1 微众银行PBFT共识算法原理和共识架构

1.1 共识系统架构

PBFT共识主要包括两个线程：

PBFTSealer: PBFT打包线程，负责从交易池取交易，并将打包好的区块封装成PBFT Prepare包，交给PBFTEngine处理；
PBFTEngine: PBFT共识线程，从PBFTSealer或者P2P网络接收PBFT共识消息包，完成共识流程，将达成共识的区块写入区块链，区块上链后，从交易池中删除已经上链的交易，区块验证器(Blockverifier)负责执行区块。

1.2 核心流程

PBFT共识主要包括Pre-prepare、Prepare和Commit三个阶段：

Pre-prepare：负责执行区块，产生签名包，并将签名包广播给所有共识节点；
Prepare：负责收集签名包，某节点收集满2*f+1的签名包后，表明自身达到可以提交区块的状态，开始广播Commit包；
Commit：负责收集Commit包，某节点收集满2*f+1的Commit包后，直接将本地缓存的最新区块提交到数据库。

1.3 PBFT各个阶段的具体流程

2 FISCO BCOS共识算法PBFT优化之路

原始的PBFT共识算法在区块打包、交易验签、区块执行、空块处理等方面仍有持续的优化空间，为了让PBFT算法更快更稳，FISCO BCOS做了一系列优化，包括：

打包和共识并发进行；
不重复验签交易；
空块快速触发视图切换，并切换Leader，不落盘空块，消除空块落盘存储开销的同时，有效防止了节点作恶；
引入DAG并行交易执行框架，可并行执行区块内交易；
解决了节点宕机后，无法快速追上其他节点视图的问题，保证了系统的可用性。

2.1 打包和共识并发进行

考虑到Leader轮流串行打包交易、交易验签速度慢以及区块执行速度慢，都是导致性能问题的主要因素，FISCO BCOS做了如下优化：
PBFT共识算法在每一轮共识，都包括打包阶段和共识阶段，Leader打包新区块时，所有共识节点都处于等待Prepae包的状态中，无法进入共识阶段；共识节点处于共识阶段时，Leader的打包线程不工作，但打包区块和共识是两个独立互斥的过程，可以并发执行。

设打包阶段的时间开销为t, 共识阶段时间开销为u，n轮共识的时间开销为n∗(t+u)；但若下一轮共识的Leader参与共识阶段的同时，也提前打包区块，并在下一轮共识时，广播已经打包好的区块，则可将共识时间开销缩短为n∗u+t，时间开销降低了(n-1)*t，可以有效提升PBFT共识算法性能。

2.2 不重复验签交易

共识节点收到Leader发送的Prepare包后，会从中取出区块，并验证区块内每笔交易签名的有效性，但交易验签是很耗时的操作，会增加PBFT Prepare阶段的时间开销，降低性能。

考虑到交易插入到交易池的时候，会进行一次验签，如下图所示，FISCO BCOS系统做了防止交易重复验签的优化，下面结合整个交易流的处理流程，详细说明FISCO BCOS防止交易重复验签的处理流程：

（1）RPC接收客户端发送的交易后，进行交易验签；

（2）交易验证通过后，被插入到交易池，同步模块广播交易；

（3）其他节点的同步模块收到其他节点的交易后，并进行验签交易，并将有效交易插入到交易池；

（4）共识模块收到Prepare包后，解出Prepare包内区块，判断区块内交易是否在交易池内，仅验证不包含在交易池内的交易签名。

经过上述优化后，将Prepare请求内包含10000笔交易的区块解码和验签时间，由2s降低为200ms，大大减少了Prepare阶段的时间开销。

2.3 FISCO BCOS的PBFT空块处理

FISCO BCOS PBFT共识算法，通过空块触发快速视图切换的方法，达到切换Leader目的，同时不落盘空块。

2.4 DAG并行交易执行

区块执行是PBFT共识算法的主要时间开销之一，没有做任何并行优化的情况下，PBFT共识算法几乎无法就一个包含上万笔交易的区块达成共识。

为了提升区块链系统TPS，FISCO BCOS系统开发了基于DAG的交易并行执行引擎，并引入了可并行的合约开发框架，支持并行执行交易，达到了上万的TPS。具体可参考这里：《区块链性能腾飞：基于DAG的并行交易执行引擎》。

2.5 提高系统可用性

刚启动的节点或者新节点加入区块链网络时，若不能立即和其他节点视图达成一致，会影响系统容错性。

case1：4节点区块链系统，node0宕机，剩余三个节点容错节点数为0；node0重启若无法快速追上其他节点视图，系统可容错节点数仍然为0，且node0处于共识异常状态中。
case2：2节点区块链系统正常运行，新加入节点node2，若node2无法快速追上其他节点视图，系统会由于1个节点异常(新加入节点)而处于共识异常状态中。

针对上面问题，FISCO BCOS PBFT共识算法引入了快速视图追赶机制，刚启动节点向所有其他共识节点发送视图切换包，其他节点收到包后，向其回复最新视图，从而使得刚启动节点可快速和其他共识节点达成一致视图，系统在加入了新节点后也不会共识异常。

如上图所示，核心流程如下：

刚启动节点向所有其他节点广播视图切换请求包ViewChange，请求包内的视图ViewChange.toView为1；
其他节点收到toView远小于当前节点视图的ViewChange请求后，回复包含当前视图(view)的ViewChange包；
刚启动节点收集满2*f+1个ViewChange包后，切换到和其他共识节点一致的视图。

参考资料

[1]https://www.bookstack.cn/read/fisco-bcos-v2.0/a740cf9a9be89bd7.md
[2]https://www.hulianmaibo.com/posts/info/19866

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