CN110213038A - 一种基于vrf的权益随机共识方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一种基于VRF的权益随机共识方法及系统，所述方法包括：基于创世区块中的种子参数、最新的已有区块的区块哈希值和已有的BeconHash，计算新的BeconHash；基于新的BeconHash生成打块节点序列和验证节点序列；基于打块节点序列从网络节点分布序列中筛选出打块节点；基于验证节点序列从网络节点分布序列中筛选出验证节点；基于打块节点和验证节点生成区块并达成共识。本发明可以提供一种区块链的安全可靠、随机性强且每轮只有部分节点参与共识的高效的共识方法。

Description

一种基于VRF的权益随机共识方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机技术，特别是涉及一种基于VRF的权益随机共识方法及系统。

背景技术

区块链是一种关于信任的互联网协议和技术的结合，目的是构建一种分布式部署并且实时同步的系统，其中的数据只可以添加而不能篡改，同时允许多方根据共识机制参与数据的建立和维护，保证链上的每个有效用户具备完全一致的数据。

而实现这种分布式部署的一个核心问题就是不同用户之中的共识算法，常见的共识算法包括工作量证明POW、权益证明POS、委托权益证明DPOS、实用拜占庭容错PBFT和一致性共识算法等。但是无论是哪种共识算法，始终无法真正解决区块链的可扩展性、去中心化和安全性之间难以兼顾的矛盾。为了保证去中心化的特性以及高安全的要求，节点之间需要进行复杂的共识算法，占用大量的资源，严重影响区块链的出块效率，也即可扩展性。

发明内容

基于此，有必要针对出场效率低下的问题，提供一种基于VRF的权益随机共识方法及系统。

一种基于VRF的权益随机共识方法，所述方法包括：

基于创世区块中的种子参数、最新的已有区块的区块哈希值和已有的BeconHash，计算新的BeconHash；

基于新的BeconHash生成打块节点序列和验证节点序列；

基于打块节点序列从网络节点分布序列中筛选出打块节点；

基于验证节点序列对网络节点分布序列中筛选出验证节点；

基于打块节点和验证节点生成区块并达成共识。

在其中一个实施例中，所述基于打块节点序列从网络节点分布序列中筛选出打块节点，包括：

如果所述网络分布序列的节点根据自己的索引值查询对应在打块节点序列上的对应位的值为1，则作为打块节点；

所述索引值表示节点在网络分布序列节点中的位置。

在其中一个实施例中，所述基于验证节点序列对网络节点分布序列中筛选出验证节点，包括：

如果所述网络分布序列的节点根据自己的索引值查询对应在验证节点序列上的对应值的值为1，则作为验证节点；

所述索引值表示节点在网络分布序列节点中的位置。

在其中一个实施例中，所述网络节点分布序列中的多个节点可以同时属于同一个用户，所述拥有多个节点的用户为超级节点，每个超级节点依据自己资产的数量等信息计算权益值，根据权益值大小持有对应数目的节点，每个节点在网络节点分布序列中占据一个位置，并拥有对应的索引值。

