CN109919760A - 基于投票机制的拜占庭容错共识算法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于投票机制的拜占庭容错共识算法，包括如下步骤：S1、将网络中的节点划分为具有不同职责的多类节点；S2、确定所述多类节点之间的数量关系，并依据所述数量关系、根据节点数目的变化进行调整，适应动态变化的网络状况；S3、设网络中的所有节点都能够发生交易并转发验证交易数据，其中有效的交易数据均被放入交易池中；S4、从所述交易池中取出数据进行打包，生成数据块并进行验证；S5、节点依据S4中的信息完成对数据块的生产，若在预设时间内没有生成数据块，则返回S4步骤，直至完成数据块生成。本发明与现有技术相比，具有更低的能耗和时延、更高的容错性，以及一定的动态性和可靠性。

Description

基于投票机制的拜占庭容错共识算法

技术领域

本发明涉及一种对区块链的经典PBFT算法的改进研究，具体而言，涉及一种基于投票机制的拜占庭容错共识算法，属于区块链技术领域。

背景技术

共识算法是区块链(Blockchain)技术中的一个核心部分，它是构筑区块链信任特性的基础。在目前现有的共识算法中，Paxos算法和Raft算法都是较为经典的分布式一致性算法。但由于Paxos算法和Raft算法均是面向数据而不是面向交易的，因此其并未考虑到拜占庭问题、即没有考虑系统中存在恶意节点的情况，一旦系统内的恶意节点发送虚假消息，那么整个系统将会存储虚假错误的信息。为了解决上述拜占庭问题，PBFT算法被提出。PBFT算法通过大多数诚实节点来忽略掉恶意节点的消息，该算法能够容忍不超过(n-1)/3个节点失效(其中，n为节点总数)。但是PBFT算法所采用的是C/S架构，并不能适应P2P网络，无法动态感知节点数目的变化。

随着现如今计算机技术的不断进步，区块链技术得到了进一步地发展，一些新的共识算法也层出不穷，其证明方式越来越趋向于多样化和混合化。其中，动态授权拜占庭(Dynamic authorization of Byzantine Fault Tolerant,DDBFT)算法，将DPOS算法应用于PBFT算法，使得PBFT算法具有动态性的特点，同时也能够提高吞吐量、降低时延。但是由于网络带宽有限，需要确认的区块较大且超出一个节点的处理能力时，就会造成阻塞，降低吞吐量。联盟拜占庭容错(Consortium Byzantine Fault Tolerant,CBFT)算法，以PBFT算法为基础，通过区块缓存、区块同步与签名、节点变更实现，具有更高的吞吐量和较低的时延，但是其交易处理的效率和达成共识的效率等仍需要进一步提升。

综上所述，通过对已有算法的分析，尤其是分布式系统的共识算法，如PBFT算法、DDBFT算法、CBFT算法等的分析，如何针对这些共识算法的不足之处，提出一种新的改进算法，也就成为了目前业内研究人员亟待解决的问题。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种基于投票机制的拜占庭容错共识算法，包括如下步骤：

S1、将网络中的节点划分为具有不同职责的多类节点；

S2、确定所述多类节点之间的数量关系，并依据所述数量关系、根据节点数目的变化进行调整，适应动态变化的网络状况；

S3、设网络中的所有节点都能够发生交易并转发验证交易数据，其中有效的交易数据均被放入交易池中；

S4、从所述交易池中取出数据进行打包，生成数据块并进行验证；

S5、节点依据S4中的信息完成对数据块的生产，若在预设时间内没有生成数据块，则返回S4步骤，直至完成数据块生成。

优选地，S1具体包括如下步骤：

将网络中的节点划分为具有不同职责的四类节点，分别为投票节点、生产节点、候选节点以及普通节点。

优选地，所述普通节点经过实名认证成为投票节点；所述投票节点负责对候选节点投票以及对生产节点评分；所述生产节点由投票节点从候选节点中选出，负责生产数据块；所述候选节点由普通节点申请成为。

优选地，S2具体包括如下步骤：

S21、设所述普通节点的数目为No，所述候选节点的数目为Nc，所述生产节点的数目为Np、编号为{0,1,...,Np-1}，所述投票节点的数目为Nv，编号为{0,1,...,Nv-1}；

