CN109978516A - 区块链网络中区块的制造和同步方法、信息数据处理终端 - Google Patents

Abstract

本发明属于区块链分布式技术领域，公开了一种区块链网络中区块的制造和同步方法、信息数据处理终端，时间片开始服务超时追随节点转换状态成为候选节点；候选节点向其他节点索取投票；其他追随节点验证候选节点是否符合要求并返回结果；候选节点收集投票直到符合一定数量；完成投票产生新的领导节点，向其他节点发送带有各节点签名的投票消息；其他节点完成验证，其他候选节点转换为追随节点；领导节点收集网络中的交易消息，配合前一块哈希值、时间戳等数据生成新区块发送给追随节点；追随节点对新区块进行验证，通过后将发送广播消息确认；各节点收集由其他节点广播的确认消息，满足法定数量后进行区块提交。本发明很大程度上提高了处理效率。

Description

区块链网络中区块的制造和同步方法、信息数据处理终端

技术领域

本发明属于区块链分布式技术领域，尤其涉及一种区块链网络中区块的制造和同步方法、信息数据处理终端。

背景技术

目前，最接近的现有技术：当前对区块链技术的定义是：区块链是按照类似链表形式组织区块数据的时序数据结构，通过使用散列函数而带有不可篡改性和不可伪造性的分布式账本，能够安全存储具有一定格式的、时间上有先后关系的、能在系统内进行验证的数据。区块链技术在金融领域得到相对广泛的应用，同时在医疗、物联网、物流等方面逐渐推广。

共识算法作为区块链技术的重要组成部分，其应用表现的优劣直接关系到区块链网络的稳定和安全。目前，最接近的现有技术：工作量证明共识算法PoW，其核心机制通过要求参与节点完成一些复杂运算，寻找符合要求的答案，以此耗费的时间、设备与能源作为担保成本来确保区块链网络的正常运行，但在依靠巨大算力保证区块链网络安全性的同时，由于其算法依靠巨大算力保证区块链网络安全运行，一体两面带来的问题。也带来耗能巨大并且系统效率低下问题，改变算力竞争过程将大大提高区块链网络的处理效率，减少电力资源的消耗。权益证明PoS是在工作量证明PoW的基础之上提出的另一种共识算法，通过股权证明替换工作量证明机制来弥补上述的缺点，简单的解释股权证明即为参与者通过证明手中持有相关代币的多少来进行竞争，但在该机制下整个网络将会依靠少数几个持有代币数量多的节点，增加了整个网络的中心化程度。实用拜占庭容错算法PBFT是一种基于消息传递的分布式一致性算法，应用于存在拜占庭将军问题的网络环境中，主要解决分布式集群一致性的问题，并将原有的容错算法算法复杂度由指数级降低到多项式级，由于其设计原因存在网络扩展性差的问题，就是设计的原因，没解决是因为算法前提就是网络节点数量固定；但由于其设计的原因存在网络扩展性差的问题，难以应用于公共网络中。另一种分布式存储一致性共识算法Paxos，是一种基于消息传递且具有高度容错性的一致性算法，但由于其设计的复杂程度以及高昂的学习成本而没有被直接使用于生产环境之中，可通过弱化某些特征来降低应用难度。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有区块链共识算法存在处理效率低、耗能巨大、网络扩展性差、存在中心化趋势以及难理解难应用。

解决上述技术问题的难度：为了提高处理效率以及避免额外消耗资源，需要设计新的竞争机制，不再使用证明类的机制，将最大程度上的提高算法性能，并降低耗能。

解决上述技术问题的意义：在新的竞争机制之上，保持参与节点的对等性，避免造成中心化趋势；根据应用环境需要，在网络存在一定数量的恶意节点，即该类节点将会篡改重放通信消息，在该类情况下保证正常节点的一致性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种区块链网络中区块的制造和同步方法、信息数据处理终端。

本发明是这样实现的，一种区块链网络中区块的制造和同步方法，所述区块链网络中区块的制造和同步方法包括：时间片开始服务超时追随节点转换状态成为候选节点；候选节点向其他节点索取投票；其他追随节点验证候选节点是否符合要求并返回结果；候选节点收集投票直到符合一定数量；完成投票产生新的领导节点，向其他节点发送带有各节点签名的投票消息；其他节点完成验证，其他候选节点转换为追随节点；领导节点收集网络中的交易消息，配合前一块哈希值、时间戳等数据生成新区块发送给追随节点；追随节点对新区块进行验证，通过后将发送广播消息确认；各节点收集由其他节点广播的确认消息，满足法定数量后进行区块提交。