在其中一个实施例中，所述新的BeconHash序列的长度与网络节点分布序列的长度相等。

在其中一个实施例中，所述基于新的BeconHash生成打块节点序列和验证节点序列，包括：

将所述新的BeconHash从中间均分为两个序列BHLeft和BHRight；

对BHLeft按位取反，得到BHLeftR；

对BHRight按位取反，得到BHRightR；

连接BHLeft和BHLeftR，得到BHLeft||BHLeftR作为预备打块节点序列；

预备打块节点序列BHLeft||BHLeftR与网络节点分布序列做与运算，得到打块节点序列；

连接BHRight和BHRightR，得到预备验证节点序列BHRight||BHRightR；

将预备验证节点序列BHRight||BHRightR与网络节点分布序列做与运算，再与打块节点序列的取反做与运算，得到验证节点序列。

在其中一个实施例中，所述打块节点序列或验证节点序列中的节点数目大于或等于对应总节点数目的三分之一。

在其中一个实施例中，所述筛选出打块节点之后，所述方法还包括：

计算每个所述打块节点的等待时间，所述等待时间为对应打块节点进行打块的等待时间；

每个所述打块节点根据对应的等待时间，依照等待时间的长度依次打块。

如果一个打块节点没有在等待时间内生成区块或者生成的区块未被接受，则根据等待时间直接对下一个打块节点生成的区块进行共识；

当时间超过了已选出的所有打块节点的等待时间后，计算新的BeconHash并进行新的一轮随机选举。

在其中一个实施例中，所述计算每个所述打块节点的等待时间，包括：

计算本轮的标准等待时间；

每个打块节点根据本节点的索引值、预设的出块等待超时时长和出块时长常量计算本节点本轮的等待时间。

在其中一个实施例中，所述筛选出验证节点之后，所述方法还包括：

生成区块后，验证节点运行实用拜占庭容错算法实用拜占庭容错算法进行判断，当判断出该区块被超过三分之二的验证节点确认后，该区块被接受。

在其中一个实施例中，所述基于创世区块中的种子参数、最新的已有区块的区块哈希值和已有的BeconHash，计算新的BeconHash之前，所述方法还包括：

通过二进制序列记录所有节点，序列中每一个值为1的位代表一个已有的节点，根据这一位在整个网络节点分布序列中的位置，该节点得到对应的索引值；每一个新的节点加入时，随机选择空余的位置并通过其他节点的验证后，获得该节点对应的索引值，所有节点同步新的网络节点分布序列。

一种基于VRF的权益随机共识系统，包括：

节点服务器：区块链中至少存在9个节点参与共识，生成新区块；

每一个节点服务器需要包括：

存储模块：用于存储已有区块、种子参数、BeconHash、网络节点分布序列、网络节点分布序列中节点的索引值、打块节点序列、验证节点序列、权益信息、标准等待时间、出块等待超时时长和出块时长常量等信息；

计算模块：用于计算BeconHash、打块节点序列、验证节点序列、标准等待时间和每个节点的等待时间等；

账户模块：用于汇总交易，并生产新的账本(区块)；

网络模块：用于保证各个节点服务器的通讯建立和保障；

验证模块：用于在被选为验证节点时的实用拜占庭容错算法；

同步模块：用于同步新的区块和网络节点分布序列等信息。

结合以上所述，本发明在保证打块节点和验证节点的随机选举，攻击者无法预知的同时，让权益更高的用户拥有更大的概率被选中。根据哈希算法的特性，BeconHash序列是随机的且均匀分布的，基于BeconHash序列和网络节点分布序列最终生成的打块节点序列和验证节点序列中每个节点被选为打块节点的概率相等，而每个节点被选为验证节点的概率也相等，而超级节点所拥有的节点数目是根据权益分配的，因此本共识算法可以实现权益随机共识方法。

本发明通过节点等待时间的计算决定打块的次序，并且任一打块者没有在规定时间内生成新区块并达成共识则直接跳过进入下一个打块节点的打块步骤，因此基于本权益随机共识算法的区块链可以做到几乎不分叉，并且打块效率极高。

通过采用本专利公开的技术方法，采用可验证随机函数的方式选择见证人用户和打块用户，可以同时满足去中心化、可扩展性和安全性的多方面的要求。本共识算法中没有矿工，所有用户都有可能被选为见证人，但是见证人和打块者的选举是不可预测的，仅有在选举结束后才能确定，规避了被预先攻击的风险。

通过采用本专利公开的技术方法，在生成新的区块时，只有被选举出的一部分用户参与达成共识，大幅降低了共识算法运行的计算量，降低了资源占用，从根本上增加了区块链公链的效率并保证了区块链公链的高安全性。

附图说明

图1为一实施例的应用于区块链中的打块方法的流程图。

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，以下结合附图及实施例，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。

图1为一实施例的应用于区块链中的打块方法的流程图。如图1所示，该方法包括：

步骤110，基于创世区块中的种子参数、最新的已有区块的区块哈希值和已有的BeconHash，计算新的BeconHash；

步骤120，基于新的BeconHash生成打块节点序列和验证节点序列；

步骤130，基于打块节点序列从网络节点分布序列中筛选出打块节点；

步骤140，基于验证节点序列对网络节点分布序列中筛选出验证节点；

步骤150，基于打块节点和验证节点生成区块并达成共识。

对于区块链，存在有种子参数。具体而言，在创世区块中初始随机种子参数(seed)后，该种子参数保存在每一个新生成的区块中。

VRF全称Verifiable Random Function，也就是可验证随机函数。本实施例是基于VRF实现的。

所述基于创世区块中的种子参数、最新的已有区块的区块哈希值和已有的BeconHash，计算新的BeconHash之前，所述方法还包括：

通过二进制序列记录所有节点，序列中每一个值为1的位代表一个已有的节点，根据这一位在整个网络节点分布序列中的位置，该节点得到对应的索引值；每一个新的节点加入时，随机选择空余的位置并通过其他节点的验证后，获得该节点对应的索引值，所有节点同步新的网络节点分布序列。