S22、计算整个网络中的节点总数Nall，Nall＝Nv+Np+Nc+No；

S23、设整个网络中每种类型节点的数目可变、节点总数可变，当节点数据发生动态变化时，系统根据预设公式对相应参数进行计算，并按照计算结果对系统进行调整。

优选地，S4具体包括如下步骤：

S41、准备阶段，生产节点从交易池取出一些交易数据进行打包，将生产数据块的请求以及所要生产的数据块广播发送给投票节点；

S42、确认阶段，投票节点收到请求后对收到的数据块进行验证，验证数据块没有被恶意篡改后，进行签名和加盖时间戳，广播回复确认消息及该数据块。

优选地，S41准备阶段具体包括如下步骤：

S413、设i＝R，R为随机数，由编号为i的生产节点从交易池取出部分交易数据进行打包，将生产数据块的请求以及所要生产的数据块广播发送给投票节点；

S414、设R包含在上一个生产节点生成的数据块中，若生产节点将要生产的数据块是创世块，则R为0。

优选地，S41准备阶段还包括如下步骤：

S411、确定随机数R，假设生产节点收到来自投票节点的K个签名，也即得到K个投票，设Signature[i](0≤i≤K,Nv/2<K≤Nv-1)，TimeStramp为时间戳，得到Rsource为

随后对Rsource进行哈希计算，取最后32位，化为整数后，即可得R，

R＝StrToInt(SubStrEnd32(Hash(Rsource)))mod Np；

S412、确定投票数K，假设在每一轮中每个投票节点投出K票，不考虑评分的影响，投票时随机的，且分别投给Nc个候选节点中的K个节点，则每个获选节点获得一票的概率相同，设为P1，

P1＝K/Nc，

每个候选节点获得X票的概率设为P2，

为保证投票结果有效，生产节点获得的投票数应超过Nv/2，因此设P3为获得多于Nv/2个投票的概率、即为成功被选为生产节点的概率，

由于Np个生产节点是从Nc个候选节点中选出的，则候选节点成功被选为生产节点的概率P4为，

P4＝Np/Nc，

当P3＝P4时，即可确定K的值。

优选地，S42确认阶段具体包括如下步骤：

S421、投票节点收到请求后对收到的数据块进行验证；

S422、投票节点在验证数据块没有被恶意篡改后，进行签名和加盖时间戳；

S423、投票节点广播回复确认消息及该数据块。

优选地，S5具体包括如下步骤：

生产节点在收到至少1+Nv/2个投票节点的确认消息后，生产该数据块。若在一定的时间内该生产节点没有生成数据块，则由编号为R+1的生产节点继续生成数据块，重复进行S41准备阶段。

优选地，在S2中，所述S23具体包括如下步骤：

S231、当网络中的节点数目发生动态变化时，系统根据S22中的公式调整No、Nc、Np、Nv这四项参数，并计算出网络中的节点总数；

S232、算法经过计算后，根据相应的参数以及计算结果，使用S411及S412中的公式计算相应的随机数R、投票数K；

S233、按照计算结果对系统中各项相应参数进行调整。

本发明的优点主要体现在以下几个方面：

本发明以PBFT算法为基础，引入了投票机制，将网络中的节点具体划分为四类，且不同身份的节点具有不同的职责，从而在一定程度上弱化了中心制。同时，本发明中的各类节点之间具有一定的数量关系，当网络中节点数目发生变动时，能够根据该数量关系进行相关参数的调整，无需重新启动系统，从而使得系统具备了一定的动态平衡功能，确保了算法的动态性和可拓展性。

总体而言，本发明与现有技术中的PBFT、DDBFT、CBFT等算法相比，具有更低的能耗和时延、更高的容错性，以及一定的动态性和可靠性。

此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于同领域内其他共识算法的相关技术方案中，具有十分广阔的应用前景。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1为本发明的主要流程示意图；

图2为本发明的算法模型示意图；

图3为本发明的算法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明。

如图1～图3所示，本发明揭示了一种基于投票机制的拜占庭容错共识算法，包括如下步骤：

S1、将网络中的节点划分为具有不同职责的多类节点。

S2、确定所述多类节点之间的数量关系，并依据所述数量关系、根据节点数目的变化进行调整，适应动态变化的网络状况。

S3、设网络中的所有节点都能够发生交易并转发验证交易数据，其中有效的交易数据均被放入交易池中。

S4、从所述交易池中取出数据进行打包，生成数据块并进行验证。

S5、节点依据S4中的信息完成对数据块的生产，若在预设时间内没有生成数据块，则返回S4步骤，直至完成数据块生成。

S1具体包括如下步骤：

将网络中的节点划分为具有不同职责的四类节点，分别为投票节点、生产节点、候选节点以及普通节点。

所述普通节点经过实名认证成为投票节点。

所述投票节点负责对候选节点投票以及对生产节点评分。

所述生产节点由投票节点从候选节点中选出，负责生产数据块。

所述候选节点由普通节点申请成为。

S2具体包括如下步骤：

S21、设所述普通节点的数目为No，所述候选节点的数目为Nc，所述生产节点的数目为Np、编号为{0,1,...,Np-1}，所述投票节点的数目为Nv，编号为{0,1,...,Nv-1}。

