CN108616596A - 基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，包括如下步骤：1)根据地理位置对区块链网络节点进行分簇，同一簇内选出一个授权代表；2)每一簇内选出的授权代表组成验证本次交易的全部共识节点，共识节点间采用使用拜占庭容错算法来对本次交易是否成立达成共识；3)根据网络规模、拓扑、资源或业务类型的变化调整或重新分簇；4)一笔交易完成验证后，在下一笔交易中，需要更新授权代表。本发明所达到的有益效果：用于基于区块链建立分布式边缘云之间快速可信的协作机制，边缘节点可在没有信任基础的情况下以快速、高效地达成共识；解决以工作量证明为代表的共识算法的低吞吐量、髙时延、低效等问题。

Description

基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法

技术领域

本发明涉及一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，属于信息安全识别技术领域。

背景技术

目前各个边缘云形成数据孤岛，不能有效的实现跨行跨网跨界融合。因此为了提升用户体验，增强网络服务能力，需要研究面向边缘云之间数据共享的可信协作机制，实现在网络边缘进行P2P数据共享，无需传送到云中心的业务系统。因此，如何在网络边缘建立去中心化的可信机制、在跨域异构组网环境下保证数据转发过程中的端到端数据传输安全及隐私保护，变得至关重要。

区块链是指通过去中心化和去信任的方式集体维护一个可靠数据库的技术。区块链是分布式数据存储、点对点传输(P2P)、去中心化的共识机制、加密等技术的综合体，是一种新型应用模式。区块链的这些特点很适合用于建立边缘云之间的可信协作机制。整个机制中最重要的就是如何在适应边缘云网络特点的情况下使节点对交易达成共识。

目前的区块链共识算法主要有工作量证明(PoW)、权益证明(PoS)、拜占庭容错(BFT)等。然而移动边缘云网络业务需求、拓扑结构、资源等都是动态变化的，现有的共识算法无法直接用于边缘云之间的资源共享。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，以解决现有区块链共识算法吞吐量低、时延高、效率低的问题，使得在全网参与、分布式存储的情况下让全网每一个节点对区块链上的信息快速达成共识，并且保证每个参与者的利益和公平性。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，其特征是，包括如下几个步骤：

步骤1)分簇：根据地理位置对区块链网络节点进行分簇，同一簇内选出一个授权代表；

步骤2)共识：每一簇内选出的授权代表组成验证本次交易的全部共识节点，共识节点间采用使用拜占庭容错算法来对本次交易是否成立达成共识；

步骤3)环境自适应感知：根据网络规模、拓扑、资源或业务类型的变化调整或重新分簇；

步骤4)动态更新授权：一笔交易完成验证后，在下一笔交易中，不论分簇有无变化，都需要更新授权代表；在下一笔交易的分簇完成后，授权代表的选择将优先考虑本簇内最近几笔交易都未被选中为授权代表的节点。

前述的一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，其特征是，所述步骤1)的具体步骤为：

11)区块链共识模块扫描并得到所有可参与共识认证过程的节点数量；

12)共识模块根据地理位置对可参与共识验证节点初步分簇，先将距离太过遥远的节点(例如不同国家、地区的节点)分开；

13)共识模块根据所需验证的业务(交易)的类型、规模、重要程度等参数决定所需共识节点的数量；

14)再依据所需共识节点数量和可参与共识验证节点数量的比例得到需要分的簇数，并进一步细化分簇；当分簇完成后，每一簇将会随机选出一个节点作为授权代表代表本簇内所有节点来参与验证本次交易。

前述的一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，其特征是，所述步骤2)的具体内容为：

假定故障节点数不到总节点数的三分之一，即若有f个故障节点，则总节点数至少为3f+1；节点分为主节点和从节点，主节点负责将客户端的请求排序，从节点按照主节点提供的顺序执行请求；

每个节点在同样的配置信息下工作，该配置信息称为视图；主节点变化，视图也随之变化；所有节点必须从同一状态开始且它们在给定状态给定参数的条件下，同一操作总是产生相同结果。

