CN109064328A - 一种新型区块链的构造及其共识算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型区块链的构造及其共识算法,涉及区块链底层技术领域,用于解决现有区块链出块效率慢、安全性不够的问题,包括,多个节点;以及,以生成顺序N编号的若干区块;其特征在于:所述节点包括出块节点和验证节点;所述出块节点用于接收和缓存其余节点对于上一区块(编号N‑1)的签名;所述验证节点对收到的交易信息进行验证,并对验证后的交易签名并广播;所述节点按照顺序轮流生成区块,若所述节点无法生成区块,则跳过所述区块的编号。达到利用区块链的特性改进BFT类共识算法,兼顾安全的同时提升了效率。
Description
技术领域
本发明涉及区块链底层技术领域,特别涉及一种新型区块链的构造及其共识算法。
背景技术
2016年10月18日工业和信息化部发布的《中国区块链技术和应用发展白皮书》中,将区块链定义为一种无须中介参与、亦能在互不信任或弱信任的参与者之间维系一套不可篡改的账本记录的技术。区块链是一种以区块(block)为单位的链(chain)状数据结构,每一个区块都与前续区块通过密码学证明的方式链接在一起,而共识是指多方参与的节点在预设规则下,通过多个节点交互对某些数据、行为或流程达成一致的过程。
目前许多区块链采用了BFT(拜占庭)类算法来实现共识,例如PBFT,DBFT,VBFT等。然而BFT类算法一般需要至少2轮投票,然后出块,使得效率和安全方面无法兼得。BFT类共识算法最初构造用于分布式系统达成一致性。对于区块链,每个区块可以视作均运行了一轮BFT类共识算法,一条链则等价于多次重复运行BFT类共识算法,故达成共识的时间较长,使得效率低下,故有待改进。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明构造的目的是提供一种新型区块链的构造及其共识算法,达到兼顾安全和效率的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:一种新型区块链的构造,包括:多个节点;以及,以生成顺序N编号的若干区块,记所述节点个数为M;所述节点包括出块节点和验证节点;所述出块节点用于接收和缓存其余节点对于上一区块(编号N-1)的签名;所述验证节点对收到的交易信息进行验证,并对验证后的交易签名并广播;所述节点按照顺序轮流生成区块,若所述节点无法生成区块,则跳过所述区块的编号。
优选的,当所述出块节点无法正常生成区块时,所述出块节点将发送超时信息,由所述验证节点接收并进行全网广播;所述超时信息中将包含所述区块的编号N、以便于下个所述出块节点知晓超时信息中的区块编号N,当其收到M/3+1个超时信息时,则开始生成下一个区块,如此反复。
优选的,N+1区块内包含有N区块的hash值以及M/3+1个验证节点的签名。
通过将上一个区块的签名信息保存在当前区块内,即对前一块的hash值签名保存在下一个区块中,相比现有的区块链,增加了对前一区块的确认信息,提高了安全性,验证节点用于对收到的验证信息进行验证,以及对验证后的交易签名广播,全部节点按照顺序轮流生成区块,保证了区块链的有序性,且当节点无法生成区块时,该节点将发送超时信息,且超时信息内包含该区块编号N,则便于下个出块节点接收信息,并跳过该区块编号。
优选的,一种新型区块链构造的共识算法,包括如下步骤:
S1:所述节点按照顺序轮流生成区块;
S2:所述出块节点接收并缓存其余节点对于上一区块(编号N-1)的签名;当所述出块节点无法正常生成区块时,所述出块节点将发送超时信息;
S3:所述出块节点整理当前生成区块所需要的交易信息,进行验证,签名并广播有效交易信息;
S4:等待并接收步骤S7中验证节点广播的签名信息;
S5:判断所述出块节点是否满足出块条件:
a.若出块节点收到S4中获取的交易验证数量大于节点数量的2/3,即2M/3+1,否则不满足;
b.若步骤S2中获取的签名数量大于M/3+1,并且定时器尚未触发超时,否则不满足出块条件,发送超时信息;
S6.所述出块节点生成N区块时,交易信息和步骤S4收到的验证节点的签名信息保存到N区块的数据部分,并根据以上信息计算MPT树,保存根节点,各验证节点对N-1区块的签名保存到N区块中;
S7.所述验证节点对交易信息进行验证和广播,并对验证后的交易签名进行广播;