S22、计算整个网络中的节点总数Nall，Nall＝Nv+Np+Nc+No。

S23、设整个网络中每种类型节点的数目可变、节点总数可变，当节点数据发生动态变化时，系统根据预设公式对相应参数进行计算，并按照计算结果对系统进行调整。

此处所述S23具体包括如下步骤：

S231、当网络中的节点数目发生动态变化时，系统根据S22中的公式调整No、Nc、Np、Nv这四项参数，并计算出网络中的节点总数；

S232、算法经过计算后，根据相应的参数以及计算结果，并使用下文中S411及S412中的公式计算相应的随机数R、投票数K；

S233、按照计算结果对系统中各项相应参数进行调整。

经过相关的参数调整及计算，算法能够使系统在节点数目在发生变化时只需重新计算而不用重启。

S4包括如下两大步骤：

S41、准备阶段，生产节点从交易池取出一些交易数据进行打包，将生产数据块的请求以及所要生产的数据块广播发送给投票节点。

S42、确认阶段，投票节点收到请求后对收到的数据块进行验证，验证数据块没有被恶意篡改后，进行签名和加盖时间戳，广播回复确认消息及该数据块。

S41准备阶段具体包括如下步骤：

S411、确定随机数R，假设生产节点收到来自投票节点的K个签名，也即得到K个投票，设Signature[i](0≤i≤K,Nv/2<K≤Nv-1)，TimeStramp为时间戳，得到Rsource为

随后对Rsource进行哈希计算，取最后32位，化为整数后，即可得R，

R＝StrToInt(SubStrEnd32(Hash(Rsource)))mod Np。

S412、确定投票数K，假设在每一轮中每个投票节点投出K票，不考虑评分的影响，投票时随机的，且分别投给Nc个候选节点中的K个节点，则每个获选节点获得一票的概率相同，设为P1，

P1＝K/Nc，

每个候选节点获得X票的概率设为P2，

为保证投票结果有效，生产节点获得的投票数应超过Nv/2，因此设P3为获得多于Nv/2个投票的概率、即为成功被选为生产节点的概率，

由于Np个生产节点是从Nc个候选节点中选出的，则候选节点成功被选为生产节点的概率P4为，

P4＝Np/Nc，

当P3＝P4时，即可确定K的值。

S413、设i＝R，R为随机数，由编号为i的生产节点从交易池取出部分交易数据进行打包，将生产数据块的请求以及所要生产的数据块广播发送给投票节点。

S414、设R包含在上一个生产节点生成的数据块中，若生产节点将要生产的数据块是创世块，则R为0。

S42确认阶段具体包括如下步骤：

S421、投票节点收到请求后对收到的数据块进行验证。

S422、投票节点在验证数据块没有被恶意篡改后，进行签名和加盖时间戳。

S423、投票节点广播回复确认消息及该数据块。

S5具体包括如下步骤：

生产节点在收到至少1+Nv/2个投票节点的确认消息后，生产该数据块。若在一定的时间内该生产节点没有生成数据块，则由编号为R+1的生产节点继续生成数据块，重复进行S41准备阶段。

本发明以PBFT算法为基础，引入了投票机制，将网络中的节点具体划分为四类，且不同身份的节点具有不同的职责，从而在一定程度上弱化了中心制。同时，本发明中的各类节点之间具有一定的数量关系，当网络中节点数目发生变动时，能够根据该数量关系进行相关参数的调整，无需重新启动系统，从而使得系统具备了一定的动态平衡功能，确保了算法的动态性和可拓展性。

总体而言，本发明与现有技术中的PBFT、DDBFT、CBFT等算法相比，具有更低的能耗和时延、更高的容错性，以及一定的动态性和可靠性。

此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于同领域内其他共识算法的相关技术方案中，具有十分广阔的应用前景。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于投票机制的拜占庭容错共识算法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将网络中的节点划分为具有不同职责的多类节点；