进一步，所述区块链网络中区块的制造和同步方法具体包括：

步骤一，任期开始各节点初始均为追随节点，等待随机区间的服务超时过后自动转换为候选节点；任期号加一，将包含任期号和自身所提交的最新区块信息的请求投票消息发送给其他节点；

步骤二，其他追随节点验证请求投票信息；如果任期号大于自身的任期号，以及所提交的最新区块不旧于自身所提交的最后区块，将返回成功和经过私钥签名的投票消息，否则返回失败和自身任期号和最后区块信息；其他候选节点进行同样处理，验证成功操作附加自身状态转换为追随节点，失败则继续保持候选节点的状态；

候选节点将保持该状态直到：1)收集到足够的投票，赢得选举成为领导节点；2)其他候选节点成为领导节点，自身转换状态成为追随节点；3)本次选举投票被瓜分，没有胜出者，随机开始新的竞选；

步骤三，新当选的领导节点将在一段时间内重复发送带有证明其胜出的包含所有投票的消息；其他节点收到该消息之后进行验证，验证通过则确认其领导节点的身份，将自身的任期号加一，开始新的任期；

步骤四，领导节点将一段时间内收集到的经过验证的交易消息进行打包，生成块体；添加前一区块哈希值，区块高度，任期号，领导节点ID，时间戳，块体哈希等字段组成区块头；

领导节点将新生成的区块发送给其他节点，其他节点收到新区块后进行验证；块体中的交易是否合法，块头中各字段消息是否正确，验证通过后广播返回消息；该消息包含该区块的高度，该区块的哈希值，该节点的ID，以及该节点的私钥签名；验证失败则不做任何操作；

步骤五，每一个跟随节点完成步骤四中的工作；然后尝试收集其他节点广播的返回消息，一旦收集到满足约定数目的返回消息，就认为多数节点已经获得并验证通过该区块，可以进行提交；即将该区块添加到本地维护的区块链上，写入磁盘，更新已最新提交区块的信息；

领导节点收集到足够的返回消息之后，完成与其他节点相同的工作，提交新区块并且更新信息；

步骤六，领导节点和其它节点将重复步骤五到步骤八，为客户端提供区块链服务；当领导节点发生故障时，其他节点无法在限定时间内获得任何来自领导节点的消息时，则认为服务超时，跳转步骤一。

进一步，所述步骤一的任期即为时间片，每个任期对应一个领导节点，一个领导节点可以对应多个任期；任期号为自增整数，表示任期之间的先后关系，一个任期号对应一个任期；所述步骤一的服务超时在每一个节点上都不一定相同，设定值为一个区间。

进一步，所述步骤四的区块链的块高度是指区块链中最新的区块的序号；区块链中每一区块都对应一个序号，序号表示区块在链中的顺序关系，新产生的区块的序号将在前一块的基础上加一，不断递增的序号较为形象的表示区块链的长度或者说高度；所述步骤四的交易是区块链网络中按照交易双方的需求生成包含软件协议版本、时间、消息大小、源地址、目标地址、交易数额、以及对应哈希值的交易消息；通过交易验证则是节点对一条交易消息的上述内容进行语法语义验证，语法验证是指该交易消息的格式是否正确，语义验证则对该交易消息所包含的内容合法性进行验证；节点在验证通过一条交易消息后，将会向其他节点转发该条交易。

进一步，所述步骤四和步骤五中的工作为异步的，即领导节点生成区块发送给其他节点之后，不会等待该区块提交后再生成新的区块，而是接着生成新的区块；同样，跟随节点在发送返回消息之后也不会一直等待提交该区块，继续接收验证新的区块，当收集到足够的来自其他节点的返回消息后，再提交该区块。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述区块链网络中区块的制造和同步方法的区块链网络信息处理系统。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述区块链网络中区块的制造和同步方法的区块链信息数据处理终端。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：以应用范围最为广泛的工作量证明PoW共识机制为例，采用PoW共识算法的比特币，交易确认延时间为60分钟，每秒处理交易数量为6笔；采用PoW共识算法的以太坊交易确认时间为15秒，每秒处理交易数量为约为20笔。本发明引入主从模型，从时间上划分为一个个任期，将区块的生成任务交给领导节点，验证和提交任务交给追随节点，很大程度上提高了处理效率。在完成配置的五节点实验环境中，单位时间内处理交易数量可达9000笔，并且区块提交延时为秒级。

