許鳴睿，姚玉才，朱曉榮

研究與開發(fā)

基于Fisco-Bcos平臺的區(qū)塊鏈系統(tǒng)性能精確分析模型

許鳴睿1，姚玉才2，朱曉榮1

（1.南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003；2.南京深業(yè)智能化系統(tǒng)工程有限公司，江蘇 南京 210018）

為了解決區(qū)塊鏈系統(tǒng)實(shí)際部署面臨的性能難以估計(jì)、所需的硬件設(shè)施性能難以確定等問題，建立了不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下基于模型和數(shù)據(jù)融合的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)吞吐量精確表達(dá)模型。通過分析實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（practical Byzantine fault tolerance，PBFT）算法區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易流程，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、采用的共識算法、節(jié)點(diǎn)的通信方式等狀況，基于大量實(shí)際數(shù)據(jù)建立了Fisco-Bcos區(qū)塊鏈平臺的交易吞吐量（transaction per second，TPS）精確表達(dá)模型。實(shí)際的區(qū)塊鏈系統(tǒng)測試結(jié)果表明，本文建立的TPS預(yù)測模型可以在不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下保持較高的預(yù)測精確度。

區(qū)塊鏈；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；無線通信；TPS模型

0 引言

經(jīng)過多年的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用取得了長足進(jìn)步。然而，大規(guī)模發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)仍然面臨著一些關(guān)鍵性挑戰(zhàn)，特別是建設(shè)/運(yùn)營成本與服務(wù)能力之間如何取得平衡的問題。隨著智慧城市、共享經(jīng)濟(jì)等業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，社會對大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的需求一定會進(jìn)一步擴(kuò)大，到那時(shí)沒有任何公司、政府或第三方具有如此龐大的設(shè)備認(rèn)證和信任擔(dān)保的能力[1]。區(qū)塊鏈技術(shù)有助于解決物聯(lián)網(wǎng)跨行業(yè)、跨部門、跨網(wǎng)絡(luò)等服務(wù)系統(tǒng)的資源共享、數(shù)據(jù)安全傳輸、信用體系構(gòu)建等方面的問題。近年來，區(qū)塊鏈技術(shù)成功應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、金融、醫(yī)療等領(lǐng)域，可以提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，確保數(shù)據(jù)的安全性、可靠性和透明可追溯性。網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的匿名性和加密性極大地保護(hù)了用戶的隱私[2]。

此外，區(qū)塊鏈與未來的6G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，通過多接入網(wǎng)絡(luò)、海量終端、多樣化業(yè)務(wù)、多模資源的協(xié)調(diào)，可以提高網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性，可以為網(wǎng)絡(luò)中的信息交換和價(jià)值轉(zhuǎn)移提供可靠的認(rèn)證機(jī)制；同時(shí)，區(qū)塊鏈可以隱藏和保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的交易敏感內(nèi)容和用戶隱私信息，為對數(shù)據(jù)隱私有更高要求的應(yīng)用程序提供定制化的安全服務(wù)[3]。因此，區(qū)塊鏈可以提升網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)間協(xié)作能力、安全性和隱私保護(hù)能力。然而，差異化的用戶需求和不同接入方式等因素的影響，導(dǎo)致目前物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)多層、異構(gòu)的場景，這對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的性能、部署等提出了挑戰(zhàn)，需要在網(wǎng)絡(luò)的合適位置安置硬件能力足夠的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)以保證區(qū)塊鏈的性能。

針對上述問題，本文建立了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)主要性能指標(biāo)交易吞吐量（transaction per second，TPS）與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的模型。分步分析Fisco-Bcos區(qū)塊鏈平臺的交易流程，分別考慮區(qū)塊鏈進(jìn)行交易時(shí)通信時(shí)間開銷和計(jì)算時(shí)間開銷，建立區(qū)塊鏈性能和通信、計(jì)算資源之間較為精確的模型。并且基于不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，模擬區(qū)塊鏈交易在網(wǎng)絡(luò)中廣播、執(zhí)行、共識的流程，探究區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)性能和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，在考慮區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下，總結(jié)得到較為精確的區(qū)塊鏈性能模型。最后，本文通過搭建實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)塊鏈性能測試，以驗(yàn)證本文的區(qū)塊鏈性能模型具有良好的區(qū)塊鏈TPS估算精確度，驗(yàn)證了本文建立的區(qū)塊鏈TPS性能模型的有效性。

