CN108320155A - 一种实现区块链共识机制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现区块链共识机制的方法，包括：S1、根据上一区块对应的Hash值，利用预设的第一选取方法确定当前区块的第一提交节点，由第一提交节点生成第一待验证区块，并将第一待验证区块广播至各非提交节点；每一非提交节点对第一待验证区块的有效性进行验证，并生成接受或拒绝的表决结果；当表决结果为接受的非提交节点的数量占节点总数的比例大于预设阈值时，将第一待验证区块作为当前区块，并添加到区块链中；将当前区块作为新的上一区块，返回执行步骤S1。本发明提供的一种实现区块链共识机制的方法，通过预设的选取方法确定提交节点，并对提交节点生成的区块的有效性进行验证，实现了区块链共识，确定提交节点的效率高，因而区块链生成的效率高。

Description

一种实现区块链共识机制的方法

技术领域

本发明涉及计算机应用技术领域，更具体地，涉及一种实现区块链共识机制的方法。

背景技术

区块链技术是一种利用密码学方法保护数据安全的分布式存储技术，具有不可篡改、不可伪造等显著特性，被广泛应用于数字经济、互联网治理和大数据发展等多个领域。共识机制是区块链技术的核心，其使得即使在无中心信任机构存在的场景下，互不信任的实体仍然可以建立信任联系。

根据数据读写权限的开放程度，区块链被分为公有链、联盟链及私有链三种类型。公有链不对读写权限做任何限制；联盟链涉及到多个机构，其共识过程受到预选节点控制，而读取权限对外开放或被任意程度地限制；私有链仅涉及某个特定机构，其写入权限仅由该机构内部节点掌控，同样地其读取权限对外开放或被任意程度地限制。当前主流的共识机制主要适用于公有链或联盟链，如POW、POS、DPOS、dBFT、pool验证池等，效率不高。当这些共识机制被使用到私有链时，存在极大的计算资源浪费与不适应性。

发明内容

为克服现有实现区块链共识机制的方法存在效率不高的不足，本发明提供一种实现区块链共识机制的方法。

本发明提供一种实现区块链共识机制的方法，包括：

S1、根据上一区块对应的Hash值，利用预设的第一选取方法确定当前区块的第一提交节点，由所述第一提交节点生成第一待验证区块，并将所述第一待验证区块广播至各非提交节点；

S2、每一所述非提交节点对所述第一待验证区块的有效性进行验证，并生成接受或拒绝的表决结果；

S3、当表决结果为接受的非提交节点的数量占节点总数的比例大于预设阈值时，将所述第一待验证区块作为当前区块，并添加到区块链中；

S4，将所述当前区块作为新的上一区块，返回执行步骤S1；

其中，所述提交节点为用于生成区块的节点；所述非提交节点为所述提交节点以外的节点。

优选地，所述步骤S3还包括：

当表决结果为接受的节点的数量占节点总数的比例小于预设阈值时，根据预设的第二选取方法确定第二提交节点，由所述第二提交节点生成第二待验证区块，并将所述第二待验证区块广播至所述非提交节点，返回执行步骤S2。

优选地，所述预设的第一选取方法包括：

将上一状态向量、上一区块的Hash值和上一次执行Hash算法输出的Hash值，作为当前次执行所述Hash算法的输入，获取当前次执行所述Hash算法的输出的Hash值；

将当前次执行所述Hash算法的输出的Hash值，根据预设规则映射到一个仅有一个分量为1其余全为0的第一向量，将编号与所述第一向量中为1的分量的编号相同的节点作为所述第一提交节点；

其中，所述上一状态向量用于确定当前区块的第一提交节点。

优选地，所述预设的第一选取方法还包括：

将所述上一状态向量与所述第一向量的进行求和，生成当前状态向量；所述当前状态向量用于确定下一区块的第一提交节点。

优选地，所述预设的第二选取方法包括：

将所述当前状态向量与所述上一状态向量之差作为差向量，将所述差向量的Hash值，根据所述预设规则映射到一个仅有一个分量为1其余全为0的第二向量，将编号与所述第一向量中为1的分量的编号相同的节点作为所述第二提交节点；