附图说明

图1是本发明实施例提供的区块链网络中区块的制造和同步方法流程图。

图2是本发明实施例提供的区块链网络中区块的制造和同步方法实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明包括服务超时发起投票；投票产生领导节点；确认领导节点身份；领导节点生成并发送新区块；其他节点验证新区块；所有节点收集验证消息；提交新区块；领导节点服务超时结束。可应用于运行Windows或类Unix操作系统的各类服务器、个人电脑之上。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的区块链网络中区块的制造和同步方法包括以下步骤：

S101：服务超时；发起投票；投票产生领导节点；确认领导节点身份；

S102：领导节点生成并发送新区块；其他节点验证新区块；

S103：所有节点收集验证消息；提交新区块；领导节点服务超时结束。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的区块链网络中区块的制造和同步方法具体包括以下步骤：

步骤一：服务超时成为候选节点发起投票；

任期开始各节点初始均为追随节点，等待随机区间的服务超时过后自动转换为候选节点，任期号加一，将包含任期号和自身所提交的最新区块信息的请求投票消息发送给其他节点。

步骤二：是否获得足够数量的投票；

其他追随节点验证请求投票信息，如果任期号大于自身的任期号，以及所提交的最新区块不旧于自身所提交的最后区块，将返回成功和经过私钥签名的投票消息，否则返回失败和自身任期号和最后区块信息；其他候选节点进行同样处理，验证成功操作附加自身状态转换为追随节点，失败则继续保持候选节点的状态。候选节点将保持该状态直到：1)收集到足够的投票，赢得选举成为领导节点；2)其他候选节点成为领导节点，自身转换状态成为追随节点；3)本次选举投票被瓜分，没有胜出者，随机开始新的竞选。

步骤三：成为领导节点发送证明；跟随节点进行验证确认领导；

新当选的领导节点将在一段时间内重复发送带有可以证明其胜出的包含所有投票的消息，其他节点收到该消息之后进行验证，验证通过则确认其领导节点的身份，将自身的任期号加一，开始新的任期。

步骤四：生成新区块发送给其他节点；区块通过验证发送确认消息；

领导节点将新生成的区块发送给其他节点，其他节点收到新区块后进行验证，块体中的交易是否合法，块头中各字段消息是否正确，验证通过后广播返回消息，该消息包含该区块的高度，该区块的哈希值，该节点的ID，以及该节点的私钥签名；验证失败则不做任何操作。

步骤五：收集确认信息完成提交；

每一个跟随节点完成上一步骤的工作，然后尝试收集其他节点广播的返回消息，一旦收集到满足约定数目的返回消息，就认为多数节点已经获得并验证通过该区块，可以进行提交，即将该区块添加到本地维护的区块链上，写入磁盘，更新已最新提交区块的信息。

步骤六：是否服务超时；

领导节点和其它节点将重复步骤四和步骤五，为客户端提供区块链服务。当领导节点发生故障时，其他节点无法在限定时间内获得任何来自领导节点的消息时，则认为服务超时，跳转步骤一。

下面结合测试对本发明的应用效果作详细的描述。

本发明在完成实现的同时，进行了初步的性能测试，具体测试情况如下：

表1测试环境参数

测试内容：

性能测试，模拟运行5节点网络，模拟生成大量交易，根据所有节点最后同步完成时间来计算本发明的性能。

测试结果：

表2性能测试结果

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种区块链网络中区块的制造和同步方法，其特征在于，所述区块链网络中区块的制造和同步方法包括：时间片开始服务超时追随节点转换状态成为候选节点；候选节点向其他节点索取投票；其他追随节点验证候选节点是否符合要求并返回结果；候选节点收集投票直到符合一定数量；完成投票产生新的领导节点，向其他节点发送带有各节点签名的投票消息；其他节点完成验证，其他候选节点转换为追随节点；领导节点收集网络中的交易消息，配合前一块哈希值、时间戳等数据生成新区块发送给追随节点；追随节点对新区块进行验证，通过后将发送广播消息确认；各节点收集由其他节点广播的确认消息，满足法定数量后进行区块提交。