1 區(qū)塊鏈性能分析相關(guān)工作

現(xiàn)有的區(qū)塊鏈性能分析工作大多聚焦于區(qū)塊鏈系統(tǒng)本身的吞吐量、錯(cuò)誤率等理論信息，很少考慮復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對區(qū)塊鏈系統(tǒng)的影響，這導(dǎo)致部署初期對于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)性能的估算難以進(jìn)行，因此區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)部署的硬件需求也難以確定。

近年來，國內(nèi)外對區(qū)塊鏈系統(tǒng)性能評估方面進(jìn)行了深入研究[4-10]，從不同的角度對區(qū)塊鏈的各項(xiàng)性能進(jìn)行預(yù)測或者分析。Abdella等[4]使用讀/寫事務(wù)時(shí)延、讀/寫事務(wù)吞吐量和失敗概率等性能指標(biāo)，對Ethereum Clique、Ethereum Proof of Work 和 Hyperledger Fabric’s Raft共3個(gè)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行了比較，主要通過實(shí)際測試的方式對不同的區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行了比較，但缺少對實(shí)際區(qū)塊鏈系統(tǒng)交易流程的分析，因此無法對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的交易吞吐量做出預(yù)測。Jiang等[5]研究了如何將區(qū)塊鏈技術(shù)擴(kuò)展到車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，考慮大數(shù)據(jù)的分布式和安全存儲，提出了一個(gè)車聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)，然后針對該系統(tǒng)的吞吐量進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和數(shù)值計(jì)算，但缺乏實(shí)際的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)對理論結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。Sun等[6]面向無線區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)吞吐量進(jìn)行了理論分析，考慮時(shí)空域泊松分布，推導(dǎo)了信號干擾加噪聲比的分布、區(qū)塊鏈交易成功率以及整體吞吐量，缺乏實(shí)際的測試結(jié)果對理論分析模型的支撐。Huang等[7]提出了分布式網(wǎng)絡(luò)分裂概率的分析模型，將網(wǎng)絡(luò)分裂概率表示為網(wǎng)絡(luò)大小、丟包率的函數(shù)。通過搭建Raft區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證，得出所搭模型可以預(yù)測網(wǎng)絡(luò)分裂時(shí)間和分裂概率，面向Raft網(wǎng)絡(luò)的分裂情況做了分析，并通過實(shí)踐驗(yàn)證了所建立的模型，但對區(qū)塊鏈的吞吐量沒有做深入的理論分析。Alrubei等[8]使用基于以太坊授權(quán)證明（proof of authority，PoA）的區(qū)塊鏈平臺進(jìn)行測試，對蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi的平均功耗進(jìn)行性能分析，研究聚焦于網(wǎng)絡(luò)帶寬對穩(wěn)定性、鏈上節(jié)點(diǎn)同步的影響。文獻(xiàn)[9]建立了基于工作量證明（proof of work，PoW）的區(qū)塊鏈平臺的TPS模型，以找出影響區(qū)塊鏈共識算法效率的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[10]將各種共識算法分階段分解，以分析其時(shí)間復(fù)雜度，包括PBFT、HotStuff、Raft等，但沒有結(jié)合實(shí)際區(qū)塊鏈的運(yùn)作方式建立實(shí)際區(qū)塊鏈的TPS模型。

區(qū)塊鏈系統(tǒng)交易吞吐量與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件設(shè)備的處理能力、網(wǎng)絡(luò)狀況、應(yīng)用程序等因素都有著緊密的聯(lián)系，這導(dǎo)致難以建立精確的TPS表達(dá)式，目前的研究大部分基于理想的假設(shè)模型，缺乏對實(shí)際區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境的綜合考慮，因此建立區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)性能與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之間的模型具有十分重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文結(jié)合實(shí)際區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行環(huán)境對區(qū)塊鏈的性能進(jìn)行數(shù)值分析，并搭建實(shí)際網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)模型