其中，所述当前状态向量和所述上一状态向量用于确定当前区块的第二提交节点。

优选地，所述预设的第二选取方法还包括：

将所述上一状态向量与所述第二向量进行求和，生成新的当前状态向量；所述新的当前状态向量用于和下一状态向量一起确定下一区块的第二提交节点。

优选地，所述步骤S2具体包括：

验证所述待验证区块是否由合法的提交节点生成，当所述验证区块是所述合法的提交节点生成时，进行所述待验证区块的有效性进行验证；所述验证区块为所述第一待验证区块或所述第二待验证区块。

优选地，确定合法的提交节点的具体步骤包括：

当所述待验证区块为所述第一待验证区块时，将所述第一提交节点作为合法的提交节点；

当所述待验证区块为所述第二待验证区块时，将所述第二提交节点作为合法的提交节点。

优选地，所述步骤S2还包括：

当所述待验证区块不是所述合法的提交节点生成时，所述节点的表决结果为拒绝。

优选地，所述步骤S2之后还包括：

对于任一非提交节点，当所述任一非提交节点的表决结果为拒绝，且表决结果为接受的非提交节点的数量占节点总数的比例大于预设阈值时，将所述当前状态向量和所述当前区块存储到所述任一非提交节点上。

本发明提供的一种实现区块链共识机制的方法，通过预设的选取方法确定提交节点，并对提交节点生成的区块的有效性进行验证，实现了区块链共识，确定提交节点的效率高，因而区块链生成的效率高，可适用于各种区块链。

附图说明

图1为本发明实施例一种实现区块链共识机制的方法的节点网络示意图；

图2为本发明实施例一种实现区块链共识机制的方法的流程图；

图3为本发明实施例一种实现区块链共识机制的方法中预设的第一选取方法的示意图；

图4为本发明实施例一种实现区块链共识机制的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要注意的是，本发明提供的实现区块链共识机制的方法至少适用于私有链的共识。

区块链共识基于如下环境。图1为本发明实施例一种实现区块链共识机制的方法的节点网络示意图。

节点通过P2P网络连接，并且基于此建立起节点之间的广播网络。在此网络中，某个节点广播发送一条数据后，当任意其他节点接收到该数据时，其他处于该网络中的节点也会接收到该数据。节点为记账节点的简称。

依赖于私有链的节点准入机制，各节点在加入该系统时便建立自己的身份标识。基于该身份标识，记账节点之间通过相互认证的方式建立安全的通信连接，以此保证数据的不可篡改性和保密性。

图2为本发明实施例一种实现区块链共识机制的方法的流程图。如图2所示，一种实现区块链共识机制的方法的流程图包括步骤S1、根据上一区块对应的Hash值，利用预设的第一选取方法确定当前区块的第一提交节点，由第一提交节点生成第一待验证区块，并将第一待验证区块广播至各非提交节点；步骤S2、每一非提交节点对第一待验证区块的有效性进行验证，并生成接受或拒绝的表决结果；步骤S3、当表决结果为接受的非提交节点的数量占节点总数的比例大于预设阈值时，将第一待验证区块作为当前区块，并添加到区块链中；步骤S4，将当前区块作为新的上一区块，返回执行步骤S1；其中，提交节点为用于生成区块的节点；非提交节点为提交节点以外的节点。

将全部节点从1到n进行编号，从1到n按序标记每一个节点为P_j，其中n为节点的总数，且1≤j≤n。

轮次被用来标记一个区块的生成过程。生成区块链中的第i个区块的过程，称为第i轮。创世区块的生成被标记为第0轮，之后每产生一个新区块后轮次自动加1。

具体地，步骤S1，第i轮开始之后，所有节点运行预设的第一选取方法，根据第i-1轮生成的第i-1个区块对应的Hash值，生成暂时的第i轮状态向量v_i，得出第i个区块的第一提交节点；确定第i个区块的第一提交节点后，由该第一提交节点生成第一待验证区块，并广播给所有非提交节点。

