CN109508982B - 区块链主链加并行多子链的随机并行拜占庭容错共识方法 - Google Patents

Abstract

本发明区块链主链加并行多子链的随机并行拜占庭容错共识方法，通过随机选取共识节点，解决安全性和去中心化的问题，具有高可扩展性。加密，保证随机值的安全性。并行处理多链数据，解决性能问题。拜占庭容错机制，快速达成共识，防止分叉，解决性能问题。通过上述四种技术的一个有效融合，解决了共识算法中去中心化，安全，性能三者不可调和的问题。

Description

区块链主链加并行多子链的随机并行拜占庭容错共识方法

技术领域

本发明涉及到区块链共识过程，尤其是指基于主链加并行多子链系统架构下的共识流程。

背景技术

目前主流公链共识算法都无法完全兼顾去中心化，安全，性能三者之间平横的问题，只能满足其中两个方面，而忽略另外一个方面，如下分析。

DPOS+BFT(Delegated Proof of Stake)-委托权益人证明机制：EOS创始人兼首席开发者Daniel Larimer(丹尼尔拉里默)提出的一种共识机制。所有节点投票选举出代理节点进行出块，由于出块节点的减少，大大提高了性能，可以做到秒级出块，但只有21个节点，中心化问题被人诟病。

PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)-实用拜占庭容错算法：MiguelCastro(卡斯特罗)和Barbara Liskov(利斯科夫)在1999年提出来的，解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题，算法的时间复杂度是O(n^2)，使得在实际系统应用中可以解决拜占庭容错问题，该算法满足安全和性能问题，但规模太大时，网络开销成为瓶颈，扩展性差。

VBFT：属于与本案最接近的现有技术，该算法原理：利用可验证随机函数(VRF：Verifiable Random Function)，从1000个节点中随机选取21个共识节点，执行拜占庭容错出块运算。

其中，所谓共识节点分为三种节点：提案节点，背书节点，验证节点。

其中，提案节点(7个)：负责提交打包出块的交易。

其中，背书节点(7个)：负责对提案节点的出块进行投票，投票高的作为最终出块选择。

其中，验证节点(7个)：负责对背书节点的投票区块进行验证，经过多个验证节点验证后的区块，作为最终确定不可逆区块，记录在链上。

VBFT共识算法最多只能支撑1000个节点，因此可扩展性差。每次共识从1000个节点随机选取21个节点，其他节点被闲置，没有充分利用，不具备并行处理的能力，因此最多只能达到5000tps的处理速度，性能在目前公链里已经算是比较高的。

现有技术中的共识算法，多针对单链的共识算法，并未考虑到其应用到包含主链及其平行子链中的情景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能更为高效的算法，且同时满足去中心化，安全的性能。

首先，本发明提供区块链主链加并行多子链的随机并行拜占庭容错共识方法，所述主链加并行多子链包含一条主链和N条并行子链，其中n＝1....X，其中每个节点均存储主链数据，其不存储具体交易，而存储系统全局信息，至少包含全部子链的块头信息；同时，每个节点被系统初始分配存储一条子链的全部数据，子链并行处理用户交易；

每一轮共识开始时，从全部节点中选取负责主链的共识节点，并从存储某一条子链的全部数据的节点中选取负责该条子链的提案节点，及从剩余的全部节点中选取负责该条子链的背书节点和验证节点；

整体共识流程如下：

S1:客户端通过P2P网络广播交易请求，并附上交易发起者签名；

S2:网络中所有参与共识节点监听P2P网络中的交易请求，缓存在本地内存中；

S3:原有主链共识节点根据主链当前块高度、前一区块的提案者地址、前一区块的根哈希，以及前一区块的vrf值计算512位哈希，从512位哈希值中使用随机函数随机选取16位数字，16位数字采用取模的方法，逐一计算出主链以及每一条子链当前高度区块的提案节点、背书节点以及验证节点；选择某条子链提案节点时，从负责存储该条子链的全部数据的节点中逐一随机的选取；

S4:子链共识节点进行拜占庭共识，出块后，将块头以交易的形式提交给主链；

S5:主链对子链提交的块头信息，进行拜占庭共识，出块，本轮共识结束；

其中主链共识流程如下：

S5-1：主链提案节点收到全部子链共识节点发来的新的块的块头后，进行签名验证，确认经过子链2/3的验证节点签名，然后使用google的开源代码计算新的vrf随机值，经过AES加密后，写入新的块头。计算vrf随机值开源代码地址：https://github.com/google/ keytransparency；