对于网络节点分布序列的生成和更新，本实施例中，可以通过足够长的二进制序列记录所有节点，序列中每一个值为1的位代表一个已有的节点，根据这一位在整个网络节点分布序列中的位置，该节点得到对应的索引(Idx)值。每一个新的节点加入时，随机选择空余的位置并通过其他节点的验证后，获得该节点对应的Idx值，所有节点同步新的网络节点分布序列；

本实施例中，当前一次选出的所有打块节点都超出其等待时间时，计算新的BeconHash(中文：一致性哈希值)。可以首先获得种子参数(seed)，最新的一个已有区块的哈希值blockhash和已有的BeconHash(preBeconHash)，根据预置算法进行一次或多次哈希映射，得到新的BeconHash。本实施例中，已有的BeconHash(preBeconHash)为前一次的BeconHash(preBeconHash)。所述前一次为相对新的BeconHash而言。

本实施例中，计算节点分组序列。对哈希序列BeconHash进行分拆和计算、组合，生成两个新的哈希序列，两个新的哈希序列分别与网络节点分布序列运算生成打块节点序列和验证节点序列。

本实施例中，基于打块节点序列从网络节点分布序列中筛选出打块节点，包括：

如果网络分布序列的节点根据自己的索引值查询对应在打块节点序列上的对应位的值为1，则作为打块节点。索引值表示节点在网络分布序列节点中的位置。

本实施例中，基于验证节点序列对网络节点分布序列中筛选出验证节点，包括：

如果网络分布序列的节点根据自己的索引值查询对应在验证节点序列上的对应值的值为1，则作为验证节点；索引值表示节点在网络分布序列节点中的位置。

具体的，每个节点根据打块节点序列判断自己是否为打块节点。节点根据自己的Idx值查询打块节点序列上的对应位的值是否为1，若是，则作为本轮次的打块节点。每个打块节点根据预置的算法计算该节点的等待时间，各节点依照等待时间的长度依次打块。

本实施例中，生成区块后，验证节点运行实用拜占庭容错算法实用拜占庭容错算法进行判断，当判断出该区块被超过三分之二的验证节点确认后，该区块被接受。

其中，每个节点根据验证节点序列判断自己是否为验证节点。节点根据自己的Idx值查询验证节点序列上的对应位的值是否为1，若是，则作为本轮次的验证节点。当一个节点生成新的区块后，验证节点运行实用拜占庭容错算法实用拜占庭容错算法PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)进行判断，当一个新区块被超过三分之二的验证节点确认后，该区块被接受。

如果预设的规定时间内没有新区块被接受，打块节点的等待时间进行下一个打块节点的打块，直到超出本轮次所有的打块节点的等待时间，进行新的一轮随机选举和打块。

本实施例中，网络节点分布序列中的多个节点可以同时属于同一个用户。

本实施例中，多个节点可以同时属于同一个用户，称这个用户为超级节点。即拥有多个节点的用户为超级节点。每个超级节点依据自己资产的数量等信息计算权益值，根据权益值大小持有对应数目的节点，每个节点在网络节点分布序列中占据一个位置，并拥有对应的索引(Idx)值。