本文假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中具有一定計(jì)算能力和存儲能力的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以被配置為區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，由多個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)構(gòu)成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有接收申請、執(zhí)行交易和存儲交易結(jié)果等功能。

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示，區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)之間可以通過直接或多跳的方式相互通信，連接到區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的用戶設(shè)備經(jīng)過區(qū)塊鏈的認(rèn)證后都可以作為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的使用者向該區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)出交易申請，節(jié)點(diǎn)接收到交易請求后，會對交易進(jìn)行認(rèn)證和廣播，從而將一條交易添加到區(qū)塊鏈各個(gè)節(jié)點(diǎn)的交易池中。以圖1中的無線通信系統(tǒng)為例，區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)可以作為一個(gè)應(yīng)用程序部署在各級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，如宏基站、微基站、路由器、個(gè)人計(jì)算機(jī)等，這些設(shè)施、設(shè)備之間的通信方式不同，而且存在通信速率不高的無線通信，通信情況的復(fù)雜性和設(shè)備計(jì)算能力的不同導(dǎo)致區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的性能難以估算。

圖1 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)示意圖

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的性能與區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易流程、共識方法息息相關(guān)，本文基于Fisco-Bcos區(qū)塊鏈平臺進(jìn)行TPS測試。首先分步分析區(qū)塊鏈交易時(shí)間，并且結(jié)合實(shí)際的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擬合成精確的TPS估算模型。本文將分析全局耦合網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)性能，并對不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際的TPS測試，并將測試結(jié)果與公式擬合的結(jié)果進(jìn)行比較。

3 基于Fisco-Bcos的交易流程分析

3.1 交易流程分步分析

Fisco-Bcos區(qū)塊鏈平臺的交易流程包括：交易生成、交易廣播、交易打包、交易執(zhí)行、交易共識以及交易落盤。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的性能與通信、算力和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，為了更加精確地構(gòu)建區(qū)塊鏈TPS模型，需要對不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)分析，首先分步考慮區(qū)塊鏈的交易流程，本文涉及的系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

步驟1 交易生成，用戶發(fā)起的交易請求發(fā)送到客戶端后，客戶端會構(gòu)建一筆有效交易，交易中主要包含發(fā)送地址、接收地址、交易內(nèi)容和交易簽名。

由表2可知Fisco-Bcos區(qū)塊鏈平臺定義的每條交易包含的身份信息和簽名信息大小約為400 byte。因?yàn)榻灰椎膬?nèi)容具有很大的冗余，所以交易在發(fā)送前會通過壓縮算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行去冗余化，通過抓包軟件測得實(shí)際測試中每條交易的平均大小為50 byte。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，為了進(jìn)行區(qū)塊鏈TPS的共識擬合，在實(shí)際的區(qū)塊鏈測試中使用相同的智能合約以保證每條交易的大小相同。

那么每條交易由客戶端生成并發(fā)送到區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的時(shí)間為：

步驟2 交易驗(yàn)簽，客戶端生成的交易被發(fā)送到區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)后，節(jié)點(diǎn)會通過驗(yàn)證交易簽名的方式來驗(yàn)證這筆交易是否合法。若這筆交易合法，則節(jié)點(diǎn)會進(jìn)一步檢查該交易是否重復(fù)，若沒有發(fā)現(xiàn)重復(fù)交易，則將交易加入交易池緩存。若交易不合法或交易重復(fù)出現(xiàn)，則將直接丟棄交易。交易驗(yàn)簽流程如圖2所示。

表2 交易內(nèi)容大小及含義

圖2 交易驗(yàn)簽流程

步驟4 交易打包，當(dāng)交易池中存在未完成的交易時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)塊打包模塊中的Sealer線程負(fù)責(zé)從交易池中按照先進(jìn)先出的順序取出一定數(shù)量的交易，組裝成待共識區(qū)塊，隨后待共識區(qū)塊會被發(fā)往各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，節(jié)點(diǎn)將交易打包為區(qū)塊，如圖3所示。

