CN108512652B - 基于时间证明的去中心化共识方法、系统及区块链系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的基于时间证明的去中心化共识方法，包括0～t1时间内，若干用户利用私钥对包含有当前时间戳的时间证明数据进行签名，用户所属的对等节点接收签名；在t1～t2时间内，每个对等节点选出自己接收的签名中最佳的签名打包成签名数据块并进行广播，对等节点在收到广播的签名后跟该对等节点已知的最佳签名进行比较，如果收到的签名更佳就替换已知的最佳签名并广播，最后所有对等节点选出一个全网唯一的最佳签名；在t2～T时间内，最佳签名所属的对等节点打包待记录数据块并广播，其他节点验证通过接受该待记录数据块。该发明解决了现有的拜占庭容错、工作量证明、权益证明、委托权益证明等共识方法及其区块链的缺陷，达到公平、高效、节能、易用的效果。

Description

基于时间证明的去中心化共识方法、系统及区块链系统
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及一种基于时间证明的去中心化共识方法、系统及区块链系统。
背景技术
区块链从狭义来讲，是将数据区块以不可逆的哈希ID相连的方式组合成的一种链式数据结构，以密码学方式保证了不可篡改和不可伪造的安全性；从广义来讲，区块链是利用哈希块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与数据生成方式。
区块链实质是基于分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。所谓共识机制是区块链系统中实现去中心化的节点集合之间建立信任、获取权益的数学算法，如何高效、安全达成共识的共识机制一直是拥有众多自由节点的分布式系统中的重难点问题。通常，人们采用让计算机节点模仿“人选”的方法来达成共识，例如设置中心化节点，或者去中心的拜占庭容错算法。直到2008年中本聪发表比特币白皮书，创造性的采用了工作量证明（POW）的共识机制，利用哈希计算的随机性、算力难度、可证性来“天选”并证明共识的获胜者，从而在去中心化、去人力的系统中使得各个节点独立、统一的达成共识，建立公平、安全、和去中心化的区块链。但是工作量证明（POW）也存在非常显著的缺陷，其用哈希难度计算来证明的工作量具有数学上的不唯一性，导致必须人为设置相当慢的出块速度，来避免频繁的共识分叉；又导致矿工展开算力军备竞赛，来争夺记账的利益，造成了极大的电力资源浪费；最后还导致算力的中心化，动摇了去中心、公平的根基，造成51%算力攻击的风险。
2012年，Sunny King和Scott Nadal提出了权益证明（POS）共识机制，通过股东权益证明取代工作量证明来达成共识，节点的股东权益（币龄）越高可获得的“利息”越多，共识过程不需要消耗巨大算力资源，解决了工作量证明（POW）共识机制中算力竞赛、浪费电力、51%攻击的问题，但是也存在着高权益的节点被恶意滥用、权益证明算法可以预测给系统带来安全隐患、只对股东开放对外部封闭等问题，被称作“财阀治理”模式。2014年，Daniel Larimer提出了委托权益证明(DPOS)的共识机制，股东进行投票，选出票数最多的若干代表生成区块，可称作“委托代理”模式。由于极大缩减了有权记账的节点数量，能够极大提高共识速度，但是也存在着投票人为操纵、代表团恶意串谋、中心化等问题。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供的一种基于时间证明的去中心化共识方法、系统及区块链系统，以解决现有技术中存在的缺陷，借助加密签名的随机性、唯一性，哈希函数的不可逆性、竞选方法的全网唯一性，时间的物理稳定性、全球公认性，更彻底地实现了去中心化、去人力的公平性，实现了高效的共识速度、吞吐量，并且节能环保、简单易用。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明提供的基于时间证明的去中心化共识方法，在时间周期为T的时间段内，包括：
S1：0~t1时间内，若干用户利用私钥对包含有当前时间戳的时间证明数据进行签名，用户所属的对等节点接收签名；