2.如权利要求1所述的区块链网络中区块的制造和同步方法，其特征在于，所述区块链网络中区块的制造和同步方法具体包括：

步骤一，任期开始各节点初始均为追随节点，等待随机区间的服务超时过后自动转换为候选节点；任期号加一，将包含任期号和自身所提交的最新区块信息的请求投票消息发送给其他节点；

步骤二，其他追随节点验证请求投票信息；如果任期号大于自身的任期号，以及所提交的最新区块不旧于自身所提交的最后区块，将返回成功和经过私钥签名的投票消息，否则返回失败和自身任期号和最后区块信息；其他候选节点进行同样处理，验证成功操作附加自身状态转换为追随节点，失败则继续保持候选节点的状态；

候选节点将保持该状态直到：1)收集到足够的投票，赢得选举成为领导节点；2)其他候选节点成为领导节点，自身转换状态成为追随节点；3)本次选举投票被瓜分，没有胜出者，随机开始新的竞选；

步骤三，新当选的领导节点将在一段时间内重复发送带有证明其胜出的包含所有投票的消息；其他节点收到该消息之后进行验证，验证通过则确认其领导节点的身份，将自身的任期号加一，开始新的任期；

步骤四，领导节点将一段时间内收集到的经过验证的交易消息进行打包，生成块体；添加前一区块哈希值，区块高度，任期号，领导节点ID，时间戳，块体哈希等字段组成区块头；

领导节点将新生成的区块发送给其他节点，其他节点收到新区块后进行验证；块体中的交易是否合法，块头中各字段消息是否正确，验证通过后广播返回消息；该消息包含该区块的高度，该区块的哈希值，该节点的ID，以及该节点的私钥签名；验证失败则不做任何操作；

步骤五，每一个跟随节点完成步骤四中的工作；然后尝试收集其他节点广播的返回消息，一旦收集到满足约定数目的返回消息，就认为多数节点已经获得并验证通过该区块，可以进行提交；即将该区块添加到本地维护的区块链上，写入磁盘，更新已最新提交区块的信息；

领导节点收集到足够的返回消息之后，完成与其他节点相同的工作，提交新区块并且更新信息；

步骤六，领导节点和其它节点将重复步骤五到步骤八，为客户端提供区块链服务；当领导节点发生故障时，其他节点无法在限定时间内获得任何来自领导节点的消息时，则认为服务超时，跳转步骤一。

3.如权利要求2所述的区块链网络中区块的制造和同步方法，其特征在于，所述步骤一的任期即为时间片，每个任期对应一个领导节点，一个领导节点可以对应多个任期；任期号为自增整数，表示任期之间的先后关系，一个任期号对应一个任期；所述步骤一的服务超时在每一个节点上都不一定相同，设定值为一个区间。

4.如权利要求2所述的区块链网络中区块的制造和同步方法，其特征在于，所述步骤四的区块链的块高度是指区块链中最新的区块的序号；区块链中每一区块都对应一个序号，序号表示区块在链中的顺序关系，新产生的区块的序号将在前一块的基础上加一，不断递增的序号较为形象的表示区块链的长度或者说高度；所述步骤四的交易是区块链网络中按照交易双方的需求生成包含软件协议版本、时间、消息大小、源地址、目标地址、交易数额、以及对应哈希值的交易消息；通过交易验证则是节点对一条交易消息的上述内容进行语法语义验证，语法验证是指该交易消息的格式是否正确，语义验证则对该交易消息所包含的内容合法性进行验证；节点在验证通过一条交易消息后，将会向其他节点转发该条交易。

5.如权利要求1所述的区块链网络中区块的制造和同步方法，其特征在于，所述步骤四和步骤五中的工作为异步的，即领导节点生成区块发送给其他节点之后，不会等待该区块提交后再生成新的区块，而是接着生成新的区块；同样，跟随节点在发送返回消息之后也不会一直等待提交该区块，继续接收验证新的区块，当收集到足够的来自其他节点的返回消息后，再提交该区块。

6.一种应用权利要求1～5任意一项所述区块链网络中区块的制造和同步方法的区块链网络信息处理系统。

7.一种应用权利要求1～5任意一项所述区块链网络中区块的制造和同步方法的区块链信息数据处理终端。