S8.所述验证节点在等待当前区块N生成,若未在规定时间内收到区块N的信息,则发送超时信息;反之,若在规定时间内收到区块N的信息,对区块N的hash值签名并广播出去,同时将该区块保存在本地账本;
所述区块N的信息,可以是从出块节点获取的,也可以是从其余验证节点获取的;
S9.所述验证节点广播生成的区块。
优选的,所述S2和S3同时进行。
一方面,每次运行BFT共识仅需2轮投票,而且生成当前块仅需第1轮投票结果,出块节点接收并缓存其余节点对于上一区块(编号N-1)的签名;当出块节点无法正常生成区块时,出块节点将发送超时信息,同时验证节点整理当前生成区块所需要的交易信息,并进行验证与广播交易信息,可见第2轮的投票可以和下一个区块的生成同时进行,大大缩短生成区块的时间;另一方面,生成区块后,仅需N+1区块的生成即可对N区块得到确认,当全部为诚实节点时,仅需1个区块时间即可得到确认。
优选的,现实中,搜集齐全M或者2M/3+1个签名,容易受到网络环境影响,要求放宽到M/3+1。
优选的,为鼓励参与确认和验证,不论是对当前块还是上一块的确认,均给予奖励。
能够鼓励验证节点尽可能参与验证确认,另一方面鼓励出块节点尽可能多的将确认信息记入区块,只要块中出现的确认,验证节点和出块节点均给予奖励。
综上所述,本发明具有以下有益效果:
1、一方面,每次运行BFT共识仅需2轮投票,而且生成当前块仅需第1轮投票结果,第2轮的投票可以和下一个区块的生成同时进行,出块时间大大缩短;另一方面,出块后仅需新的一个块生成即可得到确认,当全部为诚实节点时,仅需1个区块时间即可得到确认,进而大大提高了生成区块的效率。
2、基于BFT共识算法,且将对上一轮区块的确认存入下一个区块,本质上等价于BFT类算法第2轮的结果放入下一轮的区块,安全性等价于传统BFT类共识算法。同时,由于区块链的链式结构以及不可篡改性,BFT类算法的最后一轮结果,总归要发布达成一致,无法隐藏,从这点来说安全性进一步提升。
附图说明
图1是本发明实施例中新型区块链的构造的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释,其并不是对本发明的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例:本发明提供的一种新型区块链的构造,包括:多个节点;以及,以生成顺序N编号的若干区块;其中节点包括出块节点和验证节点;出块节点用于接收和缓存其余节点对于上一区块(编号N-1)的签名;验证节点对收到的交易信息进行验证,并对验证后的交易签名并广播;全部节点按照顺序轮流生成区块,若节点无法生成区块,则跳过该区块的编号。
结合图1所示,当出块节点无法正常生成区块时,出块节点将发送超时信息,由验证节点接收并进行全网广播,超时信息中将包含区块的编号N、以便于下个出块节点知晓超时信息中的区块编号N,当其收到M/3+1个超时信息时,则开始生成下一个区块,如此反复。现实中,搜集齐全M或者2M/3+1(全部非作恶节点数量)个签名,容易受到网络环境影响,要求放宽到M/3+1。
N+1区块内包含有N区块的hash值以及M/3+1个验证节点的签名;当N+1区块生成后,则认为N区块得到了确认,当全部为诚实节点时,仅需1个区块时间即可得到确认,进而大大提高了生成区块的效率。
为鼓励参与确认和验证,不论是对当前块还是上一块的确认,均给予奖励,能够鼓励验证节点尽可能参与验证确认,并且鼓励出块节点尽可能多的将确认信息记入区块,只要块中出现的确认,验证节点和出块节点均给予奖励。
本发明提供的一种新型区块链的共识方法,包括如下几个步骤:
S1:所述节点按照顺序轮流生成区块;
S2:所述出块节点接收并缓存其余节点对于上一区块(编号N-1)的签名;当所述出块节点无法正常生成区块时,所述出块节点将发送超时信息;
S3:所述出块节点整理当前生成区块所需要的交易信息,进行验证,签名并广播有效交易信息;
S4:等待并接收步骤S7中验证节点广播的签名信息;
S5:判断所述出块节点是否满足出块条件:
a.若出块节点收到S4中获取的交易验证数量大于节点数量的2/3,即2M/3+1,否则不满足;
b.若步骤S2中获取的签名数量大于M/3+1,并且定时器尚未触发超时,否则不满足出块条件,发送超时信息;
S6.所述出块节点生成N区块时,交易信息和步骤S4收到的验证节点的签名信息保存到N区块的数据部分,并根据以上信息计算MPT树,保存根节点,各验证节点对N-1区块的签名保存到N区块中;
