CN110222532A - 一种基于命名空间实现联盟链隐私保护的分区共识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于命名空间实现联盟链隐私保护的分区共识方法，根据节点配置的命名空间信息将联盟链上的各个节点进行分区，命名空间中的成员之间发生的交易及相应数据仅允许该命名空间中的相关节点进行交易打包，并按照事先预设的共识规则进行共识验证和数据存储，不同命名空间中的节点不能进行共识。本发明通过命名空间对联盟链节点进行了分区，限制了每个节点的共识空间、执行空间及数据存储空间，从而满足了联盟链按照参与方或业务类型进行交易隔离和数据隔离的隐私保护需求。

Description

一种基于命名空间实现联盟链隐私保护的分区共识方法
技术领域
本发明涉及联盟链技术，尤其涉及一种基于命名空间实现联盟链隐私保护的分区共识方法。
背景技术
区块链是由中本聪于2008年提出的一种支持比特币运行的底层技术，区块链现阶段做落地项目，联盟链是合适的切入点，其去中心化、可追溯、信息不可篡改等特性对银行、保险、信托等金融服务业带来了重大影响。一个典型的联盟链系统其工作流程包括如下步骤(如图1所示)：
(1)客户端发起一笔交易，在签名后发送给联盟链的节点；
(2)服务器端(Http服务器)在收到交易请求后，会校验交易签名和交易证书等信息。校验通过后，再将交易推送给共识节点；
(3)共识节点收到交易后，通过P2P模块进行广播,将交易广播给其他共识节点；
(4)共识节点根据预设的共识算法开始共识验证；
(5)执行模块和虚拟机模块在收到共识模块的交易信息后，会基于区块号调取执行环境,并执行交易。执行包括签名验证和具体交易执行等过程。验签确认了交易的来源及内容的完整性和安全性，该过程在执行模块中进行,而具体的交易执行则会以智能合约等形式在虚拟机中进行；
(6)交易执行结束后，变化量会被保存在执行模块缓存中，供后来的交易或账本持久化使用。交易结果的哈希会返回给共识模块用于和其他节点的执行结果进行比对。
共识算法和隐私保护是联盟链的核心要素,是目前联盟链最为关心的技术问题。
(1)共识算法
1982年,Leslie Lamport等人提出拜占庭将军问题(Byzantine GeneralsProblem)，它是一个分布式计算领域的问题，设法建立具有容错性的分布式系统，即在一个存在故障节点和错误信息的分布式系统中正常节点达到共识，保持信息传递的一致性。区块链的共识层的作用就是在不同的应用场景下通过使用共识算法,在决策权高度分散的去中心/多中心化系统中使得各个节点高效地达成共识。
最初比特币区块链选用了一种依赖节点算力的工作量证明共识(Proof of Work,POW)机制来保证比特币网络分布式记账的一致性。之后随着区块链技术的不断演进和改进，研究者们陆续的提出了一些不过度依赖算力而能达到全网一致的算法，比如权益证明共识(Proof of Stake,POS)机制，授权股份证明共识(Delegated proof of stake,DPOS)机制，实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)算法等等。
然而POW、POS和DPOS等共识机制不太适合联盟链的应用场景，联盟链中通常采用BFT类共识机制。这是因为在恶意节点数不超限制的前提下，BFT类算法可以支持较高的吞吐量和极短的终局时间，其正确性和活动性又可被严格证明，非常合乎大机构的需求。经典的PBFT算法及其变体是最为常见的联盟链共识算法，PBFT算法最初出现在MIT的Miguel和Barbara Liskov提出,初衷是为一个低延迟存储系统所设计，降低算法的复杂度。它解决了原始拜占庭容错算法(BFT)效率不高的问题，将算法复杂度由指数级降低到多项式级，使得拜占庭容错算法在实际系统应用中变得可行。PBFT可以应用于吞吐量不大但需要处理大量事件的数字资产平台。它允许每个节点发布公钥，任何通过节点的消息都由节点签名，以验证其格式。PBFT是第一个得到广泛应用的BFT算法。随后业界还提出了若干改进版的BFT共识算法。
此外，与不限制共识成员的公链不同，联盟链中所有参与节点的身份都是已知的，每个节点有很高的可信度，故在某些业务场景下可采用不容拜占庭节点的传统共识算法(如RAFT、ZAB等共识协议)，著名的开源联盟链项目Fabric从1.4版本开始支持RAFT共识算法。
(2)隐私保护
区块链系统通过多种密码学原理进行数据加密及隐私保护。目前区块链上传输和存储的数据都是公开可见的，仅通过“伪匿名”的方式对交易双方进行一定的隐私保护。但对于某些涉及大量商业机密和利益的联盟链业务场景来说，数据的暴露不符合业务规则和监管要求。同态加密、环签名和零知识证明等技术被认为是解决区块链隐私问题的重要技术手段。
