CN109872156A - 一种联盟链共识系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联盟链共识系统，包括：区块结构模块、区块存储模块及区块验证模块。本发明的共识系统及方法能够将随机分离出共识节点中a个节点作为验证节点，验证节点在每次新的区块产生的时候随机产生；验证节点仅负责验证，共识节点仅负责打包区块，将验证与打包区块功能分开，各节点各司其职，提升工作效率，同时又确保了系统能够及时发现错误并纠正。

Description

一种联盟链共识系统及方法

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，特别涉及一种联盟链共识系统及方法。

背景技术

区块链是一种去中心化的分布式账本系统，它可以用于登记和发行数字化资产、产权存证和信息追溯等。最早被提出的区块链参与形式被称为公有链，系统的结构完全去中心化，任何用户都能参与并获取链上存储的所有数据，但由于系统开放性的限制，用户的隐私和监督都存在不足，在个别领域的相关应用难以满足效率需求。因此私有链就随之应运而生，但私有链虽然能够解决以上的问题，如果仅仅由各个企业自己单独建立，那么还将是一个个信息孤岛。因此，以Hyperledger为代表的行业内部联盟链将会成为区块链在未来实体应用的主流方向。

共识机制是区块链核心模块，共识机制能保证在没有中心主体控制下，系统中的各参与方能够遵循相同记账规划，实现数据分布式的一致性。优秀的共识机制在保证系统的安全可控的情况下尽可能提升性能。但是由于区块链发展时间较短和当前社会主流目光还停留在比特币上，目前主流的共识机制主要面向公有链，联盟链共识机制相对较少。联盟链的共识机制在未来是区块链研究的一个重要方向。

目前针对联盟链提出的共识算法非常少，已知联盟链使用共识算法有以太坊测试网PoA共识机制和hyperledger的排序算法。但由于参与联盟链的节点都是信任节点，这些算法为了追求效率而放弃对区块的验证。但是如果一个共识完全忽视对区块的验证，那区块链应用的场景将大幅度减少。即便是对信任要求极高的联盟链，在理论上也存在出现恶意节点或者某节点被黑客操控的可能。

所以在实际联盟链系统设计中，为了保障信息安全往往在应用层增加多种加密措施。这样做费时费力，为系统设计添加不必要的研发成本，也阻碍了区块链服务实体的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种联盟链共识系统及方法，能够将随机分离出共识节点中a个节点作为验证节点，验证节点在每次新的区块产生的时候随机产生；验证节点仅负责验证，共识节点仅负责打包区块，将验证与打包区块功能分开，各节点各司其职，提升工作效率，同时又确保了系统能够及时发现错误并纠正。

为解决上述技术问题，本发明提供一种联盟链共识系统，包括：

一种联盟链共识系统，包括：区块结构模块、区块存储模块及区块验证模块。

可选的，所述区块结构模块至少由区块头、区块体、票数统计组成，所述区块头为一些相关信息片段组成的集合，区块的验证主要通过验证区块头的方式，是区块中最重要的部分；所述区块体由各个交易组成，需要包含交易全部内容所占空间最大：所述票数统计负责记录投票信息，在没有恶意节点的情况下该部分为0。

可选的，所述区块存储模块用于区块和交易等数据的存储，且在区块存储时将区块头和区块体分开存储。

可选的，所述区块验证模块用于验证节点，在验证新的区块时，仅验证其区块头，节点会从区块头的字段中取出认证节点的签名，利用椭圆曲线进行反解公钥信息，并且从公钥中截取出签发节点的地址，若该节点是共识节点，且该节点本轮拥有签名的权限，则认为该区块为合法区块；同时搜集这段时间的交易，通过验证确保区块内容正确，并将区块打入区块链账本。

本发明还包括一种联盟链共识方法，包括以下步骤：

在创始区块中指定一组初始授权的共识节点，在系统启动后共识节点加入或移除需要通过共识节点内部投票表决；

系统启动后，通过随机算法选出其中a个节点担任验证节点，剩余共识节点开始产生区块并签名广播；

共识节点通过优先级算法保证每一个即将产生的区块都有一个共识节点处于优先状况，该共识节点会优先广播区块，其他共识节点必须经过一段延迟才能广播即避免了系统分叉也防止节点宕机系统无法共识的情况，在每（N/2）+1个区块中节点最多只有其中一个区块最优先的权力，N为共识节点数量；

共识节点只有打包交易的权力，但最终写入区块链账本需要经过验证节点的验证。验证节点验证该区块是否合法，验证节点之间通过拜占庭容错机制决定区块是否合法，合法则写入区块链否则发起移除负责该区块的共识节点提案。