圖3 交易打包流程

交易打包為區(qū)塊并發(fā)送到其他節(jié)點(diǎn)的總時(shí)間為：

步驟5 交易執(zhí)行，每個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)在收到區(qū)塊后，首先會對區(qū)塊的區(qū)塊頭等信息進(jìn)行驗(yàn)證，區(qū)塊的合法性通過驗(yàn)證后，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)會調(diào)用區(qū)塊驗(yàn)證器把交易從區(qū)塊中逐一拿出來執(zhí)行，節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證區(qū)塊、交易執(zhí)行圖如圖4所示。那么每個(gè)區(qū)塊內(nèi)所有交易完成執(zhí)行的時(shí)間為：

圖4 節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證區(qū)塊、交易執(zhí)行圖

步驟6 交易共識，F(xiàn)isco-Bcos中一般采用PBFT算法保證整個(gè)系統(tǒng)的一致性，各個(gè)節(jié)點(diǎn)先獨(dú)立執(zhí)行相同區(qū)塊的內(nèi)容，隨后各個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立廣播各自的執(zhí)行結(jié)果，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)接收的超過2/3的節(jié)點(diǎn)都得出相同的執(zhí)行結(jié)果，這說明這個(gè)區(qū)塊在大多數(shù)節(jié)點(diǎn)上取得了一致，該節(jié)點(diǎn)便會開始出塊。該過程主要與區(qū)塊鏈系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相關(guān)，這里假設(shè)達(dá)成共識所需的共識時(shí)間為consensus。假定區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)用矩陣用于記錄區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)之間的共識情況，如下：

區(qū)塊在節(jié)點(diǎn)上被認(rèn)定為合法區(qū)塊的條件為：

綜上所述，執(zhí)行完成一個(gè)區(qū)塊的總時(shí)間為：

其中，為該區(qū)塊中包含的n條交易生成、廣播、校驗(yàn)的時(shí)間，其余則為區(qū)塊的打包、廣播、執(zhí)行、共識等時(shí)間。Fisco-Bcos交易完整時(shí)序圖如圖5所示。

3.2 視圖切換

圖5中所提到的接收節(jié)點(diǎn)、排序節(jié)點(diǎn)、其他節(jié)點(diǎn)在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中是相同的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一輪交易中承擔(dān)的任務(wù)不同，將節(jié)點(diǎn)分為以上3種節(jié)點(diǎn)。其中，排序節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是按照交易被加入交易池的時(shí)間順序?qū)⑷舾蓷l交易打包為一個(gè)區(qū)塊，同時(shí)負(fù)責(zé)將打包完成的區(qū)塊發(fā)送至區(qū)塊鏈的所有其他節(jié)點(diǎn)。每一輪負(fù)責(zé)打包的節(jié)點(diǎn)是由Fisco-Bcos系統(tǒng)根據(jù)視圖決定的。PBFT共識算法使用視圖（view）記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)的共識狀態(tài)，相同視圖節(jié)點(diǎn)維護(hù)相同的Leader和Replicas節(jié)點(diǎn)列表。Fisco-Bcos系統(tǒng)中，Leader索引的計(jì)算式如下：

其中，view為一個(gè)常數(shù)，blockNum為當(dāng)前區(qū)塊鏈的總區(qū)塊數(shù)量，N為當(dāng)前系統(tǒng)包含的節(jié)點(diǎn)總數(shù)。視圖記錄了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的共識狀態(tài)，同時(shí)保證了區(qū)塊共識的正常進(jìn)行，當(dāng)Leader節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)將通過視圖切換的方式選取出新的Leader節(jié)點(diǎn)，四節(jié)點(diǎn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中Node3發(fā)生故障時(shí)的視圖切換過程，即Fisco-Bcos視圖切換如圖6所示。

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)采取視圖切換的方式選擇共識節(jié)點(diǎn)，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有可能成為共識節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交易打包和區(qū)塊廣播，不同的節(jié)點(diǎn)成為共識節(jié)點(diǎn)時(shí)區(qū)塊的廣播途徑不同，所以對于不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來說，需要單獨(dú)建立一個(gè)區(qū)塊鏈性能模型。

根據(jù)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的交易流程，TPS性能與區(qū)塊鏈部署的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，常見的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型一般包括4種，分別是規(guī)則網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)、小世界網(wǎng)絡(luò)以及無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)。本文主要分析區(qū)塊鏈部署在全局耦合網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的TPS性能。