S2、确定所述多类节点之间的数量关系，并依据所述数量关系、根据节点数目的变化进行调整，适应动态变化的网络状况；

S3、设网络中的所有节点都能够发生交易并转发验证交易数据，其中有效的交易数据均被放入交易池中；

S4、从所述交易池中取出数据进行打包，生成数据块并进行验证；

S5、节点依据S4中的信息完成对数据块的生产，若在预设时间内没有生成数据块，则返回S4步骤，直至完成数据块生成。

2.根据权利要求1所述的基于投票机制的拜占庭容错共识算法，其特征在于，S1具体包括如下步骤：

将网络中的节点划分为具有不同职责的四类节点，分别为投票节点、生产节点、候选节点以及普通节点。

3.根据权利要求2所述的基于投票机制的拜占庭容错共识算法，其特征在于：

所述普通节点经过实名认证成为投票节点；

所述投票节点负责对候选节点投票以及对生产节点评分；

所述生产节点由投票节点从候选节点中选出，负责生产数据块；

所述候选节点由普通节点申请成为。

4.根据权利要求2所述的基于投票机制的拜占庭容错共识算法，其特征在于，S2具体包括如下步骤：

S21、设所述普通节点的数目为No，所述候选节点的数目为Nc，所述生产节点的数目为Np、编号为{0,1,...,Np-1}，所述投票节点的数目为Nv，编号为{0,1,...,Nv-1}；

S22、计算整个网络中的节点总数Nall，Nall＝Nv+Np+Nc+No；

S23、设整个网络中每种类型节点的数目可变、节点总数可变，当节点数据发生动态变化时，系统根据预设公式对相应参数进行计算，并按照计算结果对系统进行调整。

5.根据权利要求4所述的基于投票机制的拜占庭容错共识算法，其特征在于，S4具体包括如下步骤：

S41、准备阶段，生产节点从交易池取出一些交易数据进行打包，将生产数据块的请求以及所要生产的数据块广播发送给投票节点；

S42、确认阶段，投票节点收到请求后对收到的数据块进行验证，验证数据块没有被恶意篡改后，进行签名和加盖时间戳，广播回复确认消息及该数据块。

6.根据权利要求5所述的基于投票机制的拜占庭容错共识算法，其特征在于，S41准备阶段具体包括如下步骤：

S413、设i＝R，R为随机数，由编号为i的生产节点从交易池取出部分交易数据进行打包，将生产数据块的请求以及所要生产的数据块广播发送给投票节点；

S414、设R包含在上一个生产节点生成的数据块中，若生产节点将要生产的数据块是创世块，则R为0。

7.根据权利要求6所述的基于投票机制的拜占庭容错共识算法，其特征在于，S41准备阶段还包括如下步骤：

S411、确定随机数R，假设生产节点收到来自投票节点的K个签名，也即得到K个投票，设Signature[i](0≤i≤K,Nv/2<K≤Nv-1)，TimeStramp为时间戳，得到Rsource为

随后对Rsource进行哈希计算，取最后32位，化为整数后，即可得R，

R＝StrToInt(SubStrEnd32(Hash(Rsource)))mod Np；

S412、确定投票数K，假设在每一轮中每个投票节点投出K票，不考虑评分的影响，投票时随机的，且分别投给Nc个候选节点中的K个节点，则每个获选节点获得一票的概率相同，设为P1，

P1＝K/Nc，

每个候选节点获得X票的概率设为P2，

为保证投票结果有效，生产节点获得的投票数应超过Nv/2，因此设P3为获得多于Nv/2个投票的概率、即为成功被选为生产节点的概率，

由于Np个生产节点是从Nc个候选节点中选出的，则候选节点成功被选为生产节点的概率P4为，

P4＝Np/Nc，

当P3＝P4时，即可确定K的值。

8.根据权利要求5所述的基于投票机制的拜占庭容错共识算法，其特征在于，S42确认阶段具体包括如下步骤：

S421、投票节点收到请求后对收到的数据块进行验证；

S422、投票节点在验证数据块没有被恶意篡改后，进行签名和加盖时间戳；

S423、投票节点广播回复确认消息及该数据块。

9.根据权利要求6所述的基于投票机制的拜占庭容错共识算法，其特征在于，S5具体包括如下步骤：

生产节点在收到至少1+Nv/2个投票节点的确认消息后，生产该数据块。若在一定的时间内该生产节点没有生成数据块，则由编号为R+1的生产节点继续生成数据块，重复进行S41准备阶段。

10.根据权利要求7所述的基于投票机制的拜占庭容错共识算法，其特征在于，在S2中，所述S23具体包括如下步骤：

S231、当网络中的节点数目发生动态变化时，系统根据S22中的公式调整No、Nc、Np、Nv这四项参数，并计算出网络中的节点总数；

S232、算法经过计算后，根据相应的参数以及计算结果，使用S411及S412中的公式计算相应的随机数R、投票数K；

S233、按照计算结果对系统中各项相应参数进行调整。