S5-2：主链背书节点，收集网络中的提案区块，确认提案者是否有权签名、签名正确性，以及vrf值的正确性，验证通过后对权重最高的提案节点进行背书签名，然后广播到P2P网络中；

S5-3：主链验证节点，收集网络中背书节点的投票区块，对投票最高的区块进行无状态验证以及签名，然后广播到P2P网络中；

S5-4：主链中经过2/3验证节点签名的区块，作为最终不可逆块记录在主链上，本轮共识结束。

其中，上述S4的子链共识流程如下：

S4-1：子链提案节点验证并且执行客户端提交的交易，将交易、交易执行结果的状态、交易所用到的读写集以及数据的默克尔路径证明打包出块；

S4-2：子链背书节点，收集网络中的提案区块，确认提案者是否有权签名、签名正确性，以及vrf值的正确性，验证通过后对权重最高的提案节点进行背书签名，然后广播到P2P网络中；

S4-3：子链验证节点，收集网络中背书节点的投票区块，对投票最高的区块进行无状态验证以及签名，然后广播到P2P网络中；

S4-4：子链中经过2/3验证节点签名的区块，作为最终不可逆块记录在子链上。

上述过程中使用的无状态验证，其流程如下：

每个验证节点都会存储主链的完整数据，主链的每笔交易记录包含每条子链的块头信息，块头包含了子链状态树的根哈希，交易树的根哈希和收据树的根哈希，即每个验证节点都是每条子链的一个轻节点；

每个提案节点都会存储所在子链的完整数据，提案节点在提交新块时，需要将每笔交易，该交易执行过程中访问的数据，数据的默克尔证明路径，以及交易的执行结果集，一起打包，广播给验证节点；

验证节点执行提案节点提交的交易，在执行过程中遇到的数据，需要通过默克尔证明路径验证数据的有效性，执行完毕后，需要对执行产生的结果集与提案节点提交的进行比较，验证正确性；

验证节点将验证通过的新的子链区块进行广播，负责主链共识的节点将子链新提交的区块头作为一笔交易打包进新的区块存储于主链上。

本发明的优点为：

1、随机选取共识节点，解决安全性和去中心化的问题，具有高可扩展性。

2、加密，保证随机值的安全性。

3、并行处理多链数据，解决性能问题。

4、拜占庭容错机制，快速达成共识，防止分叉，解决性能问题。

通过上述四种技术的一个有效融合，解决了共识算法中去中心化，安全，性能三者不可调和的问题。

附图说明

图1为本发明中使用主链加并行多子链的系统逻辑图。

图2为本发明中基于链加并行多子链逻辑下的单个节点的架构图。

图3为本发明中基于图2中单点而部署的多点架构方案。

图4为主链和子链交互的流程图。

图5为本发明中REPB共识算法的整体流程示意图。

图6为本发明中REPB共识算法的子链共识流程。

具体实施方式

请参阅图1所示，其为本发明提出的主链加多并行子链的系统逻辑图。本发明包含1条主链及n条并行子链，其中n＝1....X，每个节点存储主链数据，并被系统初始分配存储某条子链的全部数据，每个节点还包含子链跨链消息队列。其中，所述主链数据不存储具体交易，而存储系统全局信息，至少包含：子链个数、子链块头、账户与子链的映射关系、合约与子链的映射关系、数据节点与子链的映射关系、验证节点与子链的映射关系、跨链请求/响应通知信息、所有合约代码、子链负载、子链是否生效等。其中，所述跨链通知消息是与子链跨链消息队列中消息详情对应的一个通知消息。每一条子链具有一个子链id，每一个节点具有一个节点id，本文中子链信息指子链id，子链位置包含子链id及源子链对应的子链节点连接信息，该子链节点连接信息存储在数据节点<->子链映射表，主要包含一个子链位于那些节点上，这些节点的IP地址和端口。

其中，所述各节点由系统初始分配的子链的全部数据包含相应子链的账户、合约及交易。该子链的全部数据中的合约，除包含合约代码，还包含合约的状态等完整信息。其中，所述子链跨链消息队列包含两类，一类是跨链请求队列，每个目标子链创建一个，存储发往目标子链的请求消息详情，不同的目标子链分成不同的队列；另一类是跨链响应队列，每个源链创建一个，存储发往源链的响应消息详情，不同的源链分成不同的队列。