S2：在t1~t2时间内，每个对等节点选出自己接收的签名中最佳的签名打包成签名数据块并进行广播，对等节点在收到广播的签名后跟该对等节点已知的最佳签名进行比较，如果收到的广播的签名更佳就替换已知的最佳签名并进行广播，最后所有对等节点选出一个全网唯一的最佳签名；
S3：在t2~T时间内，全网最佳签名所属的对等节点打包待记录数据块并广播到全网，其他节点验证通过后接受该待记录数据块。
本发明提供的基于时间证明的去中心化共识方法，优选地，所述S3包括：在t2~T时间内，最佳签名所属的对等节点公认获得待记录数据块的记账权利，打包待记录数据块并广播到全网；其他对等节点验证打包的待记录数据块的有效性，验证通过后，全网最佳签名所属的用户和/或对等节点获得奖励，若待记录数据块验证不通过或广播失败，其他对等节点就使用签名数据块代替待记录数据块，获得记账权利而没有出块的对等节点获得惩罚。
本发明提供的基于时间证明的去中心化共识方法，优选地，所述S1中“用户所属的对等节点接收签名”包括：用户所属的对等节点接收签名、时间证明数据和与签名私钥相对应的公钥，通过时间证明数据、与签名私钥相对应的公钥对接收的签名进行验证，若验证通过，则存入该对等节点的签名池，若验证不通过则放弃接收的签名。
本发明提供的基于时间证明的去中心化共识方法，优选地，所述S2包括：在t1~t2时间内，每个对等节点在该节点的签名池中通过具有唯一性的比较排序方法选出最佳签名，将最佳签名、时间证明数据和与签名私钥相对应的公钥打包成签名数据块并进行广播，对等节点在收到广播的签名数据块后，通过提取签名数据块中的信息对收到的广播的签名、时间证明数据和与签名私钥相对应的公钥进行验证，验证通过后跟该对等节点已知的最佳签名进行比较，通过比较排序方法选出更佳的签名，如果收到的广播的签名为更佳签名就替换已知的最佳签名对应的签名数据块，并将更佳签名的签名数据块进行广播，最后所有对等节点选出一个全网唯一的最佳签名。
本发明提供的基于时间证明的去中心化共识方法，优选地，所述S1中“时间证明数据”包括：当前时间戳、上一数据块哈希值、待记录数据块的信息。
本发明提供的基于时间证明的去中心化共识方法，优选地，包括：所述的S1中的“待记录数据块信息”为待记录数据块高度。
本发明提供的基于时间证明的去中心化共识方法，优选地，所述S2中“每个对等节点选出自己接收的签名中最佳的签名打包成签名数据块并进行广播”中包括：每个对等节点选出自己接收的签名中最佳的签名打包成签名数据块，并用该对等节点的私钥对签名数据块进行签名后得到签名二，将签名二、与对等节点私钥对应的公钥及签名数据块进行广播，供其余对等节点验证签名数据块的正确性。
本发明提供的一种采用上述的基于时间证明的去中心化共识方法实现的基于时间证明的去中心化共识系统，其特征在于，所述基于时间证明的去中心化共识系统包括去中心化分层对等网络；所述去中心化分层对等网络包括通过P2P连接并准确计时的若干对等节点构成的对等网络层、连接某一所述对等节点的若干终端设备与所述对等节点的构成的非对等网络层。
本发明提供的基于时间证明的去中心化共识系统，优选地，每个对等节点连接到一个可信时间源系统，以准确计时和同步。
本发明提供的一种区块链系统，优选地，包括权利要求8~9中任意一项所述的去中心化共识系统；所述区块链系统每个时间周期T内执行基于时间证明的去中心化共识方法，随机地产生唯一的获胜区块链节点来打包待记录区块；每个区块中至少包括上一区块哈希值、最佳签名、最佳签名对应的时间戳和获胜区块链节点。
上述技术方案具有如下优点或者有益效果：
综上所述，本发明提供的基于时间证明的去中心化共识方法及区块链系统，通过加密签名的随机性、唯一性，哈希函数的不可逆性、竞选方法的全网唯一性，时间的物理稳定性、全球公认性，巧妙、有效地解决了工作量证明（POW）的哈希难度证明不唯一性而导致的高能耗、低速度、算力中心化缺陷，解决了股东权益证明（POS）的财阀中心化治理、恶意滥用大股东权利的风险，解决了委托权益证明（DPOS）的委托代理被人为操纵、代表团恶意串谋等问题，更彻底地实现了去中心化、去人力的公平性，实现了高效的共识速度、吞吐量，并且节能环保、简单易用。
本发明提供的基于时间证明的去中心化共识方法拥有的唯一性，使得工作量证明（POW）中的不唯一性导致的共识速度限制不再必须，从而能够达到委托权益证明（DPOS）甚至传统中心化系统的共识速度，实现了高速的共识和大吞吐量。