前述的一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，其特征是，所述步骤2)的具体步骤为：

21)客户端向主节点发送调用服务操作的请求；

22)主节点收到请求后，启动一个三阶段的一致性协议向各从节点广播该请求；

23)节点收到请求后会根据自身状况执行请求，并将执行后的结果回复给客户端，若节点是正常节点没有故障，则正确执行请求；

24)客户端等待来自不同节点的回复，若有f+1条相同回复，则该回复为运算结果。

前述的一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，其特征是，所述三阶段的一致性协议为PBFT算法的一致性协议，包括预准备pre-prepare，准备prepare和提交commit三个阶段；

在pre-prepare阶段，主节点给当前从客户端收到的请求分配一个序列号n，并将一个带有n和客户端请求消息m的pre-prepare消息广播至各从节点；若从节点i接收了主节点广播的消息，进入prepare阶段；接收消息需要满足一定的条件，即pre-prepare消息和m消息的签名都是正确的，该节点所在视图v还未接收过pre-prepare消息，且pre-prepare消息的序号n在h到H之间；h和H是主节点可分配的最小和最大的序号；

从节点进入prepare阶段后会向包括主节点的其他节点广播prepare消息；各节点判断prepare消息是否为真，判定条件是：视图编号与当前节点视图编号一致、签名正确、序列号在h到H之间；若为真，则接收prepare消息并将该消息追加到本地记录中，然后再向所有节点广播一条commit消息，进入commit阶段；

Commit阶段中，节点会判断收到的commit消息是否为真，判定条件是：视图编号与当前节点视图编号一致、签名正确、序列号在h到H之间；若为真，则接收commit消息并执行消息m请求的操作，然后将commit消息写入本地记录，并发送回复给客户端。

前述的一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，其特征是，所述步骤3)的具体内容为：

当完成上一笔交易的验证，下一笔交易开始时，如果可参与共识验证的节点数量或者计算资源没有变化，则继续执行步骤2)完成分簇；

当网络规模或计算资源发生变化时，共识模块会在最终分簇之前感知到这些变化并相应地调整分簇的数量。

本发明所达到的有益效果：本发明可以用于基于区块链建立分布式边缘云之间快速可信的协作机制，边缘节点可在没有信任基础的情况下以快速、高效地达成共识；本发明解决了以工作量证明为代表的共识算法的低吞吐量、髙时延、低效等问题。

附图说明

图1是基于区块链的分布式边缘云协同工作示意图；

图2是基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应算法流程图；

图3是区块链共识问题示意图；

图4是PBFT算法流程图；

图5是PBFT算法的一致性协议示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，目前各个边缘云形成数据孤岛，不能有效的实现跨行跨网跨界融合。因此为了提升用户体验，增强网络服务能力，需要研究面向边缘云之间数据共享的可信协作机制，实现在网络边缘进行P2P数据共享，无需传送到云中心的业务系统。因此，如何在网络边缘建立去中心化的可信机制、在跨域异构组网环境下保证数据转发过程中的端到端数据传输安全及隐私保护，变得至关重要。此外，业务提供商、网络服务提供商需要相互协作才能保证用户服务质量，提升用户体验(QoE)。在利用区块链建立边缘云可信协作机制中，最重要的是要有一种能使节点快速达成共识的算法，以确保在网络中存在恶意节点和攻击的情况依然能够维持数据的完整性和安全性。

