CN108632362B - 一种私有区块链建块节点选举的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于一致性算法的私有区块链建块过程中建块节点选举的方法，其特征在于包含以下几个步骤：（1）每个节点在发送交易信息时附带上自身的节点信息用于建块节点选举，信息包含节点的信誉值、节点IP、节点高度。（2）当前轮次的建块节点进行建块操作，并根据其他节点发送过来的选举信息进行排序，建块节点总结最终的排序结果,并将结果和区块一起发送至其他的节点。（3）所有节点在收到块和选举信息后进行验证并对选举结果进行投票，将投票结果发送至其他各个节点。（4）所有节点将收集到的所有投票信息进行转发。（5）所有节点将收集到的转发结果进行统计，通过拜占庭算法得出下一轮建块节点的最终结果。本发明为目前的私有区块链建块过程设计了一种建块节点选举的方法，使建块节点变得随机，保证区块链的一致性和安全性，可以达到保证系统一致性、防止拜占庭错误、防范攻击的目的。

Description

一种私有区块链建块节点选举的方法
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及一种基于一致性算法的私有区块链建块过程中建块节点选举的方法。
背景技术
在区块链系统中，多个节点各自维护一个区块链，数据在所有节点上需要有一致性，保证每个节点维护的区块链是一样的。
系统可能会遭受外部攻击，导致节点中存在“叛徒节点”。为了保证系统在这种情况下保持正常运作，且忠诚的正常节点的数据依旧保持一致，引入了基于拜占庭算法的建块方法。
对于建块的过程，目前的公有区块链以挖矿的方式实现，所有节点中挖矿最快的节点的块被大家所接受。所有节点接受最长链，系统的一致性也得到保证。挖矿本身是一种无意义的计算，需要浪费大量的资源，在节点数目有限的情况下，由单个节点建块提交可能会导致拜占庭错误，即数据的不一致性。
目前的区块链是一种分布式的账本，会面对由于区块链被修改而导致的经济损失，在面对黑客攻击的情况下，区块链系统必须要保障数据的不可篡改，或者系统中大部分节点数据的不可篡改，即保证数据的安全性。
这样在建块过程中就涉及到建块节点的选择问题。
现在已有的区块链系统中使用的选举方案，其一是采取的是固定的建块节点方案，当建块节点出错后再随机选择一个节点作为建块节点，其二是使用round-robin的方式来选择建块节点。
这些已有建块节点的选择方案都不能有效地防范和识别外部攻击，没有参照节点之前的一些表现来进行选择，而且也不是通过所有节点投票选举出来认可的。所以本发明提出了一种建块节点选举的方法使选出来的建块节点是被大多数人认可的，而且也是基于节点之前的表现选择出来的，使建块节点变得随机，保证区块链的一致性和安全性。
发明内容
本发明提供了一种私有区块链建块过程中建块节点选举的算法，可以达到保证系统一致性，防止拜占庭错误，防范攻击等目的。
本发明的选举算法包括以下四步：
（1）每个节点在发送交易信息时附带上自身的节点信息用于建块节点选举，信息包含节点的信誉值、节点IP、节点高度；
（2）当前轮次的建块节点进行建块操作，并根据其他节点发送过来的选举信息进行排序，建块节点总结最终的排序结果, 并将结果和区块一起发送至其他的节点；
（3）所有节点在收到块和选举信息后进行验证并对选举结果进行投票，将投票结果发送至其他各个节点；
（4）所有节点将收集到的所有投票信息进行转发；
（5）所有节点将收集到的转发结果进行统计，通过拜占庭算法得出下一轮建块节点的最终结果。
进一步地，所述步骤（1）具体为：
步骤1.1 节点收集到一定数量的交易后，附上用于建块节点选举的信息发送给其他各个节点；
步骤1.2 每个节点都会收到其他节点发送过来的交易信息和选举信息，交易信息和选举信息都在同一次通讯中完成，以减少网络通讯。
进一步地，所述步骤（2）排序规则具体为：
步骤2.1 参与建块节点选举的节点高度必须一致；