其中，第i轮为当前轮，在第i轮中生成当前区块；第i-1轮为上一轮，通过第i-1轮生成了上一区块，即生成了第i-1个区块。

步骤S2，收到第一待验证区块后，所有非提交节点验证该区块的有效性，生成表决结果，并将自己的表决结果广播至网络中。

表决结果为接受或拒绝。当该区块的有效性验证为有效时，表决结果为接受；当该区块的有效性验证为无效时，表决结果为拒绝。

步骤S3，统计表决结果。当表决结果为接受的非提交节点的数量占节点总数的比例大于预设阈值时，将第一待验证区块作为第i个区块，添加到区块链中。

优选地，预设阈值为2/3。当超过2/3的节点接受第一待验证区块时，则将该第一待验证区块作为为第i个区块，并保存当前的状态向量v_i。

步骤S4、将第一待验证区块作为第i个区块，添加到区块链中后，第i轮结束。之后开始新一轮，即第i+1轮，将第i轮生成的第i个区块作为第i+1轮的上一区块，重复上述步骤。

本发明实施例通过预设的选取方法确定提交节点，并对提交节点生成的区块的有效性进行验证，实现了区块链共识，确定提交节点的效率高，尤其能在私有链中快速高效地实现共识机制、达成共识，因而区块链生成的效率高，可适用于各种区块链。进一步地，与POW共识机制相比，本发明实施例无需挖矿，能更为高效地达到共识；与POS、DPOS共识机制相比，本发明实施例无需依赖代币，能高效地运行在任意的区块链上；与dBFT、pool验证池共识机制相比，本发明实施例选取区块提交节点的方法更为简单高效。

基于上述实施例，步骤S3还包括：当表决结果为接受的节点的数量占节点总数的比例小于预设阈值时，根据预设的第二选取方法确定第二提交节点，由第二提交节点生成第二待验证区块，并将第二待验证区块广播至非提交节点，返回执行步骤S2。

步骤S3中，当表决结果为接受的节点的数量占节点总数的比例小于预设阈值时，说明该第一待验证区块没有被多数节点接受，未能达成共识，需要重新确定生成第i个区块的节点。

优选地，预设阈值为2/3。

具体地，当表决结果为接受的节点的数量占节点总数的比例小于预设阈值时，运行预设的第二选取方法，生成新的第i轮状态向量v_i，并依据该状态向量生成新的提交节点，即第二提交节点。由该第二提交节点生成第二待验证区块，并广播给所有非提交节点，返回执行步骤S2。

返回执行步骤S2的具体流程包括：非提交节点对第二待验证区块的有效性进行验证，当表决结果为接受的节点的数量占节点总数的比例大于预设阈值时，将第二待验证区块作为第i个区块，添加到区块链中。

图3为本发明实施例一种实现区块链共识机制的方法中预设的第一选取方法的示意图。基于上述实施例，如图3所示，预设的第一选取方法包括：将第上一状态向量、上一区块的Hash值和上一次执行Hash算法输出的Hash值，作为当前次执行Hash算法的输入，获取当前次执行Hash算法的输出的Hash值；将当前次执行Hash算法的输出的Hash值，根据预设规则映射到一个仅有一个分量为1其余全为0的第一向量，将编号与第一向量中为1的分量的编号相同的节点作为第一提交节点；其中，上一状态向量用于确定当前的第一提交节点。

需要说明的是，每个节点在本地维持状态向量v，并根据当前轮次i标记该状态向量为v_i。所有状态向量的分量数量为n，与该系统中节点的数量相同。初始化v₀的所有分量为0。

之后的状态向量按以下规则生成：如果第1轮选出的区块节点是节点j，则在v₀的第j个分量上加1生成v₁；如果第2轮选出的区块节点是节点m,则在v₁的第m个分量上加1生成v₂；以此类推。因此，仅需比较v_i-1与v_i即可知道第i轮被选出的区块提交节点具体为哪个节点。

通过预设的第一选取方法确定第一提交节点的步骤包括：通过执行Hash算法获取的Hash值，确定第一提交节点。

具体地，将第i-1轮状态向量v_i-1、第i-1个区块的Hash值及第i-1次执行Hash算法输出的Hash值，共同作为作为第i次执行Hash算法的输入；通过第i次执行Hash算法，将根据三个输入获得的Hash值作为第i次执行Hash算法的输出值。

根据预设规则，将第i次执行Hash算法的输出值，映射到一个仅有一个分量为1其余全为0的第一向量。该第一向量表示第i轮状态向量v_i与第i-1轮状态向量v_i-1之差。因此，根据状态向量的生成原理，根据第一向量中为1的分量的编号，即为第一提交节点的编号。通过第一提交节点的编号，即可确定第一提交节点。