该提案通过广播的方式传给所有共识节点，所有共识节点对该提案进行投票，如果发现该节点是恶意节点则投赞成，否则投反对，若该提案超过50%的共识节点表示赞同，则移除该节点否则移除验证节点并且强制验证节点阻止的区块写入区块链账本。

写进区块链账本的区块除了验证节点的签名，也需要共识节点的签名，如果区块有投票通过的签名，则直接写入账本。

可见，本发明的共识系统及方法能够将随机分离出共识节点中a个节点作为验证节点，验证节点在每次新的区块产生的时候随机产生；验证节点仅负责验证，共识节点仅负责打包区块，将验证与打包区块功能分开，各节点各司其职，提升工作效率，同时又确保了系统能够及时发现错误并纠正。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明系统结构框图；

图2为本发明方法流程图；

图3为本发明区块结构模块示意图；

图4为本发明区块存储流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种联盟链共识系统及方法，能够将随机分离出共识节点中a个节点作为验证节点，验证节点在每次新的区块产生的时候随机产生；验证节点仅负责验证，共识节点仅负责打包区块，将验证与打包区块功能分开，各节点各司其职，提升工作效率，同时又确保了系统能够及时发现错误并纠正。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参考图1-4，本发明的一种联盟链共识系统包括区块结构模块、区块存储模块及区块验证模块。所述区块结构模块至少由区块头、区块体、票数统计组成，所述区块头为一些相关信息片段组成的集合，区块的验证主要通过验证区块头的方式，是区块中最重要的部分区块的验证主要通过验证区块头的方式，是区块中最重要的部分。其中，parentHash是指父区块头的Keccak256位哈希；stateRoot是指所有交易被执行完且区块定稿后的状态树（state trie）根节点的Keccak256位哈希；transactionsRoot是指由当前区块中所包含的所有交易所组成的树结构（transaction trie）根节点的Keccak256位哈希；receiptsRoot是指由当前区块中所有交易的收据所组成的树结构（receipt trie）根节点的Keccak256位哈希；priority是指区块优先级，值为1或者2，并且在同一个高度的区块，只有一个共识节点为2，2的优先级最高；number是指当前区块的祖先的数量，创世区块里这个数值为0；extraData是指存储当前共识节点集合的地址。所述区块体由各个交易组成，需要包含交易全部内容所占空间最大，其中From是指交易发起人地址；To是指交易接收人地址；Signature是指交易发起人签名；value是指交易内容；Nonce是指标志唯一性。所述票数统计负责记录投票信息，在没有恶意节点的情况下该部分为0，其中，From是指投票人地址；beneficiary是指被提名为共识节点的节点地址，在正常情况下为0，仅在投票时修改；VoteHash是指投票区块哈希；HV是指发起投票区块的高度；VoteType是指投票类型，加入或移除；Signature是指投票签名。可选的，所述区块存储模块用于区块和交易等数据的存储，且在区块存储时将区块头和区块体分开存储。LevelDB是google开源的KV（key-value，存储的数据都是kv的形式）单机数据库，即交易数据会以键值对方法存储在LevelDB中。其中，key一般与hash相关，value一般是要存储的数据结构的RLP编码，且区块存储时将区块头和区块体分开存储。对于区块头存储格式中key由区块头前缀、区块号（uint64大端格式）、区块hash构成，value是区块头的RLP编码。区块体的存储包括key由区块体前缀、区块号（uint64大端格式）、区块hash构成，value是区块体的RLP编码。Votes部分同理，三者通过key值的前缀进行区分。本文共识机制区块和交易等数据选择存储在levelDB数据库中。LevelDB是google开源的KV（key-value，存储的数据都是kv的形式）单机数据库，即交易数据会以键值对方法存储在LevelDB中。其中，key一般与hash相关，value一般是要存储的数据结构的RLP编码，且区块存储时将区块头和区块体分开存储。对于区块头存储格式中key由区块头前缀、区块号（uint64大端格式）、区块hash构成，value是区块头的RLP编码。区块体的存储包括key由区块体前缀、区块号（uint64大端格式）、区块hash构成，value是区块体的RLP编码。Votes部分同理，三者通过key值的前缀进行区分。所述区块验证模块用于验证节点，在验证新的区块时，仅验证其区块头，节点会从区块头的字段中取出认证节点的签名，利用椭圆曲线进行反解公钥信息，并且从公钥中截取出签发节点的地址，若该节点是共识节点，且该节点本轮拥有签名的权限，则认为该区块为合法区块；同时搜集这段时间的交易，通过验证确保区块内容正确，并将区块打入区块链账本。

