catch (InvalidArgumentException e) {
      System.out.printf("InvalidArgumentException fail:{}", e.getLocalizedMessage());
      e.printStackTrace();
  }

也可以使用 Fabric 提供的 discovery 功能，自动选择必要的 peer 节点发送 Proposal。

使用 discovery 功能示例代码：

Channel.DiscoveryOptions discoveryOptions = Channel.DiscoveryOptions.createDiscoveryOptions();
discoveryOptions.setEndorsementSelector(ServiceDiscovery.EndorsementSelector.ENDORSEMENT_SELECTION_RANDOM); // 随机选择一个满足背书策略的组合发送请求
discoveryOptions.setForceDiscovery(false); // 使用 discovery 的缓存，默认2分钟刷新一次
discoveryOptions.setInspectResults(true); // 关闭 SDK 的背书策略检查，由我们的逻辑进行判断
Collection<ProposalResponse> transactionPropResp = channel.sendTransactionProposalToEndorsers(transactionProposalRequest, discoveryOptions);

3.异步等待必要的节点事件

应用端将 peer 返回的 proposal 读写集发送到 oderer 后，fabric 会进行一系列的排序-出块-验证-落盘等操作，根据通道的出块配置，最终交易落盘会有一定的延迟。

Java SDK 中默认会等待所有 eventSource 为 true 的节点事件，当所有节点验证均通过时，才会返回成功。这在一些业务场景下是可以优化的，一般选择自己所在组织的任意一个 peer 节点接受事件可以满足绝大多数场景下的需求。

  • Java SDK 的 channel.sendTransaction 方法返回 CompletableFuture<TransactionEvent>，应用可使用多线程操作，当一个线程 sendTransaction 到 orderer 后则继续处理其他交易，另一个线程监听到 TransactionEvent 后进行相应的业务处理。

  • Java SDK 还提供了 NOfEvents 类，来控制 events 的接收策略，以判断发送到 orderer 的交易是否最终成功。建议将 NOfEvents 设为1，也就是只要任意一个节点返回 event 即可。应用不需要等待每一个peer都发出 TransactionEvent 才算交易成功。

  • 如果应用不需要处理 transaction event，可通过 Channel.NOfEvents.createNoEvents() 创建 nofNoEvents 这种特殊的 NOfEvents 对象。将这个对象配置进 TransactionOptions 后，Orderer接收到应用发送的交易后会立即返回 CompletableFuture<TransactionEvent>，但 TransactionEvent 会被置为null。

我们可以通过使用 NOfEvents 来配置当收到任意一个节点验证通过的事件时，即返回成功：

Channel.TransactionOptions opts = new Channel.TransactionOptions();
Channel.NOfEvents nOfEvents = Channel.NOfEvents.createNofEvents();
Collection<EventHub> eventHubs = channel.getEventHubs();
if (!eventHubs.isEmpty()) {
    nOfEvents.addEventHubs(eventHubs);
}
nOfEvents.addPeers(channel.getPeers(EnumSet.of(Peer.PeerRole.EVENT_SOURCE)));
nOfEvents.setN(1);
opts.nOfEvents(nOfEvents);
channel.sendTransaction(successful, opts).thenApply(transactionEvent -> {
    logger.info("Orderer response: txid" + transactionEvent.getTransactionID());
    logger.info("Orderer response: block number: " + transactionEvent.getBlockEvent().getBlockNumber());
    return null;
}).exceptionally(e -> {
    logger.error("Orderer exception happened: ", e);
    return null;
}).get(60, TimeUnit.SECONDS);

除了使用 NOfEvents来配置交易成功的验证方式，也可以在配置文件 connection-profile.yaml 中指定接收哪些 peer 节点的 eventSource，下述示例中，只接收 peer1 节点的 eventSource 事件。

channels:
  mychannel:
    peers:
      peer1.org1.aliyunbaas.top:31111:
        chaincodeQuery: true
        endorsingPeer: true
        eventSource: true
        ledgerQuery: true
        discover: true
      peer2.org2.aliyunbaas.top:31111:
        chaincodeQuery: true
        endorsingPeer: true
        ledgerQuery: true
        discover: true
    orderers:
      - orderer1
      - orderer2
      - orderer3

Go SDK

这里基于 Go SDK v1.0.0-alpha5 版本来讨论。Go SDK 相对来说对用户比较友好，默认内部实现了必要的 cache 以及负载均衡逻辑，能够帮助用户自动到必要的背书节点上收集签名，在交易合法性判断上，也会根据策略随机选择一个 peer 节点来监听事件。

1.全局复用SDK实例

在 Go SDK 的实现中，所有的 cache 都是基于对象 fabsdk.FabricSDK 的，不同的对象中会单独维护各自的 cache 和链接。我们在使用 Go SDK 时，应该避免创建过多的 fabsdk.FabricSDK 对象，与 java sdk 类似，对象在初始化时会向 peer 节点发送多个请求，消耗一些资源和较多时间。

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