本发明提供的基于时间证明的去中心化共识方法使用私钥签名，完全不需要大算力，普通手机即可胜任，从而能够分离签名和记账权利，在去中心分层对等网络中，终端用户具有签名权，对等节点具有记账权，不但更加公平，而且节能环保，不需要耗费电力进行巨量无现实意义的哈希计算，解决了工作量证明（POW）的不唯一性导致的高能耗、低速度的缺陷。
本发明提供的基于时间证明去中心化共识系统及区块链系统，普通用户使用手机等终端设备即可接入，简单易用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是本发明提供的基于时间证明的去中心化共识方法的流程示意图。
图2是本发明提供的基于时间证明的去中心化共识系统的去中心化对等网络的拓扑结构示意图。
图3是本发明提供的区块链系统采用的基于时间证明的去中心化共识方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步说明，但是不作为本发明的限定，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法或者结构上的等效变换或者替代，均属于本发明的保护范围之内。
实施例1：为了便于说明取每个时间周期T为1分钟，t1为第20秒，t2为第40秒来对本发明提供的基于时间证明的去中心化共识方法进行说明。
如图1所示，本发明实施例1提供的基于时间证明的去中心化共识方法如下：
步骤S1签名阶段：每分钟的0~20秒时间内，若干用户利用私钥对包含有签名时的时间戳、上一数据块哈希值、待记录数据块高度的时间证明数据进行签名，用户所属的对等节点接收签名、时间证明数据和与签名私钥相对应的公钥，通过时间证明数据、与签名私钥相对应的公钥对接收的签名进行验证，若验证通过，则存入该对等节点的签名池，若验证不通过则放弃接收的签名；
步骤S2竞选阶段：在20~40秒时间内，每个对等节点在该节点的签名池中通过具有唯一性的比较排序方法选出最佳签名，将最佳签名、时间证明数据和与签名私钥相对应的公钥打包成签名数据块并进行广播，对等节点在收到广播的签名数据块后，通过提取签名数据块中的信息对收到的广播的签名、时间证明数据和与签名私钥相对应的公钥进行验证，验证通过后跟该对等节点已知的最佳签名进行比较，通过比较排序方法选出更佳的签名，如果收到的广播的签名为更佳签名就替换已知的最佳签名对应的签名数据块，并将更佳签名的签名数据块进行广播，最后所有对等节点选出一个全网唯一的最佳签名；
步骤S3记账阶段：在40秒~1分钟时间内，最佳签名所属的对等节点被公认获得待记录数据块的记账权利，打包待记录数据块并广播到全网；其他对等节点验证打包的待记录数据块的有效性，验证通过后，全网最佳签名所属的用户和/或对等节点获得奖励，若待记录数据块验证不通过或广播失败，其他对等节点就使用签名数据块代替待记录数据块，获得记账权利而没有出块的对等节点获得惩罚。
在步骤S1签名阶段中，对等节点在接收到用户发送的签名、时间证明信息和公钥后，通过验证是否本人签名、网络传输是否正确、有无篡改伪造的、当前时间戳是否在该1分钟的0~20秒内（验证是否在签名阶段产生）、上一数据块哈希值是否相同（验证是否在上一数据块之后，保证顺序正确）、待记录数据块高度是否正确（验证待记录数据块是否在下一轮之前），如与时间证明信息相同、时间在0~20秒内、上一数据块哈希值相同、待记录数据块高度正确同时成立的则为有效数据；在步骤S2竞选阶段中，验证方法与步骤S1签名阶段的验证方法相同。
在步骤S2竞选阶段中的比较排序方法，如果是在去中心化对等网络的单轮共识中，可以将签名的二进制大小进行比较，取较小的为较佳签名/最佳签名；如果是在如区块链的多轮共识中，则将本轮周期的签名的二进制数减去上一轮周期生成的区块（在区块链系统中，本实施例1中的数据块等同于区块链中的区块）的哈希值的二进制数得到结果，取结果的绝对值进行比较，值较小的为较佳签名/最佳签名；在区块链的多轮共识中，如果为了进一步提高不可预测性，杜绝投机者或攻击者，可选为以上一轮周期的签名的二进制数减去上一轮周期生成的区块的哈希值的二进制数，比较其绝对值，取其较小的为本轮胜者，即每一轮周期的签名的竞选比较，是为了获得下一轮区块的记账权利，而不是本轮区块的记账权利，从而使投机者和攻击者无法提前制造虚伪签名。但签名的比较方法并不仅限于此，并不能够作为本发明的限定。