4 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)性能分析

本文針對全局耦合網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)塊鏈TPS數(shù)學(xué)模型的分析，本節(jié)將對相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型搭建實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行TPS測試以驗(yàn)證模型的正確性。

4.1 全局耦合網(wǎng)絡(luò)TPS數(shù)學(xué)模型

規(guī)則網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)模型中最簡單的網(wǎng)絡(luò)，典型的規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型主要有3種，分別是：全局耦合網(wǎng)絡(luò)模型、星形耦合網(wǎng)絡(luò)模型和最近鄰耦合網(wǎng)絡(luò)模型。本文首先分析的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)在物理結(jié)構(gòu)上類似星形耦合網(wǎng)絡(luò)，星形網(wǎng)絡(luò)的中心為一個(gè)路由器，在邏輯結(jié)構(gòu)上更類似于一個(gè)全局耦合網(wǎng)絡(luò)。

全局耦合網(wǎng)絡(luò)中任意的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都有邊直接相連，結(jié)構(gòu)如圖7所示，全局耦合網(wǎng)絡(luò)具有最小的平均距離和最大的聚類系數(shù)。全局耦合網(wǎng)絡(luò)假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和通信能力均相同。

圖7 全局耦合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在全局耦合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，任意一個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)可以直接訪問，并且在交易廣播、區(qū)塊廣播和共識階段只需經(jīng)過一跳即可到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在全局耦合的無線網(wǎng)絡(luò)中式（6）可以轉(zhuǎn)化為：

其中，(-1)表示為每個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播交易或者區(qū)塊只需要向網(wǎng)絡(luò)中其余的節(jié)點(diǎn)廣播即可，而且與其他節(jié)點(diǎn)的通信共享相同的頻譜資源，所以所需的交易發(fā)送時(shí)間和區(qū)塊廣播時(shí)間為向一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)?-1)倍。將前文設(shè)定的時(shí)間相關(guān)參數(shù)代入式（8），得到：

除去通信時(shí)間式（9）中剩下的均為區(qū)塊鏈系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間，計(jì)算式為：

可見區(qū)塊鏈系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間包含了交易構(gòu)建、區(qū)塊打包、區(qū)塊校驗(yàn)、交易處理、交易落盤等時(shí)間，這些時(shí)間與計(jì)算機(jī)的CPU處理能力、內(nèi)存性能和硬盤性能息息相關(guān)，即使確定了硬件的配置，實(shí)際運(yùn)行中處理所需的時(shí)間也很難做到精確的定量計(jì)算。本文在保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境一致性的情況下，在若干配置相同的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行單節(jié)點(diǎn)的交易處理測試，以求得區(qū)塊鏈系統(tǒng)處理交易的平均時(shí)間，將該時(shí)間作為區(qū)塊鏈系統(tǒng)的處理時(shí)間。

結(jié)合前文中對于全局耦合網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊鏈TPS分析，完成一個(gè)包含條交易的區(qū)塊需要的總時(shí)間為：

則推導(dǎo)得到全局耦合的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)TPS為：

4.2 隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)TPS數(shù)學(xué)模型

與完全規(guī)則網(wǎng)絡(luò)相對應(yīng)的是完全隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)，最為經(jīng)典的完全隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型是Erdos和Renyi于20世紀(jì)50年代末開始研究的現(xiàn)在稱為ER隨機(jī)圖的模型[11]，該模型既易于描述又可通過解析方法研究。在20世紀(jì)的后40年中，ER隨機(jī)圖理論一直是研究復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞幕纠碚摗?/p>

本文研究部署在ER隨機(jī)圖網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)TPS模型，首先根據(jù)ER隨機(jī)圖(，)構(gòu)造算法構(gòu)造隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)。ER隨機(jī)圖(，)構(gòu)造算法如下。

隨機(jī)連邊：

步驟1 選擇一對沒有邊相連的不同節(jié)點(diǎn)。

步驟4 重復(fù)步驟1～步驟3，直至不存在孤立節(jié)點(diǎn)且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都被選擇過至少一次。