基于上述实施例，预设的第一选取方法还包括：将第上一状态向量与第一向量进行求和，生成当前状态向量；当前状态向量用于确定下一区块的第一提交节点。

具体地，确定第一提交节点后，将第i-1轮状态向量v_i-1和第一向量求和，将该向量和作为第i轮状态向量v_i。根据第i轮状态向量v_i，可以生成第i+1个区块的第一提交节点。

其中，第i+1个区块为下一区块。

基于上述实施例，预设的第二选取方法包括：将当前状态向量与上一状态向量之差作为差向量，将差向量的Hash值，根据预设规则映射到一个仅有一个分量为1其余全为0的第二向量，将编号与第一向量中为1的分量的编号相同的节点作为第二提交节点；其中，当前状态向量和上一状态向量用于确定第二提交节点。

具体地，将根据第一提交节点获取的第i轮状态向量与第i-1轮状态向量之差作为差向量。根据预设规则，将该差向量的Hash值映射到一个仅有一个分量为1其余全为0的第二向量。该第二向量表示根据第二提交节点获得的第i轮状态向量v_i与第i-1轮状态向量v_i-1之差。因此，根据状态向量的生成原理，根据第二向量中为1的分量的编号，即为第二提交节点的编号。通过第二提交节点的编号，即可确定第二提交节点。

基于上述实施例，预设的第二选取方法还包括：将上一状态向量与第二向量进行求和，生成新的当前状态向量；新的当前状态向量用于和下一状态向量一起确定下一区块的第二提交节点。

具体地，确定第二提交节点后，将第i-1轮状态向量v_i-1和第一向量求和，获取新的第i轮状态向量v_i。

新的第i轮状态向量v_i，和下一状态向量v_i+1一起，确定下一区块，即第i+1个区块的第二提交节点。

下面以三个记账节点为例说明预设的第一选取方法和第二选取方法中的预设规则。

v₀＝(0,0,0)，将其与创世区块的区块哈希值共同作为Hash算法的输入，生成一个Hash值，根据所述规则将其对应到一个向量d。例如，设定该规则为：生成的哈希值中1的个数被3整除，则d＝(1,0,0)；余1，则d＝(0,1,0)；余2，则d＝(0,0,1)。然后计算v₁＝v₀+d。

假设生成的v₁＝(0,1,0)，将其与v₀＝(0,0,0)相比较，则可知当前选出的提交节点为第2个节点。

需要说明的是，对上述预设规则不作限定，但要求其公平性，即产生不同向量的概率相等。因为该向量的生成与区块提交节点的选取紧密相关，需要具有公平性。

基于上述实施例，步骤S2具体包括：在进行待验证区块的有效性进行验证之前，验证待验证区块是否为合法的提交节点生成，待验证区块是合法的提交节点生成时，进行待验证区块的有效性进行验证；验证区块为第一待验证区块或第二待验证区块。

当待验证区块为第一待验证区块时，将第一提交节点作为合法的提交节点；当待验证区块为第二待验证区块时，将第二提交节点作为合法的提交节点。

图4为本发明实施例一种实现区块链共识机制的方法的流程图。如图4所示，第i轮开始后，节点首先读取上一状态向量v_i-1，通过状态向量的生成方法，生成当前状态向量vi，然后等待提交节点生成的新区块，并验证该区块的有效性。

具体地，非提交节点在进行待验证区块的有效性进行验证之前，先对该待验证区块是否为合法的提交节点生成进行验证。

当待验证区块为第一待验证区块时，验证该待验证区块是否为第一提交节点生成；当待验证区块为第二待验证区块时，验证该待验证区块是否为第二提交节点生成。

当待验证区块是合法的提交节点生成时，进行待验证区块的有效性进行验证。

基于上述实施例，步骤S2还包括：当待验证区块不是合法的提交节点生成时，节点的表决结果为拒绝。

具体地，对待验证区块是否为合法的提交节点生成进行验证时，若验证结果为该待验证区块不是合法的提交节点生成，不再进行待验证区块的有效性进行验证，直接将表决结果确定为拒绝。

基于上述实施例，步骤S2之后还包括：对于任一非提交节点，当任一非提交节点的表决结果为拒绝且表决结果为接受的节点的数量占节点总数的比例大于预设阈值时，将当前状态向量和当前区块存储到任一非提交节点上。