如图2所示，本发明主要包括以下几个步骤：

1)分簇：根据地理位置对区块链网络节点进行分簇，同一簇内选出一个授权代表。

2)共识：每一簇选出的代表作为区块链网络的共识节点，采用实用拜占庭容错算法(PBFT)来达成共识。

如图4所示，共识过程如下：

a.客户端向主节点发送调用服务操作的请求。

b.主节点收到请求后，启动一个三阶段的一致性协议向各从节点广播该请求。

c.节点收到请求后会根据自身状况执行请求，并将执行后的结果回复给客户端。(若节点是正常节点没有故障，则会正确执行请求)

d.客户端等待来自不同节点的回复，若有f+1条相同回复，则该回复为运算结果。

3)环境自适应感知：根据网络规模、拓扑、资源或业务类型的变化调整或重新分簇。

4)动态更新授权：授权代表需要不断更新，使每个共识节点都有机会参与共识，以提高公平性。

如图3所示，在区块链系统中，节点分为三类。交易节点是交易的发起者和最终的接收者，资产从交易发起方通过共识验证节点确认转给交易接收方。共识验证节点既要确保交易数据的完整性和正确性，又要实现全部共识验证节点得到确认的交易数据的一致性。数据存储节点分布式存储着全网的交易数据。区块链共识问题模型是一条数据管道，交易数据在三种类型节点之间流动。

本方法把网络中的节点按照物理位置进行分簇。首先，区块链共识模块扫描并得到所有可参与共识认证过程的节点数量；接下来共识模块根据地理位置对可参与共识验证节点初步分簇，先将距离太过遥远的节点(例如不同国家、地区的节点)分开；下一步共识模块根据所需验证的业务(交易)的类型、规模、重要程度等参数决定所需共识节点的数量；之后再依据所需共识节点数量和可参与共识验证节点数量的比例得到需要分的簇数，并进一步细化分簇。当分簇完成后，每一簇将会随机选出一个节点作为授权代表代表本簇内所有节点来参与验证本次交易。

本发明的共识过程采用PBFT算法来实现。PBFT是一类状态机复制的拜占庭系统每个状态及副本共同维护一个状态，且所有节点采取的行动一致。我们首先假定故障节点数不到总节点数的三分之一，即若有f个故障节点，则总节点数至少为3f+1。节点分为主节点(primary)和从节点(backups)。主节点负责将客户端的请求排序，从节点按照主节点提供的顺序执行请求。每个节点在同样的配置信息下工作，该配置信息称为视图。主节点变化，视图也随之变化。我们在节点上强制一些必要条件，即所有节点必须从同一状态开始且它们在给定状态给定参数的条件下，同一操作总是产生相同结果。

如图5所示，PBFT算法的一致性协议是一个三阶段的协议，主要包括预准备(pre-prepare)，准备(prepare)和提交(commit)阶段。在pre-prepare阶段，主节点给当前从客户端收到的请求分配一个序列号n，并将一个带有n和客户端请求消息m的pre-prepare消息广播至各从节点。若从节点i接收了主节点广播的消息，它就会进入prepare阶段。接收消息需要满足一定的条件，即pre-prepare消息和m消息的签名都是正确的，该节点所在视图v还未接收过pre-prepare消息，且pre-prepare消息的序号n在h到H之间。H和H是主节点可分配的最小和最大的序号。从节点进入prepare阶段后会向其他节点(包括主节点)广播prepare消息。各节点判断prepare消息是否为真(视图编号与当前节点视图编号一致，签名正确，序列号在h到H之间)，若为真，则接收prepare消息并将该消息追加到本地记录中，然后再向所有节点广播一条commit消息，进入commit阶段。Commit阶段中，节点会判断收到的commit消息是否为真，判断依据同prepare消息的判断。若为真，则接收commit消息并执行消息m请求的操作，然后将commit消息写入本地记录，并发送回复给客户端。

图5中C是客户端，0是主节点，1、2、3是从节点，其中1和2是正常节点，3是故障节点。图中的箭头清楚标明了各个阶段节点之间的信息交互。我们可以看出，故障节点3在接收到主节点广播的pre-prepare消息后并没有回应，当然也可能发送错误消息。整个过程中，pre-prepare阶段和prepare阶段保证了善意节点在同一个视图中对请求的一个最终顺序达成一致。而commit阶段确保了善意节点对本地提交的请求序列编号达成一致且善意节点的本地提交最终会在至少f+1善意节点处提交。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，其特征是，包括如下几个步骤：