同态加密技术允许区块链节点在不知道原始数据的情况下完成对交易的执行，即执行运算是在加密后的数据之上进行的，得到的结果仍然是加密的，而交易发起方对运算得到的加密结果进行解密，从而得到原始运算结果。
环签名技术是将签名者的身份隐藏在一组成员(环成员)中，为交易提供了更强有力的匿名性保证，允许节点在不知道交易双方是谁的情况下完成对交易的验证和存储。
零知识证明技术允许证明者向验证者证明并使其相信自己知道或拥有某一消息，但证明过程不能向验证者泄漏任何关于被证明消息的信息。大量事实证明，如果能够将零知识证明用于区块链，将很好地解决区块链的隐私保护问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于命名空间实现联盟链隐私保护的分区共识方法，具体技术方案如下：
一种基于命名空间实现联盟链隐私保护的分区共识方法，其特征在于，根据联盟链成员配置的命名空间信息为其所拥有的节点提供若干个命名空间的定义，所述的命名空间包括共识空间、执行空间和数据存储空间，每个空间完全隔离，每个联盟链成员拥有若干个节点，每个节点拥有若干个命名空间；
所述的方法具体包括如下步骤：
S1：已配置交易所属的命名空间的联盟链成员发起交易，并将交易请求发送给所属命名空间中的任意一个节点；
S2：节点收到交易请求后，首先进行合法性检查和签名验证后，将该请求转发给命名空间管理模块，所述的命名空间管理模块根据交易请求中的命名空间字段信息将交易请求发送到具体的命名空间中后，该节点把交易数据广播给该命名空间中的其他所有节点；所述的合法性检查包括检查各参与方是否属于该请求所配置的命名空间中；
S3：所述的命名空间中负责打包的节点收到交易后，将一定数量的交易打包成一个区块，并将该区块广播给该命名空间中的其他所有节点；
S4：收到所述区块的命名空间中的节点根据预先设定好的共识规则对区块数据进行共识验证和数据存储。
进一步地，所述的S2中的命名空间管理模块用于每个命名空间的生命周期的状态管理，其包括
(1)共识模块：运行预设的共识算法，保证命名空间成员之间操作的一致性；
(2)执行模块：负责命名空间中交易的处理、交易及账本数据的存储；
(3)节点管理模块：负责管理命名空间成员之间的网络通信。
进一步地，所述的S3中负责打包的节点可以根据默认的交易数量或超时时间来触发打包区块操作。
进一步地，所述的S3中负责打包的节点根据共识算法来选举得到。
进一步地，联盟链的共识节点采用PBFT及其变体共识算法或RAFT或ZAB共识协议。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明的分区共识方法通过可配置的命名空间信息，可以灵活地根据参与方或业务类型来限定参与共识的节点，不需要通过繁琐耗时的签名、验签及其他加解密操作来限定参与的节点及数据访问，从而较高效地满足了联盟链按照参与方或业务类型进行交易隔离和数据隔离的隐私保护需求。
附图说明
图1是现有技术中典型的联盟链系统工作流程图；
图2是本申请实施例的基于命名空间的分区共识的执行流程图；
图3是本申请实施例的根据成员提供的配置信息形成的集群架构图；
图4是本申请实施例的单个节点的架构图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，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。
本申请提出的一种基于命名空间实现联盟链隐私保护的分区共识方法，下面用一个具体的交易请求处理实例来说明具体的实施方式(如图2-3所示)：
根据联盟链成员配置的命名空间信息将其所拥有的节点进行分区，并划定每个节点的共识空间、执行空间及数据存储空间。联盟链成员必须为其所拥有的每个节点分别提供配置信息，配置信息中可以包括多个命名空间的定义，即每个联盟链成员可以拥有多个节点，每个节点可以拥有1到多个命名空间，每个命名空间之间相互隔离，包括共识空间、执行空间和数据存储空间均完全隔离。
如图3所示，成员1拥有节点1和节点2，成员2拥有节点3和节点4，成员3拥有5和节点6，其中节点1、节点2、节点3和节点4参与组成命名空间1(简称ns1)，节点3、节点4、节点5和节点6参与组成命名空间2(简称ns2)。
如图4所示，命名空间管理模块是实现分区共识机制的关键管理组件，命名空间管理模块负责每个命名空间的注册、启动、停止、注销等一系列生命周期的状态管理。其核心组件包括：
1)共识模块：运行预设的共识算法，保证命名空间成员之间操作的一致性；
2)执行模块：负责命名空间中交易的处理、交易及账本数据的存储等；