所述各个节点通过P2P网络实现点对点的访问，实现上述架构方案，在网络层，除包含主链P2P外，还包含子链P2P，主链P2P网络用于子链向主链提交数据(子链块头，子链对主链的修改信息，跨链通知信息)、传播主链数据、跨链通信协调(跨链通知信息在各个节点之间的通信)。子链P2P又分为两类：子链数据P2P和子链验证P2P。存储某条子链的全部数据的各个节点通过子链数据P2P网络同步子链交易和区块。负责验证同一子链交易的各个节点通过子链验证P2P对交易和区块进行验证并签名。对于某一个节点，它可能是某个子链数据的存储者，参与子链数据P2P网络，同时可能是同一个子链或其他子链的验证者，参与子链验证P2P网络。节点的子链角色是系统初始分配的，存储者角色相对不变，而负责哪条子链的验证则是动态随机调整的，每个出块周期都不一样，这是在实现可扩展的同时保证安全，避免1％攻击的方法。

请参阅图2所示，其为本发明中单个节点的架构图。每个节点存储主链数据、被分配的子链数据及该子链的跨链消息队列。请同时参阅图5所示，其为基于图3中节点架构下的多节点部署方案。该方案中示例的列出了6个节点A、B、C、D、E、F。每个节点均存储有主链数据，其中节点A、B和C被系统初始分配存储子链x的数据，组成子链x的数据P2P网络。节点D、E和F被系统初始分配存储子链y的数据，组成子链y的数据P2P网络。该图中显示的方案包含一条主链及并行的2条x，y子链。在图中时刻，节点A、D和E负责子链x数据的验证，节点B、C和F负责子链y数据的验证。

请参阅图4所示，其为主链加并行多子链系统架构下主链和子链的交互。子链出块后，会通过主链P2P网络广播子链块头、子链对主链的修改以及跨链请求/响应通知信息的子链集。所有子链的提交会形成主链块，广播到所有节点。每个节点在收到主链块后，会更新本地主链，以保持所有节点的主链一致，根据主链块头中的跨链请求/响应通知消息通知获取请求或响应当前子链的其他子链信息，直接连接其他子链节点获取请求/响应详情并进行处理。

在此架构下，可以使用主链块头验证其他子链交易。本架构下，每个节点因为被系统初始分配存储某一条子链的全部数据，其是其对应子链的全节点，同时每个节点均存储主链数据，是其他所有子链的轻节点，每个节点是主链的全节点。

默克尔证明：指一个轻节点向一个全节点发起一次证明请求，询问全节点完整的默克尔树中，是否存在一个指定的数据或者交易；全节点向轻节点返回一个默尔克证明路径，由轻节点进行计算，验证存在性。上述方案，实际交易不通过主链完成，主链仅仅记录子链的摘要信息，极大的提高的区块链的性能，随机选取子链的验证节点，可以避免1％的共计，大大提高了安全性能。

本技术方案利用了轻节点和默克尔证明的特性进行无状态验证，其原理如下：

每个验证节点都会存储主链的完整数据，主链的每笔交易记录包含每条子链的块头信息，块头包含了子链状态树的根哈希，交易树的根哈希和收据树的根哈希，即每个验证节点都是每条子链的一个轻节点。

每个提案节点都会存储所在子链的完整数据，提案节点在提交新块时，需要将每笔交易，该交易执行过程中访问的数据，数据的默克尔证明路径，以及交易的执行结果集，一起打包，广播给验证节点。

验证节点执行提案节点提交的交易，在执行过程中遇到的数据，需要通过默克尔证明路径验证数据的有效性，执行完毕后，需要对执行产生的结果集与提案节点提交的进行比较，验证正确性。

验证节点将验证通过的新的子链区块进行广播，负责主链共识的节点将子链新提交的区块头作为一笔交易打包进新的区块存储于主链上。

本发明的REPB共识算法的最终目的就是为主链及每一条子链选出共识节点，完成交易。所述REPB共识算法中的R代表Random(随机选取共识节点)，E代表Encrypt(AES加密随机值)，P代表Parallel(并行处理多链数据)，B代表BFT(拜占庭容错共识机制)。

基于上述的系统架构，所有节点均包含主链数据，而每个节点又包含系统分配的某一条子链的全部数据。REPB共识算法的核心是：每一轮共识开始时，从全部节点中选取负责主链的共识节点(提案节点，背书节点和验证节点)，并从存储某一条子链的全部数据的节点中选取负责该条子链的提案节点，及从剩余的全部节点中选取负责该条子链的背书节点和验证节点。

