CN109547527A - 区块链中基于信誉机制的分区快速共识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种区块链中基于信誉机制的分区快速共识方法，其基本思想分为两个阶段：第一个阶段是将全球公有链中的大量节点划分成多个小的分区，在分区内部引入P2P技术中的信誉机制，采用Raft算法实现局部共识，可实现恶意节点的容错；第二个阶段是在分区之上再搭建一种全局覆盖网以实现整个公有链的共识；为方便节点之间的联系，还搭建了一个索引委员会，主要用于存储全链中的所有节点的联系方式与信誉值；所有节点均能够联系索引委员会找到其他节点来建立连接。

Description

区块链中基于信誉机制的分区快速共识方法

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，具体涉及一种区块链中基于信誉机制的分区快速共识方法。

背景技术

共识算法是区块链技术中的一个组成核心部分。在区块链中，互相不信任的节点通过预设机制最终达到数据的一致性称为共识。共识的本质就是多个节点对某个节点的数据或者多个数据的顺序达成一致，这里的节点可以是任意的计算机设备，这里的数据可以是交易数据，状态数据等。共识机制的目标是：1、所有诚实节点所保存的区块链前缀部分完全相同，也就是一致性。2、由诚实节点发布的消息终将被所有其他诚实节点记录到自己的区块链中，也就是有效性。

那么如何来评价一个共识机制的优劣：首先要看它的安全性，也就是能否有效防止二次支付或者私自挖矿的问题；其次就是扩展性，当系统成员和待确认交易数量增加时，所带来的系统负载和网络通信量的变化，通常以网络吞吐量来衡量。最后还要看每秒可以处理的交易数量，也就是性能效率以及资源消耗，也就是在达成共识的过程中，所要消耗的CPU、内存等计算资源。目前区块链中主要有以下四大类共识机制：Pow工作量证明机制、Pos权益证明机制、DPos股份授权证明机制和Pool验证池机制。

Pow工作量证明机制：就是大家熟悉的挖矿，所有节点通过与或运算，计算出一个满足规则的随机数，谁先算出结果即获得本次记账权，即可发出本轮需要记录的数据，全网其它节点共同验证后存储；其优点是完全去中心化，节点可自由进出；但缺点就是大家公认的浪费了大量的算力，目前bitcoin已经吸引全球大部分的算力，其它再用Pow共识机制的区块链应用已经很难获得相同的算力来保障自身的安全；由于挖矿造成了大量的计算资源浪费，基于Pow工作量证明的共识达成时间往往较长，不适合商业应用。

Pos权益证明机制：Pow的一种升级共识机制，根据每个节点所占代币的比例和时间，等比例的降低挖矿难度，从而加快寻找随机数的速度。其优点在于：在一定程度上缩短了共识达成的时间，但这种机制还是需要挖矿，而且共识的周期与参与节点的数目有关，本质上没有解决商业应用的痛点。

DPos股份授权证明机制：类似于董事会投票，持币者投出一定数量的节点，代理他们进行验证和记账。其优点在于大幅缩小参与验证和记账节点的数量，可以达到秒级的共识验证，但整个共识机制还是依赖于代币，很多商业应用是不需要代币存在的。

Pool验证池机制：基于传统的分布式一致性技术，再加上数据验证机制，是目前联盟链大范围在使用的共识机制。这种机制主要基于Pbft算法和Raft算法来实现，其中Pbft算法的主要思想是在客户端向主节点发送请求调用服务操作时，主节点通过广播将请求发送给其他副本，所有副本收到请求后都执行请求并将结果发回客户端，客户端需要等待f+1个不同副本节点发回相同的结果，并将此结果作为整个操作的最终结果。这个算法在保证活性和安全性(liveness&safety)的前提下提供了(n-1)/3的容错性。而Raft算法不考虑恶意节点的情况，主要思想是任意包含Leader的时刻，Leader拥有完全记账权。但leadership的一致性算法都有个通病，吞吐量受单个节点的限制，这点在Raft算法上体现尤甚。该机制的优点在于不需要代币也可以工作，在成熟的分布式一致性算法(Pbft、Raft)基础上，实现秒级共识验证；但其缺点是去中心化程度不强，更适合多方参与的多中心商业模式。