本实施例中，BeconHash计算包括多轮哈希运算，并且最终输出的BeconHash序列的长度与网络节点分布序列的长度相等。

本实施例中，于新的BeconHash生成打块节点序列和验证节点序列，包括：

将新的BeconHash从中间均分为两个序列BHLeft和BHRight；

对BHLeft按位取反，得到BHLeftR；

对BHRight按位取反，得到BHRightR；

连接BHLeft和BHLeftR，得到BHLeft||BHLeftR作为预备打块节点序列；

预备打块节点序列BHLeft||BHLeftR与网络节点分布序列做与运算，得到打块节点序列；

连接BHRight和BHRightR，得到预备验证节点序列BHRight||BHRightR；

将预备验证节点序列BHRight||BHRightR与网络节点分布序列做与运算，再与打块节点序列的取反做与运算，得到验证节点序列。

本实施例中，如果打块节点序列或验证节点序列取到节点数目小于总节点数目的三分之一，可以由步骤110生成新的BeconHash序列，随后得到新的打块节点序列和验证节点序列，与本轮次已有的打块节点序列和验证节点序列做按位或运算，重复此过程直至打块节点序列和验证节点序列所包含的节点数目达到总节点数目的三分之一。

本实施例中，所述作为打块节点之后，方法还包括：

计算每个打块节点的等待时间，等待时间为对应打块节点进行打块的等待时间；

每个打块节点根据对应的等待时间，依照等待时间的长度依次打块。

本实施例中，计算每个打块节点的等待时间，包括：

计算本轮的标准等待时间；

每个打块节点根据本节点的索引值、预设的出块等待超时时长和出块时长常量计算本节点本轮的等待时间。

本实施例中，标准等待时间的计算方法可以为BeconHash序列的整数型对当前打块节点总数的取模；

本实施例中，每个节点的等待时间的计算方法可以为，节点Idx值与标准等待时间求要和，和数对出块等待超时时长取模，模数再与出块时长常量求积。

T_i＝(Idx_i+T_standard mod T_timeout)*T_unit

T_i：节点i的等待时间；T_standard：标准等待时间；T_timeout：出块等待超时时长；T_unit：和出块时长常量。

结合以上所述，本发明在保证打块节点和验证节点的随机选举，攻击者无法预知的同时，让权益更高的用户拥有更大的概率被选中。根据哈希算法的特性，BeconHash序列是随机的且均匀分布的，基于BeconHash序列和网络节点分布序列最终生成的打块节点序列和验证节点序列中每个节点被选为打块节点的概率相等，而每个节点被选为验证节点的概率也相等，而超级节点所拥有的节点数目是根据权益分配的，因此本共识算法可以实现权益随机共识方法。

本发明通过节点等待时间的计算决定打块的次序，并且任一打块者没有在规定时间内生成新区块并达成共识则直接跳过进入下一个打块节点的打块步骤，因此基于本权益随机共识算法的区块链可以做到几乎不分叉，并且打块效率极高。

通过采用本专利公开的技术方法，采用可验证随机函数的方式选择见证人用户和打块用户，可以同时满足去中心化、可扩展性和安全性的多方面的要求。本共识算法中没有矿工，所有用户都有可能被选为见证人，但是见证人和打块者的选举是不可预测的，仅有在选举结束后才能确定，规避了被预先攻击的风险。

本实施例中，在生成新的区块时，只有被选举出的一部分用户参与达成共识，大幅降低了共识算法运行的计算量，降低了资源占用，从根本上增加了区块链公链的效率并保证了区块链公链的高安全性。

本实施例还提供了一种基于VRF的权益随机共识系统，包括：

节点服务器：区块链中至少存在9个节点参与共识，生成新区块；

每一个节点服务器需要包括：

存储模块：用于存储已有区块、种子参数、BeconHash、网络节点分布序列、网络节点分布序列中节点的索引值、打块节点序列、验证节点序列、权益信息、标准等待时间、出块等待超时时长和出块时长常量等信息；

计算模块：用于计算BeconHash、打块节点序列、验证节点序列、标准等待时间和每个节点的等待时间等；

账户模块：用于汇总交易，并生产新的账本(区块)；

网络模块：用于保证各个节点服务器的通讯建立和保障；

验证模块：用于在被选为验证节点时的实用拜占庭容错算法；

同步模块：用于同步新的区块和网络节点分布序列等信息。

可以理解，以上系统可以实现以上方法实施例中的具体内容，不同的模块可以实现对应方法实施例中的具体内容。

需要指出的是，以上实施例的装置的实现方式与以上方法的实现方式，装置实施例的实现具体可以参照以上方法实施例中的内容。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种基于VRF的权益随机共识方法，其特征在于，所述方法包括：