由第3.2節(jié)可知，若區(qū)塊鏈的所有節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行期間均保持正常運(yùn)行，則區(qū)塊鏈系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)將由系統(tǒng)的視圖決定，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在測試中將輪流擔(dān)任區(qū)塊鏈的主節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)打包和廣播區(qū)塊。而當(dāng)不同的節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn)時(shí)，區(qū)塊和交易的廣播路徑將有所不同，由此本文使用算法1對不同的節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)時(shí)區(qū)塊的廣播時(shí)間進(jìn)行分析。

算法1 隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)區(qū)塊平均傳播時(shí)間算法

隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為，隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣=[{11，12，…，1n}，{21，22，…，2n}，…， {a1，a2，…，a}]，每條交易的大小為tx，假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的上行速度上限和下行速度上限為；

統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量記為={1，2，…，s}；

初始化傳播時(shí)間矩陣記為sendtime={1，2，…，t}；

for=1:1:

初始化每個(gè)節(jié)點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間矩陣arrtime={arr1，arr2，…，arr}；

=//以節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)

根據(jù)算法2更新節(jié)點(diǎn)到達(dá)時(shí)間表arrtime；

t= max(arrtime); //以為主節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的最大時(shí)間作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間

end for

取sendtime矩陣的平均值作為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)下的廣播的平均時(shí)間。

算法2 深度優(yōu)先傳播時(shí)間統(tǒng)計(jì)算法

隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為，隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣=[{11，12，…，1n}，{21，22，…，2n}，…， {a1，a2，…，a}]，節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量記為={1，2，…，s}，當(dāng)前到達(dá)的節(jié)點(diǎn)序號為，到達(dá)該節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間為curT，每條交易的大小為tx，假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的上行速度上限和下行速度上限為。

if curT<t

arr= curT //更新到達(dá)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的最短時(shí)間；

else

return //已有到達(dá)該節(jié)點(diǎn)的更短傳播路徑，結(jié)束當(dāng)前方法；

end if

for= 1:1:

ifa== 1 //節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間互通

curT = curT +tx/(/s); //當(dāng)前節(jié)點(diǎn)可以連通的節(jié)點(diǎn)平分傳輸速度，更新下個(gè)節(jié)點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間

=；

再次調(diào)用算法2，以作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)更新各個(gè)節(jié)點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間；

end if

end for

5 模型預(yù)測及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文建立模型的有效性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中搭建實(shí)際的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行TPS測試及其他性能分析。實(shí)驗(yàn)室搭建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境使用5臺計(jì)算機(jī)作為測試機(jī)器，每臺計(jì)算機(jī)使用虛擬機(jī)技術(shù)分別運(yùn)行兩個(gè)Linux虛擬機(jī)系統(tǒng)，以此來搭建測試環(huán)境所需求的10節(jié)點(diǎn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)室測試使用的計(jì)算機(jī)、路由器硬件參數(shù)見表3。

表3 硬件參數(shù)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)測試的主要軟件環(huán)境見表4。

表4 軟件環(huán)境

5.1 交易計(jì)算時(shí)間測試

區(qū)塊鏈系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間很難做到精確的定量計(jì)算，所以通過在若干配置相同的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行單節(jié)點(diǎn)的交易處理測試，以求得區(qū)塊鏈系統(tǒng)處理交易的平均時(shí)間，將該時(shí)間作為數(shù)學(xué)模型中每條交易的處理時(shí)間。

每條交易的計(jì)算時(shí)間與交易數(shù)量之間的關(guān)系如圖8所示，在單個(gè)機(jī)器上搭建單節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試，目的是測得較為精確的交易創(chuàng)建、交易執(zhí)行和交易落盤的總時(shí)間?？梢钥闯?，每條交易在區(qū)塊鏈中生成、驗(yàn)證、執(zhí)行、落盤的總時(shí)間與每次測試輸入的交易數(shù)量沒有明顯關(guān)系，圖8中所有交易的平均時(shí)間為0.739 7 ms，下文中將該數(shù)值作為區(qū)塊鏈處理每條交易的平均時(shí)間代入數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合。