此外，区块链可以更细化的分为私有链、联盟链和公有链三种。私有链是指封闭生态的存储网络，所有节点都是可信任的，比如某大型集团内部多数公司。而联盟链是半封闭生态的交易网络，存在对等的不信任节点，如房地产行业A、B、C、D公司。公有链则是指开放生态的交易网络，这层主要是为行业链和私有链提供全球交易网络。由于私有链是封闭生态的存储网络，也就是说使用传统分布式一致性模型应该是最优的；其中Pow(比特币采用)和Pos是公有链常用的共识算法，而PBFT和Raft是联盟链和私有链常用的共识算法。因为相较于传统的Pow等，Pbft和Raft这种通过投票来达成共识的机制可以很好的解决包括分叉等问题的同时提升效率。但这仅仅适合于联盟链私有链，因为Pbft机制要求是一个封闭的集群，两两节点需要进行通信，通信量是O(n²)(通过优化可以减少通信量)，在公有链这种全球性的大环境下，既不符合封闭性的原则，同样无法达成这种巨大的通信量。虽然Raft机制的通信量为O(n)，但它不考虑恶意节点，无法用于公链环境。

发明内容

本发明针对区块链中公有链的共识机制的伸缩性不好，具有较大延迟等问题，提供一种区块链中基于信誉机制的分区快速共识方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

区块链中基于信誉机制的分区快速共识方法，具体包括步骤如下：

步骤1、构建索引委员会；在最初的构建阶段，索引委员会由拥有最初N个身份的节点构成；在周期性构建阶段，则由现有的索引委员会节点根据各节点的信誉值，在各分区中选择目前未担任任何角色的，且信誉值最高的节点构成；

步骤2、每个节点在加入网络或进行周期性分区时，由索引委员会随机给它分配一个标识，每个标识只属于某一个特定的分区委员会；某个分区委员会一旦完成构建，索引委员会向该分区的所有节点广播本分区的节点列表；

步骤3、分区委员会构建完成后，同一分区的节点之间发起第一轮验明正身的交互信息，通过信息的交互与确认建立连接，并根据确认消息的情况更新信誉值，遵守规则的正常行为信誉值加1，而反常行为使其信誉值减1；当分区在信誉值达成一致后进行更新并向索引委员会反馈本区节点的最新信誉值，并根据信誉值的高低选择分区委员会的领导节点和监察节点；

步骤4、每个节点的身份确立和分区委员会一旦构建完成，索引委员会根据信誉值的更新以及各分区的分布情况，随机在各分区的普通节点中选择N个信誉值最高的节点来实现全局的共识；

步骤5、在共识过程中，由领导节点负责在本分区执行Raft算法，普通节点在向领导节点发送确认信息时同时抄送一份给监察节点；由监察节点负责监督领导节点的行为并检查全区节点是否存在反常行为，一旦发现反常行为可向全区节点举报；全区节点验证并确认后实行惩罚，更新其信誉值，如果是领导节点则由监察节点替换领导节点；

步骤6、各分区达成共识后将结果发给全局覆盖网，覆盖网成员对于分区结果进行确认验证后合并得到全局结果，并在覆盖网中执行与局部共识类似的共识机制，达成一致后计算区块交易摘要并全网广播；

上述N为设定值。

上述步骤1中，在在最初的构建索引委员会阶段，当一个节点在工作量证明机制中找到一个有效解时，并且没有收到N个身份广播的话就全网广播自己的身份，直到完成索引委员会的构建。