为了提高网络吞吐量，减少对网络带宽的占用，在步骤S2竞选阶段中，仅仅把最基本的签名、时间证明数据、公钥打包成签名数据块进行广播，并未将待记录的事务打包进待记录数据块，而是在步骤S2竞选阶段中选出获胜者后，由获胜者在步骤S3记账阶段中打包完整的待记录数据块并广播给其他节点进行验证，避免了在步骤S1、S2中就进行打包广播的资源浪费；在区块链的多轮共识中，如果待记录数据块验证不通过或广播失败，为了防止断链、开叉等情况发生，强制将步骤S2中产生的签名数据块作为待记录数据块记录入区块链中，原本待记录数据块中的事务由下一轮共识重新打包。
为了使全网绝大多数对等节点保持同步和获得准确的签名时的时间戳，将对等节点连接到一个可信时间源系统，该可信时间源系统可以是NTP网络时间服务器、卫星授时系统或无线电波授时系统等可信时间源。
为了保证签名数据块在网络传播过程中的准确性，每个对等节点选出自己接收的签名中最佳的签名打包成签名数据块后，用该对等节点的私钥对签名数据块进行签名后得到签名二，将签名二、与对等节点私钥对应的公钥及签名数据块一并进行广播，供其余对等节点验证签名数据块的正确性。
实施例2：
如2图所示，本发明实施例2提供的一种采用实施例1提供的基于时间证明的去中心化共识方法实现的基于时间证明的去中心化共识系统，包括去中心化分层对等网络和可信时间源系统；去中心化分层对等网络包括通过P2P连接并准确计时的若干对等节点1构成的对等网络层、连接某一对等节点1的若干终端设备2与对等节点1的构成的非对等网络层。对等节点1拥有一定的计算资源，包括存储空间、CPU、稳定带宽和IP地址；终端设备2只需能够联网并运行基本的加解密算法。通过去中心化分层对等网络中的对等网络层来处理对等节点自主记账、执行共识方法、区块记账等去中心化的工作；若干终端设备通过网络连接对等节点构成的非对等网络层，让更多的用户可以通过手机、电脑、浏览器等各种终端设备接入相应的对等节点，方便、高效的参与到去中心化的事务中。
实施例3：
本发明实施例3提供的区块链系统，包括本发明实施例2提供的去中心化共识系统。区块链系统在每1分钟内执行基于时间证明的去中心化共识方法。每个区块中至少包括上一区块哈希值、最佳签名、最佳签名对应的时间戳和获胜区块链节点，以达到区块链的不可逆、可追溯，事务的不可伪造、篡改，资源的不可复制、窃取的效果。
如3图所示，该区块链系统采用的基于时间证明的去中心化共识方法，如下：
步骤S11签名阶段：每分钟的0~20秒时间内，若干用户利用私钥对包含有签名时的时间戳、上一区块哈希值、待记录区块高度的时间证明数据进行签名，用户所属的对等节点接收签名、时间证明数据和与签名私钥相对应的公钥，通过时间证明数据、与签名私钥相对应的公钥对接收的签名进行验证，若验证通过，则存入该对等节点的签名池，若验证不通过则放弃接收的签名；
步骤S12竞选阶段：在20~40秒时间内，每个对等节点在该节点的签名池中通过具有唯一性的比较排序方法选出最佳签名，将最佳签名、时间证明数据和与签名私钥相对应的公钥打包成签名区块并进行广播，对等节点在收到广播的签名区块后，通过提取签名区块中的信息对收到的广播的签名、时间证明数据和与签名私钥相对应的公钥进行验证，验证通过后跟该对等节点已知的最佳签名进行比较，通过比较排序方法选出更佳的签名，如果收到的广播的签名为更佳签名就替换已知的最佳签名对应的签名区块，并将更佳签名的签名区块进行广播，最后所有对等节点选出一个全网唯一的最佳签名；
步骤S13记账阶段：在40秒~1分钟时间内，最佳签名所属的对等节点被公认获得待记录区块的记账权利，打包待记录区块并广播到全网；其他对等节点验证打包的待记录区块的有效性，验证通过后，全网最佳签名所属的用户和/或对等节点获得奖励，若待记录区块验证不通过或广播失败，其他对等节点就使用签名区块代替待记录区块，获得记账权利而没有出块的对等节点获得惩罚。
综上所述，本发明提供的基于时间证明的去中心化共识方法、系统及区块链系统，借助加密签名的随机性、唯一性，哈希函数的不可逆性、竞选方法的全网唯一性，时间的物理稳定性、全球公认性，巧妙、有效地解决了工作量证明（POW）的哈希难度证明不唯一性而导致的高能耗、低速度、算力中心化缺陷，股东权益证明（POS）的财阀中心化治理、恶意滥用大股东权利的风险，委托权益证明（DPOS）的委托代理被人为操纵、代表团恶意串谋等问题，更彻底地实现了去中心化、去人力的公平性，实现了高效的共识速度、吞吐量，并且节能环保、简单易用。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。以上对本发明的较佳实施例进行了描述。