以1050节点为例，每一个节点均存储了主链数据，每21个节点被分配同时存储某一条子链的全部数据，共计50条链，链1.....链50，每一次共识开始时，从全部1050节点中随机依次选出21个节点作为主链共识节点，包含主链提案节点，主链背书节点，主链验证节点。然后从剩余的1029个节点中链1的21个节点(或小于21个)中随机依次选出7个共识节点作为子链1的子链提案节点，从剩余1022节点中随机依次选出链1的7个背书节点和7个验证节点。其他子链依次类推。链1的背书节点和验证节点，是从1050个节点中随机选取的，因此可以抵御黑客的1％共计。

请参阅图5所示，系统合约中存储共识节点的信息，包含节点公网IP地址、节点初始权重、节点地址、节点公钥、用节点公钥加密的AES密钥。系统合约对外提供管理共识节点的接口，管理权限由部署蓝石链的节点账户拥有。新的共识节点加入需要满足一定的硬件需求，并且需要有公网IP，经过CA认证节点认证后才能作为共识节点，记录在系统合约内。

整体共识流程如下

S1:客户端通过P2P网络广播交易请求，并附上交易发起者签名。

S2:网络中所有参与共识节点监听P2P网络中的交易请求，缓存在本地内存中。

S3:原有主链共识节点根据主链当前块高度、前一区块的提案者地址、前一区块的根哈希，以及前一区块的vrf值计算512位哈希，从512位哈希值中使用随机函数随机选取16位数字，16位数字采用取模的方法，逐一计算出主链以及每一条子链当前高度区块的提案节点、背书节点以及验证节点。选择某条子链提案节点时，从负责存储该条子链的全部数据的节点中逐一随机的选取。

S4:子链共识节点进行拜占庭共识，出块后，将块头以交易的形式提交给主链。

S5:主链对子链提交的块头信息，进行拜占庭共识，出块，本轮共识结束。

请参阅图6所示，其为子链共识流程。

S4-1：子链提案节点验证并且执行客户端提交的交易，将交易、交易执行结果的状态、交易所用到的读写集以及数据的默克尔路径证明打包出块。

S4-2：子链背书节点，收集网络中的提案区块，确认提案者是否有权签名、签名正确性，以及vrf值的正确性，验证通过后对权重最高的提案节点进行背书签名，然后广播到P2P网络中。

S4-3：子链验证节点，收集网络中背书节点的投票区块，对投票最高的区块进行无状态验证以及签名，然后广播到P2P网络中。

S4-4：子链中经过2/3验证节点签名的区块，作为最终不可逆块记录在子链上。

主链共识流程

S5-1：主链提案节点收到50条子链共识节点发来的新的块的块头后，进行签名验证，确认经过子链2/3的验证节点签名。然后使用google的开源代码计算新的vrf随机值，经过AES加密后，写入新的块头。计算vrf随机值开源代码地址：https://github.com/google/ keytransparency。

S5-2：主链背书节点，收集网络中的提案区块，确认提案者是否有权签名、签名正确性，以及vrf值的正确性，验证通过后对权重最高的提案节点进行背书签名，然后广播到P2P网络中。

S5-3：主链验证节点，收集网络中背书节点的投票区块，对投票最高的区块验证以及签名，然后广播到P2P网络中。

S5-4：主链中经过2/3验证节点签名的区块，作为最终不可逆块记录在主链上，本轮共识结束。

REPB共识算法的单链性能指标如表1-1所示，多链指标如表1-2所示。

CPU	内存	共识节点个数	出块时间	TPS
					6核i7	16G	21	1s	1500

表1-1

表1-2

为清楚本发明技术方案，特将相关术语及原理解释如下：

VRF：Verifiable Random Function,可验证的随机函数。结合了密钥的哈希函数，通过私钥签名哈希数据，通过公钥验证哈希结果签名的正确性。

AES:Advanced Encryption Standard,高级加密标准，是一种对称密钥加密算法。

Sha512:Secure Hash Algorithm，512位的安全散列算法。

Merkle树：区块链底层基本数据结构，是一种二叉树，叶子节点的value是数据集合的单元数据，非叶子节点的value是根据叶子节点的value，算出的hash值。