在实际中可能出现如下情况：对于任一非提交节点，该非提交节点的表决结果为拒绝，但表决结果为接受的节点的数量占节点总数的比例大于预设阈值。

这种情况下，根据全部节点的表决结果要接收该区块。此时，说明很大概率上该非提交节点的本地存储数据出错。因此，该非提交节点需要同步数据。

具体地，将第i轮状态向量和第i个区块存储到任一非提交节点上。

优选地，预设阈值为2/3。

最后，本发明的上述实施例仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现区块链共识机制的方法，其特征在于，包括：

S1、根据上一区块对应的Hash值，利用预设的第一选取方法确定当前区块的第一提交节点，由所述第一提交节点生成第一待验证区块，并将所述第一待验证区块广播至各非提交节点；

S2、每一所述非提交节点对所述第一待验证区块的有效性进行验证，并生成接受或拒绝的表决结果；

S3、当表决结果为接受的非提交节点的数量占节点总数的比例大于预设阈值时，将所述第一待验证区块作为当前区块，并添加到区块链中；

S4，将所述当前区块作为新的上一区块，返回执行步骤S1；

其中，所述提交节点为用于生成区块的节点；所述非提交节点为所述提交节点以外的节点。

2.根据权利要求1所述的实现区块链共识机制的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：

当表决结果为接受的节点的数量占节点总数的比例小于预设阈值时，根据预设的第二选取方法确定第二提交节点，由所述第二提交节点生成第二待验证区块，并将所述第二待验证区块广播至所述非提交节点，返回执行步骤S2。

3.根据权利要求2所述的实现区块链共识机制的方法，其特征在于，所述预设的第一选取方法包括：

将上一状态向量、上一区块的Hash值和上一次执行Hash算法输出的Hash值，作为当前次执行所述Hash算法的输入，获取当前次执行所述Hash算法的输出的Hash值；

将当前次执行所述Hash算法的输出的Hash值，根据预设规则映射到一个仅有一个分量为1其余全为0的第一向量，将编号与所述第一向量中为1的分量的编号相同的节点作为所述第一提交节点；

其中，所述上一状态向量用于确定当前区块的第一提交节点。

4.根据权利要求3所述的实现区块链共识机制的方法，其特征在于，所述预设的第一选取方法还包括：

将所述上一状态向量与所述第一向量的进行求和，生成当前状态向量；所述当前状态向量用于确定下一区块的第一提交节点。

5.根据权利要求4所述的实现区块链共识机制的方法，其特征在于，所述预设的第二选取方法包括：

将所述当前状态向量与所述上一状态向量之差作为差向量，将所述差向量的Hash值，根据所述预设规则映射到一个仅有一个分量为1其余全为0的第二向量，将编号与所述第一向量中为1的分量的编号相同的节点作为所述第二提交节点；

其中，所述当前状态向量和所述上一状态向量用于确定当前区块的第二提交节点。

6.根据权利要求5所述的实现区块链共识机制的方法，其特征在于，所述预设的第二选取方法还包括：

将所述上一状态向量与所述第二向量进行求和，生成新的当前状态向量；所述新的当前状态向量用于和下一状态向量一起确定下一区块的第二提交节点。

7.根据权利要求4至6任一所述的实现区块链共识机制的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

验证所述待验证区块是否由合法的提交节点生成，当所述验证区块是所述合法的提交节点生成时，进行所述待验证区块的有效性进行验证；所述验证区块为所述第一待验证区块或所述第二待验证区块。

8.根据权利要求7所述的实现区块链共识机制的方法，其特征在于，确定合法的提交节点的具体步骤包括：

当所述待验证区块为所述第一待验证区块时，将所述第一提交节点作为合法的提交节点；

当所述待验证区块为所述第二待验证区块时，将所述第二提交节点作为合法的提交节点。

9.根据权利要求7所述的实现区块链共识机制的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

当所述待验证区块不是所述合法的提交节点生成时，所述节点的表决结果为拒绝。

10.根据权利要求7所述的实现区块链共识机制的方法，其特征在于，所述步骤S2之后还包括：

对于任一非提交节点，当所述任一非提交节点的表决结果为拒绝，且表决结果为接受的非提交节点的数量占节点总数的比例大于预设阈值时，将所述当前状态向量和所述当前区块存储到所述任一非提交节点上。