需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于时间证明的去中心化共识方法，其特征在于，在时间周期为T的时间段内，包括：
S1：0~t1时间内，若干用户利用私钥对包含有当前时间戳的时间证明数据进行签名，用户所属的对等节点接收签名；
S2：在t1~t2时间内，每个对等节点选出自己接收的签名中最佳的签名打包成签名数据块并进行广播，对等节点在收到广播的签名后跟该对等节点已知的最佳签名进行比较，如果收到的广播的签名更佳就替换已知的最佳签名并进行广播，最后所有对等节点选出一个全网唯一的最佳签名；
S3：在t2~T时间内，全网最佳签名所属的对等节点打包待记录数据块并广播到全网，其他节点验证通过后接受该待记录数据块。
2.如权利要求1所述的基于时间证明的去中心化共识方法，其特征在于，所述S3包括：在t2~T时间内，最佳签名所属的对等节点公认获得待记录数据块的记账权利，打包待记录数据块并广播到全网；其他对等节点验证打包的待记录数据块的有效性，验证通过后，全网最佳签名所属的用户和/或对等节点获得奖励，若待记录数据块验证不通过或广播失败，其他对等节点就使用签名数据块代替待记录数据块，获得记账权利而没有出块的对等节点获得惩罚。
3.如权利要求1所述的基于时间证明的去中心化共识方法，其特征在于，所述S1中“用户所属的对等节点接收签名”包括：用户所属的对等节点接收签名、时间证明数据和与签名私钥相对应的公钥，通过时间证明数据、与签名私钥相对应的公钥对接收的签名进行验证，若验证通过，则存入该对等节点的签名池，若验证不通过则放弃接收的签名。
4.如权利要求3所述的基于时间证明的去中心化共识方法，其特征在于，所述S2包括：在t1~t2时间内，每个对等节点在该节点的签名池中通过具有唯一性的比较排序方法选出最佳签名，将最佳签名、时间证明数据和与签名私钥相对应的公钥打包成签名数据块并进行广播，对等节点在收到广播的签名数据块后，通过提取签名数据块中的信息对收到的广播的签名、时间证明数据和与签名私钥相对应的公钥进行验证，验证通过后跟该对等节点已知的最佳签名进行比较，通过比较排序方法选出更佳的签名，如果收到的广播的签名为更佳签名就替换已知的最佳签名对应的签名数据块，并将更佳签名的签名数据块进行广播，最后所有对等节点选出一个全网唯一的最佳签名。
5.如权利要求1~4中任意一项所述的基于时间证明的去中心化共识方法，其特征在于，所述S1中“时间证明数据”包括：当前时间戳、上一数据块哈希值和待记录数据块的信息。
6.如权利要求5所述的基于时间证明的去中心化共识方法，其特征在于，包括：所述待记录数据块为待记录数据块高度。
7.如权利要求1所述的基于时间证明的去中心化共识方法，其特征在于，所述S2中“每个对等节点选出自己接收的签名中最佳的签名打包成签名数据块并进行广播”中包括：每个对等节点选出自己接收的签名中最佳的签名打包成签名数据块，并用该对等节点的私钥对签名数据块进行签名后得到签名二，将签名二、与对等节点私钥对应的公钥及签名数据块进行广播，供其余对等节点验证签名数据块的正确性。
8.一种采用权利要求1~7任意一项所述的基于时间证明的去中心化共识方法实现的基于时间证明的去中心化共识系统，其特征在于，所述基于时间证明的去中心化共识系统包括去中心化分层对等网络；所述去中心化分层对等网络包括通过P2P连接并准确计时的若干对等节点构成的对等网络层、连接某一所述对等节点的若干终端设备与所述对等节点的构成的非对等网络层。
9.如权利要求8所述的基于时间证明的去中心化共识系统，其特征在于，每个对等节点连接到一个可信时间源系统，以准确计时和同步。
10.一种区块链系统，其特征在于，包括权利要求8~9中任意一项所述的去中心化共识系统；所述区块链系统每个时间周期T内执行基于时间证明的去中心化共识方法，随机地产生唯一的获胜区块链节点来打包待记录区块；每个区块中至少包括上一区块哈希值、最佳签名、最佳签名对应的时间证明数据和获胜区块链节点信息。
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