无状态验证：验证节点无需存储所有链上数据，即可根据交易以及交易所需数据的读写集，Merkle树路径证明，执行交易以及验证交易的真实性。

tps:transaction per second,每秒事物处理量，是一种表达区块链系统处理能力的性能指标。

1％攻击：分片技术需要解决的一个问题，假如：1000个节点负责100个分片，每个分片由10个节点进行处理，因此黑客只需要控制其中的10个节点，即：1％的节点，就可以完全控制一个分片。

Claims (3)

1.区块链主链加并行多子链的随机并行拜占庭容错共识方法，其特征在于：所述主链加并行多子链包含一条主链和N条并行子链，其中N＝1—X，其中每个节点均存储主链数据，其不存储具体交易，而存储系统全局信息，至少包含全部子链的块头信息；同时，每个节点被系统初始分配存储一条子链的全部数据，子链并行处理用户交易；

每一轮共识开始时，从全部节点中选取负责主链的共识节点，并从存储某一条子链的全部数据的节点中选取负责该条子链的提案节点，及从剩余的全部节点中选取负责该条子链的背书节点和验证节点；

整体共识流程如下：

S1:客户端通过P2P网络广播交易请求，并附上交易发起者签名；

S2:网络中所有参与共识节点监听P2P网络中的交易请求，缓存在本地内存中；

S3:原有主链共识节点根据主链当前块高度、前一区块的提案者地址、前一区块的根哈希，以及前一区块的vrf值计算512位哈希，从512位哈希值中使用随机函数随机选取16位数字，16位数字采用取模的方法，逐一计算出主链以及每一条子链当前高度区块的提案节点、背书节点以及验证节点；选择某条子链提案节点时，从负责存储该条子链的全部数据的节点中逐一随机的选取；

S4:子链共识节点进行拜占庭共识，出块后，将块头以交易的形式提交给主链；

S5:主链对子链提交的块头信息，进行拜占庭共识，出块，本轮共识结束；

其中主链共识流程如下：

S5-1：主链提案节点收到全部子链共识节点发来的新的块的块头后，进行签名验证，确认经过子链2/3的验证节点签名，然后计算新的vrf随机值，经过AES加密后，写入新的块头；

S5-2：主链背书节点，收集网络中的提案区块，确认提案者是否有权签名、签名正确性，以及vrf值的正确性，验证通过后对权重最高的提案节点进行背书签名，然后广播到P2P网络中；

S5-3：主链验证节点，收集网络中背书节点的投票区块，对投票最高的区块进行无状态验证以及签名，然后广播到P2P网络中；

S5-4：主链中经过2/3验证节点签名的区块，作为最终不可逆块记录在主链上，本轮共识结束。

2.如权利要求1所述的区块链主链加并行多子链的随机并行拜占庭容错共识方法，其特征在于：

上述S4的子链共识流程如下：

S4-1：子链提案节点验证并且执行客户端提交的交易，将交易、交易执行结果的状态、交易所用到的读写集以及数据的默克尔路径证明打包出块；

S4-2：子链背书节点，收集网络中的提案区块，确认提案者是否有权签名、签名正确性，以及vrf值的正确性，验证通过后对权重最高的提案节点进行背书签名，然后广播到P2P网络中；

S4-3：子链验证节点，收集网络中背书节点的投票区块，对投票最高的区块进行无状态验证以及签名，然后广播到P2P网络中；

S4-4：子链中经过2/3验证节点签名的区块，作为最终不可逆块记录在子链上。

3.如权利要求1或2所述的区块链主链加并行多子链的随机并行拜占庭容错共识方法，其特征在于：所述无状态验证，其流程如下：

每个验证节点都会存储主链的完整数据，主链的每笔交易记录包含每条子链的块头信息，块头包含了子链状态树的根哈希，交易树的根哈希和收据树的根哈希，即每个验证节点都是每条子链的一个轻节点；

每个提案节点都会存储所在子链的完整数据，提案节点在提交新块时，需要将每笔交易，该交易执行过程中访问的数据，数据的默克尔证明路径，以及交易的执行结果集，一起打包，广播给验证节点；

验证节点执行提案节点提交的交易，在执行过程中遇到的数据，需要通过默克尔证明路径验证数据的有效性，执行完毕后，需要对执行产生的结果集与提案节点提交的进行比较，验证正确性；

验证节点将验证通过的新的子链区块进行广播，负责主链共识的节点将子链新提交的区块头作为一笔交易打包进新的区块存储于主链上。

Images