S7.所述验证节点对交易信息进行验证和广播,并对验证后的交易签名进行广播;
S8.所述验证节点在等待当前区块N生成,若未在规定时间内收到区块N的信息,则发送超时信息;反之,若在规定时间内收到区块N的信息,对区块N的hash值签名并广播出去,同时将该区块保存在本地账本;
所述区块N的信息,可以是从出块节点获取的,也可以是从其余验证节点获取的;
S9.所述验证节点广播生成的区块。
结合图1所示,交易信息和S4中的信息填入transaction部分,再计算MPT树,保存根节点,同时将S2中的信息填入图1中的header的第4部分,最后签名,填入header中的第3部分,若前一个区块没有正常生成,则图1中区块头第4部分换成其余节点发来的超时信息。且S2和S3同时进行,生成当前块仅需第1轮投票结果,第2轮的投票和下一个区块的生成同时进行,大大缩短生成区块的时间,提高了生成效率。
结合图1所示,4.部分即为增加的区块头信息,定义如下:
signatures of the block n from other miner
=[signature(hash(block n))of miner 1]
……
signature(hash(block n))of miner m
这里m=M,为节点数量,hash(block n)表示第N个区块的hash值,signature()表示签名,相比现有的区块链,增加的信息能够有助于信息校验,提升安全性,使得攻击难度大大增加。
在本实施例中,为了说明和突出新型区块构造以及配套的共识算法,采用的是固定21个节点以及按顺序轮流出块的方式,实际上,二者是相互独立的,在其他实施例中,节点数量可以按照需求设置,新型区块构造以及公共算法简单修改后,可以很方便的推广到节点不固定以及其余出块顺序情形,例如随机生成出块顺序等。
Claims (7)
1.一种新型区块链的构造,包括:
多个节点;以及,以生成顺序N编号的若干区块,记所述节点个数为M;
其特征在于:
所述节点包括出块节点和验证节点;
所述出块节点用于接收和缓存其余节点对于上一区块(编号N-1)的签名;
所述验证节点对收到的交易信息进行验证,并对验证后的交易签名并广播;
所述节点按照顺序轮流生成区块,若所述节点无法生成区块,则跳过所述区块的编号。
2.根据权利要求1所述的一种新型区块链的构造,其特征在于,当所述出块节点无法正常生成区块时,所述出块节点将发送超时信息,由所述验证节点接收并进行全网广播;
所述超时信息中将包含所述区块的编号N、以便于下个所述出块节点知晓超时信息中的区块编号N,当其收到M/3+1个超时信息时,则开始生成下一个区块,如此反复。
3.根据权利要求1所述的一种新型区块链的构造,其特征在于,N+1区块内包含有N区块的hash值以及M/3+1个验证节点的签名;
当N+1区块生成后,则认为N区块得到了确认。
4.一种新型区块链的共识算法,其特征在于,所述方法基于如权利要求3所述的新型区块链的构造,所述方法包括:
S1:所述节点按照顺序轮流生成区块;
S2:所述出块节点接收并缓存其余节点对于上一区块(编号N-1)的签名;当所述出块节点无法正常生成区块时,所述出块节点将发送超时信息;
S3:所述出块节点整理当前生成区块所需要的交易信息,进行验证,签名并广播有效交易信息;
S4:等待并接收步骤S7中验证节点广播的签名信息。
S5:判断所述出块节点是否满足出块条件:
a.若出块节点收到S4中获取的交易验证数量大于节点数量的2/3,即2M/3+1,否则不满足;
b.若步骤S2中获取的签名数量大于M/3+1,并且定时器尚未触发超时,否则不满足出块条件,发送超时信息;
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S7.所述验证节点对交易信息进行验证和广播,并对验证后的交易签名进行广播;
S8.所述验证节点在等待当前区块N生成,若未在规定时间内收到区块N的信息,则发送超时信息;反之,若在规定时间内收到区块N的信息,对区块N的hash值签名并广播出去,同时将该区块保存在本地账本;
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7.根据权利要求4所述的一种新型区块链的共识算法,其特征在于,为鼓励参与确认和验证,不论是对当前块还是上一块的确认,均给予奖励。
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