圖8 每條交易的執(zhí)行時(shí)間與交易數(shù)量之間的關(guān)系

5.2 全局耦合網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文獻(xiàn)[12]中構(gòu)建的PBFT區(qū)塊鏈的TPS模型如下：

本次實(shí)驗(yàn)中參數(shù)設(shè)定如下：每個(gè)區(qū)塊包含交易數(shù)量=1 000，節(jié)點(diǎn)數(shù)量（4≤≤10），每條交易序列化后的數(shù)據(jù)量大小為0.05 KB，節(jié)點(diǎn)的通信速率變化范圍（100 KB/s≤C≤ 40 MB/s）。將本文實(shí)驗(yàn)的參數(shù)代入式（14），并將式（13）、式（14）中節(jié)點(diǎn)的最高通信速率作為自變量進(jìn)行模型估算，同時(shí)搭建實(shí)際的全局耦合區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行TPS測試，將本文的模型與文獻(xiàn)[12]中的模型進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)擁有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的Linux操作系統(tǒng)中部署節(jié)點(diǎn)，通過wondershaper對節(jié)點(diǎn)的上行和下行進(jìn)行限速，不斷改變上下行速率進(jìn)行TPS測試。

10節(jié)點(diǎn)全局耦合網(wǎng)絡(luò)TPS實(shí)驗(yàn)結(jié)果、本文數(shù)學(xué)模型理論值對比如圖9所示，表明本文建立的數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中10節(jié)點(diǎn)全連接區(qū)塊鏈系統(tǒng)在通信速率較低的情況下具有較高的精度，在節(jié)點(diǎn)的最大通信速率大于10 MB/s的情況下出現(xiàn)了較大的誤差。誤差原因主要是受限于測試環(huán)境，實(shí)際搭建的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中使用的千兆路由器最大允許的流量為100 MB/s，若一個(gè)節(jié)點(diǎn)的上下行速率高于10 MB/s時(shí)會在路由器中產(chǎn)生排隊(duì)發(fā)送現(xiàn)象，導(dǎo)致通信效率下降，從而影響實(shí)驗(yàn)最終的TPS值。從實(shí)際測試的TPS曲線也能看出在網(wǎng)絡(luò)帶寬來到10 MB/s后，節(jié)點(diǎn)通信能力的提升對于實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)TPS幾乎沒有影響。取圖9中節(jié)點(diǎn)最高通信速率為50 KB/s～10 MB/s的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)，可以得到數(shù)學(xué)模型在全局耦合網(wǎng)絡(luò)中的最大誤差為6.74%，而文獻(xiàn)[12]中理想情況下TPS預(yù)測的最大誤差為21.5%。因此，本文提出的TPS數(shù)學(xué)模型算法與實(shí)際的測試值更接近，具有較高的預(yù)測準(zhǔn)確性。

圖9 10節(jié)點(diǎn)全局耦合網(wǎng)絡(luò)TPS實(shí)驗(yàn)結(jié)果、本文數(shù)學(xué)模型理論值對比圖

5.3 隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)第5.2節(jié)中的ER隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)生成算法，ER算法生成的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)如圖10所示。

圖10 ER算法生成的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)

將圖10中的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為鄰接矩陣作為算法1和算法2的輸入?yún)?shù)，并初始化算法所需的其他參數(shù)，即可得到結(jié)論：當(dāng)前隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中區(qū)塊廣播的平均時(shí)間約為兩節(jié)點(diǎn)之間單獨(dú)傳輸時(shí)間的13.1倍。將該平均傳播時(shí)間代入數(shù)學(xué)模型式（14），即可得到當(dāng)前的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)TPS預(yù)測值。

根據(jù)圖10中的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接情況，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中搭建相同的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)圖，在修改節(jié)點(diǎn)帶寬的同時(shí)對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的TPS進(jìn)行測試，10節(jié)點(diǎn)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)TPS測試值與理論值對比如圖11所示。