步骤1)分簇：根据地理位置对区块链网络节点进行分簇，同一簇内选出一个授权代表；

步骤2)共识：每一簇内选出的授权代表组成验证本次交易的全部共识节点，共识节点间采用使用拜占庭容错算法来对本次交易是否成立达成共识；

步骤3)环境自适应感知：根据网络规模、拓扑、资源或业务类型的变化调整或重新分簇；

步骤4)动态更新授权：一笔交易完成验证后，在下一笔交易中，不论分簇有无变化，都需要更新授权代表；在下一笔交易的分簇完成后，授权代表的选择将优先考虑本簇内最近几笔交易都未被选中为授权代表的节点。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，其特征是，所述步骤1)的具体步骤为：

11)区块链共识模块扫描并得到所有可参与共识认证过程的节点数量；

12)共识模块根据地理位置对可参与共识验证节点初步分簇，先将距离太过遥远的节点(例如不同国家、地区的节点)分开；

13)共识模块根据所需验证的业务(交易)的类型、规模、重要程度等参数决定所需共识节点的数量；

14)再依据所需共识节点数量和可参与共识验证节点数量的比例得到需要分的簇数，并进一步细化分簇；当分簇完成后，每一簇将会随机选出一个节点作为授权代表代表本簇内所有节点来参与验证本次交易。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，其特征是，所述步骤2)的具体内容为：

假定故障节点数不到总节点数的三分之一，即若有f个故障节点，则总节点数至少为3f+1；节点分为主节点和从节点，主节点负责将客户端的请求排序，从节点按照主节点提供的顺序执行请求；

每个节点在同样的配置信息下工作，该配置信息称为视图；主节点变化，视图也随之变化；所有节点必须从同一状态开始且它们在给定状态给定参数的条件下，同一操作总是产生相同结果。

4.根据权利要求3所述的一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，其特征是，所述步骤2)的具体步骤为：

21)客户端向主节点发送调用服务操作的请求；

22)主节点收到请求后，启动一个三阶段的一致性协议向各从节点广播该请求；

23)节点收到请求后会根据自身状况执行请求，并将执行后的结果回复给客户端，若节点是正常节点没有故障，则正确执行请求；

24)客户端等待来自不同节点的回复，若有f+1条相同回复，则该回复为运算结果。

5.根据权利要求4所述的一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，其特征是，所述三阶段的一致性协议为PBFT算法的一致性协议，包括预准备pre-prepare，准备prepare和提交commit三个阶段；

在pre-prepare阶段，主节点给当前从客户端收到的请求分配一个序列号n，并将一个带有n和客户端请求消息m的pre-prepare消息广播至各从节点；若从节点i接收了主节点广播的消息，进入prepare阶段；接收消息需要满足一定的条件，即pre-prepare消息和m消息的签名都是正确的，该节点所在视图还未接收过pre-prepare消息，且pre-prepare消息的序号n在h到H之间；h和H是主节点可分配的最小和最大的序号；

从节点进入prepare阶段后会向包括主节点的其他节点广播prepare消息；各节点判断prepare消息是否为真，判定条件是：视图编号与当前节点视图编号一致、签名正确、序列号在h到H之间；若为真，则接收prepare消息并将该消息追加到本地记录中，然后再向所有节点广播一条commit消息，进入commit阶段；

Commit阶段中，节点会判断收到的commit消息是否为真，判定条件是：视图编号与当前节点视图编号一致、签名正确、序列号在h到H之间；若为真，则接收commit消息并执行消息m请求的操作，然后将commit消息写入本地记录，并发送回复给客户端。

6.根据权利要求1所述的一种基于动态授权和网络环境感知的区块链自适应共识方法，其特征是，所述步骤3)的具体内容为：

当完成上一笔交易的验证，下一笔交易开始时，如果可参与共识验证的节点数量或者计算资源没有变化，则继续执行步骤2)完成分簇；

当网络规模或计算资源发生变化时，共识模块会在最终分簇之前感知到这些变化并相应地调整分簇的数量。