上述步骤1中，在周期性构建索引委员会阶段，当完成下一轮的索引委员会构建之后，由旧索引委员会节点转发所有信息给新索引委员会节点，新索引委员会节点发起验明正身过程；一但在验明正身的过程中，发现节点具有反常行为，则直接踢出索引委员会，对该节点进行信誉值的惩罚并全网广播，之后再选择新节点加入，并再次发起验明正身过程，直到共识过程不存在反常行为。

上述步骤3中，信誉值最高的担任领导节点，信誉度次高的担任监察节点。

上述步骤3中，领导节点和监察节点的选举与替换要通知索引委员会更新。

所述验明正身的过程采用Raft算法来实现。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、提出一种基于分区的分层覆盖网框架，在分区内部完成局部共识，在分区之上设计了全局覆盖网可实现全局的快速共识，从而减少延迟。其中，各分区中的节点数目固定，分区数目随着全链数目的增加而增加，保证了算法的可伸缩性，打破了共识算法受制于节点数目的局限。

2、首次在区块链公有链中引入信誉机制，设计了一种适用于区块链中的信誉机制，主要思想是按照约定规则的正常行为可使信誉值+1，否则信誉值-1；当选为特殊节点时则奖励和惩罚加倍。

3、为保证区块链中的去中心化特征，各节点的分区具有随机性和周期性。为了方便各节点之间建立连接，设计了一种索引机制用来存储所有节点的联系方式与信誉值，以方便全链中任意节点之间建立连接和信誉值的查询。

4、基于信誉机制设计了一种可容错的Raft共识算法，可在各分区中快速完成共识验证，为保证算法的去中心化，改进了Raft算法的领导选举机制，限制了当选条件和设立了监察节点。

附图说明

图1为多层分区覆盖网的构建的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提出一种适用于区块链公有链的分区快速共识机制，其基本思想分为两个阶段：第一个阶段是将全球公有链中的大量节点划分成多个小的分区，在分区内部引入P2P技术中的信誉机制，采用Raft算法实现局部共识，可实现恶意节点的容错；第二个阶段是在分区之上再搭建一种全局覆盖网以实现整个公有链的共识；为方便节点之间的联系，还搭建了一个索引委员会，主要用于存储全链中的所有节点的联系方式与信誉值；所有节点均能够联系索引委员会找到其他节点来建立连接。

多层分区覆盖网的构建：如图1所示，将原来的公有链构建成多层的分区委员会形式，每个节点根据自己随机所分配得到的标识自动分配到某个分区委员会，分区委员会的节点数目固定为N，保证整个算法的可伸缩性；分区数目随着全链节点数目的增加而增长，每个分区可对部分交易达成局部共识；在分区委员会的基础之上搭建全局覆盖网，负责收集各分区的局部共识结果。为保证全网节点之间可进行联系，设计了索引委员会结构，存储了全网所有节点的联系地址和信誉值，以方便连接的建立和信誉值的查询与更新。

基于信誉机制的局部共识机制：针对Raft算法中不能容错的问题，引入P2P网络的信誉机制，基于信誉机制设计了一种可容错的快速共识算法。该机制的主要思想是遵循规则的行为可使信誉值+1，反常的行为则使得信誉值-1，以规范节点的行为。以信誉为基础，执行Raft共识算法，允许存在恶意或故障节点，优先选择信誉高的节点作为leader(领导节点)，以保证共识结果的正确性和快速性；此外，为实现区块链的去中心化，该算法具有周期性和轮流性。

全局共识机制：各分区委会员的共识结果提交给全局覆盖网，并对它们进行验证，将各分区的共识结果合并后在覆盖网内完成全局共识(共识过程与分区局部共识过程相似)，计算交易摘要后广播全网同步完成全局共识。该算法具有周期性，能够保证快速共识验证的同时，具有较好的容错性。