步骤2.2 高度一样的情况下，根据IP + 信誉值 + 节点高度组合在一起进行哈希，哈希值较小的排在前面；
步骤2.3 如果有某个节点的网络状况不好导致未能及时通信，则取消该节点参与建块节点选举的资格；
步骤2.4 如果有某个节点的信誉值低于系统阈值，则取消该节点参与建块节点选举的资格。
进一步地，所述步骤（3）具体为：
步骤3.1 所有节点在收到块和选举信息后进行验证与本地计算结果是否相符；
步骤3.2 节点将区块和选举信息验证后的结果用自己的私钥签名后发送至所有的节点。
进一步地，所述步骤（4）具体为：
步骤4.1每个节点对到的信息使用对应节点公钥进行验签，通过验签的所有节点的投票信息组成一个投票的集合；
步骤4.2 每个节点将得到的投票集合用自己的私钥签名后发给其他节点。
进一步地，所述步骤（5）具体为：
步骤5.1每个节点对到的信息使用对应节点公钥进行验签，通过验签的所有节点的转发信息组成一个集合；
步骤5.2每个节点对这个信息的集合使用拜占庭算法得到最终的结果；
步骤5.3计算结果为通过则更新下一轮的建块节点，投票不通过则通过一定方法确定建块节点，例如使用之前的建块节点进行建块，或者使用指定的默认建块节点进行建块等。
本发明具有以下优点和有益效果：（1）通过建块节点的选举确保选出来的建块节点是被大多数人认可的，而且也是基于节点之前的表现选择出来的；同时, 区块的投票信息和建块节点的选举信息在一起发送，减少了网络通讯。（2）进行了拜占庭算法投票，这个投票过程可以保证达成一致，防止拜占庭错误的产生。投票过程利用拜占庭容错算法，保证了在系统中存在1/3以内的叛徒节点的情况下，系统可以正常运转。因此，系统可以容忍的出错节点的数量占到节点数的1/3。（3）所有节点在进行投票过程中会使用数字签名，因此我们的投票信息可识别且不可伪造。每个节点在进行投票时，利用自己的私钥对投票结果和块哈希值进行加密，得到签名，数字签名和投票信息一同发给其余所有节点。所有节点在收到载有数字签名的投票之后，利用发送者的公钥对数字签名进行解密得到加密前的信息，将解密得到的信息和投票信息对比，如果完全一样，则认为收到的信息是可信的。所有的节点在投票过程中进行数字签名保证了投票信息的不可抵赖性和不可篡改性。
附图说明
图1为本发明提供的一种私有区块链建块节点选举的方法中四轮共识示意图。
图2为本发明提供的一种私有区块链建块节点选举的方法中建块节点发送信息示意图。
具体实施方式
为了容忍f个节点的故障或者被攻击，系统需要有3f+1个节点。也就是说，系统至少要有4个节点，4个节点可以容忍一个节点出现故障或者被攻击。如果系统要容忍最多2个节点出现故障或者被攻击，则需要有至少7个节点。
节点在出现故障或者被攻击成功的情况下，如果节点总数超过被控制节点的三倍，系统的容错算法可以保证其余正常节点正常运作。
在进行一轮建块的过程中，如果出现了建块失败，即最终大家的肯定投票数量不足总节点数的2/3，则认为本轮建块失败，开始新一轮建块，此时区块链的高度不会增加。
假设区块链系统中有4个节点(即f=1)，分别为节点A、节点B、节点C、节点D。下面针对建块节点选举的共识流程实例进行描述，其中四轮共识的示意图如图一所示：
1）每个节点在发送交易信息时附带上自身的节点信息用于建块节点选举，信息包含节点的信誉值、节点IP、节点高度；
2）不失一般性，假设节点A为当前轮次的建块节点。此时节点A根据自己收到的交易和节点信息来构建区块和建块节点选举信息。当前轮次的建块节点进行建块操作，并根据其他节点发送过来的选举信息进行排序，排第一位的作为下一轮的建块节点结果，并将结果和区块一起发送至其他的节点，发送信息如图二所示；
3）节点B、C、D在收到A发送的块和选举信息之后进行验证，分别验证块和建块节点选举信息，得到最后的投票信息，并对投票信息利用自己的私钥进行加密，得到数字签名；
4）A、B、C、D每个节点会收到4个投票（节点A直接投赞成票），根据数字签名验证收到的投票信息的真伪性，抛弃所有的非法投票信息后，得到一个投票集合，利用自己的私钥对其加密得到数字签名，并发送至其他所有节点；