本发明还包括一种联盟链共识方法，包括以下步骤：

在创始区块中指定一组初始授权的共识节点，在系统启动后共识节点加入或移除需要通过共识节点内部投票表决；

系统启动后，通过随机算法选出其中a个节点担任验证节点，剩余共识节点开始产生区块并签名广播；

共识节点通过优先级算法保证每一个即将产生的区块都有一个共识节点处于优先状况，该共识节点会优先广播区块，其他共识节点必须经过一段延迟才能广播即避免了系统分叉也防止节点宕机系统无法共识的情况，在每（N/2）+1个区块中节点最多只有其中一个区块最优先的权力，N为共识节点数量；

共识节点只有打包交易的权力，但最终写入区块链账本需要经过验证节点的验证。验证节点验证该区块是否合法，验证节点之间通过拜占庭容错机制决定区块是否合法，合法则写入区块链否则发起移除负责该区块的共识节点提案。

该提案通过广播的方式传给所有共识节点，所有共识节点对该提案进行投票，如果发现该节点是恶意节点则投赞成，否则投反对，若该提案超过50%的共识节点表示赞同，则移除该节点否则移除验证节点并且强制验证节点阻止的区块写入区块链账本。

写进区块链账本的区块除了验证节点的签名，也需要共识节点的签名，如果区块有投票通过的签名，则直接写入账本。

下面对本实施例及图中出现的名词进行说明：

区块链：分布式统一账本，由所有参与方共同决定记账内容，每个参与方都保存有 全量数据，任何个体无法对数据进行篡改。

共识：区块链专有名词。区块链上不存在单一的记账中心，账本是由全网共同记录的，这就出现一个问题，即如何确定一个交易是否合法。确定某交易是否合法以及某节点推荐的一个打包区块是否被大家认可的过程叫做共识。只有通过共识的区块才会被全网认可。

联盟链：与公有链相对，是区块链的一种。特点是具有准入制度，只有获得批准的参与方才能加入。对应的，联盟链中会有监管方和普通参与方两种角色。

区块链交易：或简称交易，特指参与方发出的一段信息并使用自己的私钥对其进行数字签名后发送到区块链上的内容。通常交易包括支付交易，或者智能合约创建、调用交易。

以上对本发明所提供的一种联盟链共识方法及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种联盟链共识系统，其特征在于，包括：区块结构模块、区块存储模块及区块验证模块。

2.根据权利要求1所述的一种联盟链共识系统，其特征在于，所述区块结构模块至少由区块头、区块体、票数统计组成，所述区块头为一些相关信息片段组成的集合，区块的验证主要通过验证区块头的方式，是区块中最重要的部分；所述区块体由各个交易组成，需要包含交易全部内容所占空间最大：所述票数统计负责记录投票信息，在没有恶意节点的情况下该部分为0。

3.根据权利要求1所述的一种联盟链共识系统，其特征在于，所述区块存储模块用于区块和交易等数据的存储，且在区块存储时将区块头和区块体分开存储。

4.根据权利要求1所述的一种联盟链共识系统，其特征在于，所述区块验证模块用于验证节点，在验证新的区块时，仅验证其区块头，节点会从区块头的字段中取出认证节点的签名，利用椭圆曲线进行反解公钥信息，并且从公钥中截取出签发节点的地址，若该节点是共识节点，且该节点本轮拥有签名的权限，则认为该区块为合法区块；同时搜集这段时间的交易，通过验证确保区块内容正确，并将区块打入区块链账本。

5.一种联盟链共识方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.在创始区块中指定一组初始授权的共识节点，在系统启动后共识节点加入或移除需要通过共识节点内部投票表决；

b.系统启动后，通过随机算法选出其中a个节点担任验证节点，剩余共识节点开始产生区块并签名广播；

c.共识节点通过优先级算法保证每一个即将产生的区块都有一个共识节点处于优先状况，该共识节点会优先广播区块，其他共识节点必须经过一段延迟才能广播即避免了系统分叉也防止节点宕机系统无法共识的情况，在每（N/2）+1个区块中节点最多只有其中一个区块最优先的权力，N为共识节点数量；

d.共识节点只有打包交易的权力，但最终写入区块链账本需要经过验证节点的验证，验证节点验证该区块是否合法，验证节点之间通过拜占庭容错机制决定区块是否合法，合法则写入区块链否则发起移除负责该区块的共识节点提案；

e.该提案通过广播的方式传给所有共识节点，所有共识节点对该提案进行投票，如果发现该节点是恶意节点则投赞成，否则投反对，若该提案超过50%的共识节点表示赞同，则移除该节点否则移除验证节点并且强制验证节点阻止的区块写入区块链账本；

f.写进区块链账本的区块除了验证节点的签名，也需要共识节点的签名，如果区块有投票通过的签名，则直接写入账本。