3)节点管理模块：负责管理命名空间成员之间的网络通信。
每个命名空间被称作一个共识分区，由图4可知，每个分区的共识空间、执行空间和数据存储空间是相互隔离的，故不同命名空间中的交易能够并发执行。即当节点3和节点4同时参与ns1和ns2时，它们可以并发处理ns1和ns2中的交易。
(2)发起交易的成员配置交易所属的命名空间，并将交易请求的发送给所属命名空间中的任意一个节点。如图2所示，成员2发送Request1(其配置的命名空间是ns1)到节点3的http服务器，服务器的Json Rpc模块首先会进行一系列合法性检查及签名验证等前期工作，随后转发给命名空间管理模块，命名空间管理模块会根据请求中的命名空间字段信息将交易请求发送到具体的命名空间中。值得注意的是由于本申请只允许同一命名空间中的成员之间发生交易，不同命名空间中的成员无法发生交易，故在合法性检查阶段，节点会检查各参与方是否属于该请求所配置的命名空间中。
(3)节点收到交易请求后，把交易数据广播给该命名空间中的其他所有节点。如图2所示，node3收到Request1后，将其转发给node1，node2，node4。
(4)命名空间中的负责打包的节点收到交易后，将一定数量的交易打包成一个区块，并将该区块广播给该命名空间中的其他所有节点。其中每次打包的交易数量由系统配置决定，且命名空间中的成员之间发生的交易，仅允许其所在的命名空间中的节点进行交易打包，负责打包的节点一般根据共识算法来选举，采用不同的共识算法其选举流程和结果也会有所不同。假设当前的主节点是node1且默认的打包数量为1，则node1将Request1中的交易打包成区块，并广播给node2，node3，node4。
(5)收到区块的命名空间中的节点根据预先设定好的共识规则对区块数据进行共识验证和数据存储。常见的区块链共识算法包括：工作量证明共识(POW)、权益证明共识(POS)机制、授权股份证明共识(DPOS)机制、实用拜占庭容错(PBFT)算法等等。联盟链中通常采用BFT类共识机制。这是因为在恶意节点数不超限制的前提下，BFT类算法可以支持较高的吞吐量和极短的终局时间，其正确性和活动性又可被严格证明，非常合乎大机构的需求。经典的PBFT算法及其变体是最为常见的联盟链共识算法，此外，由于联盟链中所有参与节点的身份都是已知的，每个节点有很高的可信度，故在某些业务场景中也可采用不容拜占庭节点的传统共识算法(如RAFT、ZAB等共识协议)。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于命名空间实现联盟链隐私保护的分区共识方法，其特征在于，根据联盟链成员配置的命名空间信息为其所拥有的节点提供若干个命名空间的定义，所述的命名空间包括共识空间、执行空间和数据存储空间，每个空间完全隔离，每个联盟链成员拥有若干个节点，每个节点拥有若干个命名空间。
所述的方法具体包括如下步骤：
S1：已配置交易所属的命名空间的联盟链成员发起交易，并将交易请求发送给所属命名空间中的任意一个节点；
S2：节点收到交易请求后，首先进行合法性检查和签名验证后，将该请求转发给命名空间管理模块，所述的命名空间管理模块根据交易请求中的命名空间字段信息将交易请求发送到具体的命名空间中后，该节点把交易数据广播给该命名空间中的其他所有节点；所述的合法性检查包括检查各参与方是否属于该请求所配置的命名空间中；
S3：所述的命名空间中负责打包的节点收到交易后，将一定数量的交易打包成一个区块，并将该区块广播给该命名空间中的其他所有节点；
S4：收到所述区块的命名空间中的节点根据预先设定好的共识规则对区块数据进行共识验证和数据存储。
2.根据权利要求1所述的基于命名空间实现联盟链隐私保护的分区共识方法，其特征在于，所述的S2中的命名空间管理模块用于每个命名空间的生命周期的状态管理，其包括
(1)共识模块：运行预设的共识算法，保证命名空间成员之间操作的一致性；
(2)执行模块：负责命名空间中交易的处理、交易及账本数据的存储；
(3)节点管理模块：负责管理命名空间成员之间的网络通信。
3.根据权利要求1所述的基于命名空间实现联盟链隐私保护的分区共识方法，其特征在于，所述的S3中负责打包的节点可以根据默认的交易数量或超时时间来触发打包区块操作。
4.根据权利要求1所述的基于命名空间实现联盟链隐私保护的分区共识方法，其特征在于，所述的S3中负责打包的节点根据共识算法来选举得到。
5.根据权利要求1所述的基于命名空间实现联盟链隐私保护的分区共识方法，其特征在于，联盟链的共识节点采用PBFT及其变体共识算法或RAFT或ZAB共识协议。
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