基于创世区块中的种子参数、最新的已有区块的区块哈希值和已有的BeconHash，计算新的BeconHash；

基于新的BeconHash生成打块节点序列和验证节点序列；

基于打块节点序列从网络节点分布序列中筛选出打块节点；

基于验证节点序列对网络节点分布序列中筛选出验证节点；

基于打块节点和验证节点生成区块并达成共识。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于打块节点序列从网络节点分布序列中筛选出打块节点，包括：

如果所述网络分布序列的节点根据自己的索引值查询对应在打块节点序列上的对应位的值为1，则作为打块节点；

所述索引值表示节点在网络分布序列节点中的位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于验证节点序列对网络节点分布序列中筛选出验证节点，包括：

如果所述网络分布序列的节点根据自己的索引值查询对应在验证节点序列上的对应值的值为1，则作为验证节点；

所述索引值表示节点在网络分布序列节点中的位置。

4.根据权利1所述的方法，其特征在于，所述网络节点分布序列中的多个节点可以同时属于同一个用户，所述拥有多个节点的用户为超级节点，每个超级节点依据自己资产的数量等信息计算权益值，根据权益值大小持有对应数目的节点，每个节点在网络节点分布序列中占据一个位置，并拥有对应的索引值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述新的BeconHash序列的长度与网络节点分布序列的长度相等。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于新的BeconHash生成打块节点序列和验证节点序列，包括：

将所述新的BeconHash从中间均分为两个序列BHLeft和BHRight；

对BHLeft按位取反，得到BHLeftR；

对BHRight按位取反，得到BHRightR；

连接BHLeft和BHLeftR，得到BHLeft||BHLeftR作为预备打块节点序列；

预备打块节点序列BHLeft||BHLeftR与网络节点分布序列做与运算，得到打块节点序列；

连接BHRight和BHRightR，得到预备验证节点序列BHRight||BHRightR；

将预备验证节点序列BHRight||BHRightR与网络节点分布序列做与运算，再与打块节点序列的取反做与运算，得到验证节点序列。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述打块节点序列或验证节点序列中的节点数目大于或等于对应总节点数目的三分之一。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述筛选出打块节点之后，所述方法还包括：

计算每个所述打块节点的等待时间，所述等待时间为对应打块节点进行打块的等待时间；

每个所述打块节点根据对应的等待时间，依照等待时间的长度依次打块；

如果一个打块节点没有在等待时间内生成区块或者生成的区块未被接受，则根据等待时间直接对下一个打块节点生成的区块进行共识；

当时间超过了已选出的所有打块节点的等待时间后，计算新的BeconHash并进行新的一轮随机选举。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述计算每个所述打块节点的等待时间，包括：

计算本轮的标准等待时间；

每个打块节点根据本节点的索引值、预设的出块等待超时时长和出块时长常量计算本节点本轮的等待时间。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述筛选出验证节点之后，所述方法还包括：

生成区块后，验证节点运行实用拜占庭容错算法实用拜占庭容错算法进行判断，当判断出该区块被超过三分之二的验证节点确认后，该区块被接受。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于创世区块中的种子参数、最新的已有区块的区块哈希值和已有的BeconHash，计算新的BeconHash之前，所述方法还包括：

通过二进制序列记录所有节点，序列中每一个值为1的位代表一个已有的节点，根据这一位在整个网络节点分布序列中的位置，该节点得到对应的索引值；每一个新的节点加入时，随机选择空余的位置并通过其他节点的验证后，获得该节点对应的索引值，所有节点同步新的网络节点分布序列。

12.一种基于VRF的权益随机共识系统，其特征在于，包括：

节点服务器：区块链中至少存在9个节点参与共识，生成新区块；

每一个节点服务器需要包括：

存储模块：用于存储已有区块、种子参数、BeconHash、网络节点分布序列、网络节点分布序列中节点的索引值、打块节点序列、验证节点序列、权益信息、标准等待时间、出块等待超时时长和出块时长常量等信息；

计算模块：用于计算BeconHash、打块节点序列、验证节点序列、标准等待时间和每个节点的等待时间等；

账户模块：用于汇总交易，并生产新的区块；

网络模块：用于保证各个节点服务器的通讯建立和保障；

验证模块：用于在被选为验证节点时的实用拜占庭容错算法；

同步模块：用于同步新的区块和网络节点分布序列等信息。