從圖11中可以看出，建立的數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中10節(jié)點(diǎn)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)區(qū)塊鏈系統(tǒng)在低速率時(shí)具有較高的精度，在節(jié)點(diǎn)的最大通信速率大于10 MB/s的情況下出現(xiàn)了較大的誤差。誤差原因主要是受到測試環(huán)境的影響。取圖11中節(jié)點(diǎn)最高通信速率為50 KB/s～10 MB/s的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)，可以得到數(shù)學(xué)模型在全局耦合網(wǎng)絡(luò)中的最大誤差為4.98%。

除了上述10節(jié)點(diǎn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的對比之外，本文對不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)帶寬的網(wǎng)絡(luò)都做了大量的TPS測試與TPS理論值對比。不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)狀況，預(yù)測值和測試值的對比如圖12所示。節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同時(shí)，TPS預(yù)測值與測試值的比較如圖13所示。

6 結(jié)束語

本文對基于Fisco-Bcos區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的交易流程進(jìn)行了分析和研究?？紤]區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際通信情況和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信和計(jì)算能力，建立基于PBFT區(qū)塊鏈系統(tǒng)的TPS性能預(yù)測模型。并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中搭建了相應(yīng)的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行TPS測試，以此驗(yàn)證性能預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。預(yù)測結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比表明，本文提出的數(shù)學(xué)模型和預(yù)測方法在全局耦合網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中具有較高的準(zhǔn)確度。

圖12 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)狀況理論值和測試值的對比

圖13 節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同時(shí)，TPS理論值與測試值的比較

當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)在一些領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展和應(yīng)用，例如，楊春燕等[13]將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)，提高了電網(wǎng)企業(yè)庫存管理的效率；劉應(yīng)等[14]將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于生鮮奶產(chǎn)品溯源，方便問題奶的追蹤定位和消費(fèi)者賠償，有效改善了生鮮奶行業(yè)的溯源現(xiàn)狀。但是要將區(qū)塊鏈技術(shù)真正地大規(guī)模落地，必須在實(shí)際部署之前能夠通過數(shù)學(xué)模型對實(shí)際的區(qū)塊鏈性能進(jìn)行預(yù)測，想要搭建區(qū)塊鏈系統(tǒng)的組織可以通過本文搭建的TPS模型對區(qū)塊鏈實(shí)際部署的性能進(jìn)行估算。為了使區(qū)塊鏈技術(shù)適用于不同的應(yīng)用場景，本文建立的數(shù)學(xué)模型對于不同的區(qū)塊鏈應(yīng)用場景都有一定貢獻(xiàn)，如區(qū)塊鏈高效的數(shù)據(jù)查詢模型、數(shù)據(jù)處理優(yōu)化方案、高效監(jiān)管制度等。

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A Fisco-Bcos platform based accurate performance analysis model of blockchain system

XU Mingrui1, YAO Yucai2, ZHU Xiaorong1

1.Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China 2.Nanjing ShenyeIntelligentization System Engineering Co., Ltd., Nanjing 210018, China

In order to solve the problems such as difficult to estimate the performance of blockchain system and determine the requirement of hardware facilities, an accurate model of blockchain TPS based on model and data was established under different network structures. Considering the network architecture, the consensus algorithm, the communication of nodes and other elements, the precise model of TPS was established based on the blockchain transaction model of Fisco-Bcos platform and a large amount of actual data fitting. Through the TPS test of the actual blockchain system, the results show that the prediction TPS model established can maintain high prediction accuracy under different network architecture.

blockchain, heterogeneous network, wireless communication, TPS model

TN915.81

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2023013

2022-05-29；

2022-12-29

朱曉榮，xrzhu@njupt.edu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.92067101）；江蘇省高校“青藍(lán)工程”和江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（No.BE2021013-3）

The National Natural Science Foundation of China (No.92067101), Program to Cultivate Middle-aged and Young Science Leaders of Universities of Jiangsu Province and Key Research and Development Plan of Jiangsu Province (No.BE2021013-3)

許鳴睿（1998-），男，南京郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)閰^(qū)塊鏈和聯(lián)邦學(xué)習(xí)等。

姚玉才（1975-），男，南京深業(yè)智能化系統(tǒng)工程有限公司副總裁、正高級工程師，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、智慧社區(qū)、智慧園區(qū)建設(shè)等。

朱曉榮（1977-），女，南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)?G/6G通信系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)。