5）每个节点得到最后的投票信息，利用数字签名进行合法性认证，认为不合法的投票信息都是投否定票，然后对所有的投票信息进行统计汇总，从而决定是否要将区块存入链中，并决定下一轮的建块节点。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种私有区块链建块节点选举的方法，其特征在于，包含以下步骤:
（1）每个所述建块节点在发送交易信息时附带上自身的节点信息用于建块节点选举，所述节点信息包含节点的信誉值、节点IP和节点高度；
（2）当前轮次的所述建块节点进行建块操作，并根据其他节点发送过来的选举信息进行排序，当前轮次的所述建块节点总结最终的排序结果, 并将所述排序结果和区块一起发送至其他节点，其中所述排序的规则为：（a）参与建块节点选举的节点高度必须一致；（b）在所述节点高度一致的情况下，根据IP +信誉值+节点高度组合后进行哈希运算，将获得的哈希运算值较小的排在前面；（c）如果某个节点的网络状况不好导致未能及时通信，则取消该节点参与建块节点选举的资格；（d）如果某个节点的信誉值低于系统阈值，则取消该节点参与建块节点选举的资格；
（3）所有节点在收到所述区块和所述选举信息后进行验证并对所述排序结果对应的选举结果进行投票，将所述投票的结果发送至其他各个节点；
（4）所有节点将收集到的所有投票的结果进行转发；
（5）所有节点将收集到的转发所述投票的结果进行统计，通过拜占庭算法得出下一轮所述建块节点的最终结果。
2.根据权利要求1所述的一种私有区块链建块节点选举的方法，其特征在于，所述步骤（1）具体为：
步骤1.1 、节点收集多个交易后，将所述交易附上用于所述建块节点的选举信息后获得交易信息，将交易信息发送给其他各个节点；
步骤1.2 、每个节点收到其他节点发送的所述交易信息和所述建块节点的选举信息，所述交易信息和所述选举信息在同一次通讯中完成，以减少网络通讯。
3.根据权利要求1所述的一种私有区块链建块节点选举的方法，其特征在于，所述步骤（3）具体为：
步骤3.1、 所有节点在收到所述区块和所述选举信息后，验证与本地计算结果是否相符；
步骤3.2 、每个节点将所述区块和所述选举信息验证后的结果用自己的私钥签名，将签名后的结果发送至所有的节点。
4.根据权利要求1所述的一种私有区块链建块节点选举的方法，其特征在于，所述步骤（4）具体为：
步骤4.1、每个节点使用对应节点公钥对收到的签名后的所述结果进行验证和签名，通过所述验证和签名的所有节点的投票信息组成一个投票集合；
步骤4.2、每个节点将得到的所述投票集合用自己的私钥签名后发给其他节点。
5.根据权利要求1所述的一种私有区块链建块节点选举的方法，其特征在于，所述步骤（5）具体为：
步骤5.1、每个节点使用对应节点公钥对收到的信息进行验证和签名，通过验签的所有节点转发的所述投票结果组成一个信息集合；
步骤5.2、每个节点对所述信息集合使用拜占庭算法，得到最终的选举结果；
步骤5.3 、当所述建块节点的所述选举结果通过时，则下一轮由新的建块节点负责建块；当所述建块节点的所述选举结果未通过，则通过其他方法确定建块节点，所述其他方法包括使用之前的建块节点进行建块，或者使用指定的默认建块节点进行建块。
6.根据权利要求1所述的一种私有区块链建块节点选举的方法，其特征在于：所述方法适用于除第一轮之外的所述建块节点选举，所述第一轮建块节点选举通过选择一个固定的建块节点外得到。
7.根据权利要求1所述的一种私有区块链建块节点选举的方法，其特征在于：所述节点的数量范围为，为了容忍f个节点的故障或者被攻击，所述私有区块链系统需要包括至少3f+1个节点。
8.根据权利要求1所述的一种私有区块链建块节点选举的方法，其特征在于：所述建块节点的选举信息被包含在所述步骤（1）-（4）中以减少节点间通信的数量。
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