一种区块链中基于信誉机制的分区快速共识方法，其具体包括步骤如下：

步骤一：构建索引委员会。

在最初的构建阶段，每个节点需要选择自己的身份(ip地址与公钥)，为了让网络接受该身份，最初的N个节点需要提供一个相应的工作量证明机制的解决方案，索引委员会就是由拥有最初N个身份的节点构成。当一个节点在工作量证明机制中找到一个有效解时，并且没有收到N个身份广播的话就全网广播自己的身份，直到完成索引委员会的构建。其中N为设定值，比如200。

在周期性构建阶段，则由现有的索引委员会节点根据各节点的信誉值，在各分区中选择目前未担任leader、监察节点、覆盖网委员会节点等角色中信誉值最高的节点(该策略的目的主要是保证一个节点不能承担多个角色，也可以使得更多的诚实节点可以得到奖励翻倍的机会以提升信誉值)，选择节点的时候要保证各节点不能在同一个分区，以保证覆盖的范围更广。完成下一轮的索引委员会构建之后，由旧索引委员会节点转发所有信息给新索引委员会节点，新索引委员会执行Pbft(Practical Byzantine Fault Tolerance，实用拜占庭容错算法)完成“验明正身”，也就是信息的共识，主要包括全网所有节点的连接信息与信誉值，以及角色担任等信息。如果在“验明正身”过程中发现节点具有反常行为(发送虚假信息，或不回复确认等)，则直接踢出去，对该节点进行信誉值的惩罚并全网广播，然后选择新节点加入，并再次发起“验明正身”过程，直到共识过程不存在反常行为。该策略的目的主要是为了在索引委员会中排除出恶意节点。

步骤二：构建分区委员会。

每个节点在加入网络或进行周期性分区时，由索引委员会随机给它分配一个标识，每个标识只属于某一个特定的分区委员会。上述随机分配的过程可以通过均匀算法来保证信誉值的分布在每个分区中是均匀的。某个分区委员会一旦完成构建，索引委员会向该分区的所有节点广播本分区的节点列表，方便本分区之间的节点建立连接。

步骤三：建立信誉机制。

分区委员会构建完成后，同一分区的节点之间发起第一轮“验明正身”的交互信息，采用Pbft算法实现，通过信息的交互与确认建立连接，并根据确认消息的情况更新信誉值，遵守规则的正常行为信誉值+1，而反常行为使其信誉值-1；分区在信誉值达成一致后进行更新并向索引委员会反馈本区节点的最新信誉值。根据信誉值的高低选择分区委员会的leader和监察节点。其中信誉值最高的担任leader，信誉度次高的担任监察节点。Leader和监察节点的选举与替换要通知索引委员会更新。

节点典型行为对于信誉值的改变如下表1所示。当选为分区leader、分区监察节点、最终覆盖网成员、索引委员会节点期间的反常行为惩罚加倍。

表1节点信誉值改变的典型行为

需要说明的是，同一分区的节点之间是知道本分区的诚实节点信息，相互之间可以建立连接，发送虚假消息的恶意节点除外。但实际上恶意节点只能选择不响应其他节点的交互信息，从而否认在某个分区委员会的成员关系，然而这并不会使他们成为任何其他委员会的成员，反而会使其信誉值减分。

步骤四：构建全局覆盖网。

每个节点的身份确立和分区委员会一旦构建完成，为了完成全网的共识，需要搭建全局覆盖网。索引委员会根据信誉值的更新以及各分区的分布情况，随机在各分区的普通节点中选择N个信誉值最高的节点，以实现全局的共识算法。

步骤五：基于信誉机制的局部共识机制。在共识过程中，leader和监察节点收到的信息是同样的，由Leader负责在本分区执行Raft共识算法，普通节点在向leader发送确认信息时同时抄送一份给监察节点。由监察节点负责监督leader的行为并检查全区节点是否存在反常行为，一旦发现反常行为可向全区节点举报。全区节点验证并确认后实行惩罚，更新其信誉值，如果是leader则由监察节点替换leader。

步骤六：基于信誉机制的全局共识机制。

各分区达成共识后将结果发给全局覆盖网，覆盖网成员对于分区结果进行确认验证后合并得到全局结果，并在覆盖网中执行与局部共识类似的共识机制，达成一致后计算区块交易摘要并全网广播。

至此，整个共识过程就完成。为保证区块链的去中心化和公平性，该算法具有周期性，也就是索引委员会、分区委员会、全网覆盖网都会在不同的周期内更换，需要说明的是，后面周期更新的依据是节点信誉值的高低来进行，不再进行工作量证明计算，以免浪费大量的计算资源。此外，为避免一个节点长期担任leader的情况，可设置分区leader当选阈值，比如当选leader后3个周期内不能再担任leader等限制，以实现算法的去中心化和合理性。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (6)

1.区块链中基于信誉机制的分区快速共识方法，其特征是，具体包括步骤如下：

步骤1、构建索引委员会；在最初的构建阶段，索引委员会由拥有最初N个身份的节点构成；在周期性构建阶段，则由现有的索引委员会节点根据各节点的信誉值，在各分区中选择目前未担任任何角色的，且信誉值最高的节点构成；

步骤2、每个节点在加入网络或进行周期性分区时，由索引委员会随机给它分配一个标识，每个标识只属于某一个特定的分区委员会；某个分区委员会一旦完成构建，索引委员会向该分区的所有节点广播本分区的节点列表；

步骤3、分区委员会构建完成后，同一分区的节点之间发起第一轮验明正身的交互信息，通过信息的交互与确认建立连接，并根据确认消息的情况更新信誉值，遵守规则的正常行为信誉值加1，而反常行为使其信誉值减1；当分区在信誉值达成一致后进行更新并向索引委员会反馈本区节点的最新信誉值，并根据信誉值的高低选择分区委员会的领导节点和监察节点；

步骤4、每个节点的身份确立和分区委员会一旦构建完成，索引委员会根据信誉值的更新以及各分区的分布情况，随机在各分区的普通节点中选择N个信誉值最高的节点来实现全局的共识；

步骤5、在共识过程中，由领导节点负责在本分区执行Raft算法，普通节点在向领导节点发送确认信息时同时抄送一份给监察节点；由监察节点负责监督领导节点的行为并检查全区节点是否存在反常行为，一旦发现反常行为可向全区节点举报；全区节点验证并确认后实行惩罚，更新其信誉值，如果是领导节点则由监察节点替换领导节点；

步骤6、各分区达成共识后将结果发给全局覆盖网，覆盖网成员对于分区结果进行确认验证后合并得到全局结果，并在覆盖网中执行与局部共识类似的共识机制，达成一致后计算区块交易摘要并全网广播；

上述N为设定值。

2.根据权利要求1所述的区块链中基于信誉机制的分区快速共识方法，其特征是，步骤1中，在在最初的构建索引委员会阶段，当一个节点在工作量证明机制中找到一个有效解时，并且没有收到N个身份广播的话就全网广播自己的身份，直到完成索引委员会的构建。

3.根据权利要求1所述的区块链中基于信誉机制的分区快速共识方法，其特征是，步骤1中，在周期性构建索引委员会阶段，当完成下一轮的索引委员会构建之后，由旧索引委员会节点转发所有信息给新索引委员会节点，新索引委员会节点发起验明正身过程；一但在验明正身的过程中，发现节点具有反常行为，则直接踢出索引委员会，对该节点进行信誉值的惩罚并全网广播，之后再选择新节点加入，并再次发起验明正身过程，直到共识过程不存在反常行为。

4.根据权利要求1所述的区块链中基于信誉机制的分区快速共识方法，其特征是，步骤3中，信誉值最高的担任领导节点，信誉度次高的担任监察节点。

5.根据权利要求1所述的区块链中基于信誉机制的分区快速共识方法，其特征是，步骤3中，领导节点和监察节点的选举与替换要通知索引委员会更新。

6.根据权利要求1所述的区块链中基于信誉机制的分区快速共识方法，其特征是，所述验明正身的过程采用Raft算法来实现。