CN110278091A - 一种物联网区块链共识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于计算机技术领域，具体是一种物联网区块链共识方法。该方法包括记账节点选择方法和新记账区块确认方法。所述记账节点选择方法使节点根据自身属性来计算自身的权值，并基于所述权值计算一个随机概率，根据所述随机概率确定自身是否担任记账节点。所述新记账区块确认方法包括两种，一种是通过押注式方法完成新区块产生，另一种基于实践拜占庭容错的多轮次签名确认完成新区块产生。

Description

一种物联网区块链共识方法
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，具体是一种物联网区块链共识方法。
背景技术
区块链技术(又称分布式账本技术)具有中心化、公开透明、不可篡改、可信任等优点，在智能合约、证券交易、电子商务、物联网、社交通讯、文件存储、存在性证明、身份验证、股权众筹等众多领域有望得到广泛应用。在区块链中，节点会产生交易(Transaction)，节点首先将多个交易打包到一个称之为区块(Block)的结构中，不同时间所形成的区块按时间先后首尾相连形成链，称之为区块链(Blockchain)。不同节点以分布式的决策机制来判断如何产生和新增一个区块至区块链上。而网络中所有不同的节点必须各自维护区块链的副本，并使各自所维护的区块链副本保持一致，即使因为网络延迟和丢包等问题出现短暂的分歧，但其必须最终形成确定的、唯一的结果，实现这一目的的技术过程，称为节点共识。现有共识技术一般包括工作量证明(PoW)、权益证明(PoS)、实践拜占庭容错(PBFT)和委托权益证明(DPoS)几类，然而均存在性能瓶颈，即使在互联网的环境下，仍然存在处理效率低的问题。此外，在很多物联网环境下，受限于节点算力和能量的不均一性、及不同的网络接入制式、带宽、速率、可靠性及节点移动性等，效率问题更加突出，亟需一种能够提高物联网环境下节点共识效率的方案，提升区块链对物联网的管理效率，最终能够形成基于物联网+区块链技术的高效组织架构，以分布式的方式管理海量的物联网设备，分摊降低甚至消除物联网节点带给云服务器的沉重压力。
发明内容
针对现有技术在利用区块链技术管理海量物联网节点所存在的低效、缺陷与不足，本发明提出一种物联网区块链共识方法。本说明书中一个或多个实施例提供的一种物联网区块链共识方法是通过以下方式实现的：
整个共识过程分为两大阶段：
记账节点选择方法和新记账区块确认方法(后者也称为出块方法)。
在记账节点选择方法中，本发明提出：
利用节点网络属性和社交属性计算节点权值，基于该权值并结合一定的概率，确定节点是否担任记账节点。
具体的，节点网络属性包括：节点能量的剩余情况和续航能力、节点在网络中的一跳邻居数量、节点在网络中的移动频率。这些属性发挥作用的方式包括：节点续航能力越强，节点邻居数量越多，节点移动频率越低，其在网络中扮演记账节点的概率越高；反之则越低。
节点的社交属性包括：曾付给该节点数字货币的节点的数量，节点从各来源节点处收获数字货币的金额。
计算上述不同权值的某种数学组合所得的最终值，并结合概率函数确定是否承担记账任务。
具体的选择步骤包括，如图1所示：
S101：节点更新自身属性，并在记账节点轮替时间到时，按权重计算模型计算自身权重，作为输入提供给概率判断模型；
S102：节点使用概率判断模型判断自己是否能够成为记账节点：
S103：若否，则节点作为非记账节点，将新产生的交易发送给网络中的记账节点；
S104：若是，节点成为记账节点，接收网络中产生的交易，打包为区块，将该新区块发送给网络中其他记账节点并提出共识记账请求。
所述的记账节点选择算法是基于多种因素中的一项或几项的线性或非线性组合所形成的数学表达式求值。作为一种优选的方案，本发明在以下几个选项中选择：
(1)能量指标E：对于网络中具备持续电源供电的节点E＝T1，仅具备电池供电的节点E＝T2，仅具备电池供电节点且电池能量较低时节点E＝T3；三者关系为T1＞T2＞T3≥0；
(2)中心度指标N：节点直接连接设备的数量越多，则N值越大；
(3)移动性指标M：所有节点在新加入区块链时均具有初始值M1，节点每次移动导致其 M1值降低L；
(4)贡献度指标C：具体地，以Pa(i)代表节点a从节点i处获取的金额，S代表节点a一共从S个节点处获得了收入，则，∑1≤i≤S，i≠aPa(i)或其简单变形如∑1≤i≤S，i≠aln(Pa(i))的值越大，代表节点a的贡献度C越大；
所述概率选择模型是指，上述各项指标所计算得出的权值乘以一个随机概率RAND后，如果其值大于一个阈值SRAND，则该节点能够担任记账节点。RAND的取值范围和阈值SRAND根据系统需求设置。
在新记账区块确认方法(即出块方法)中，本发明提出两种方法：
一是基于投注式方法实现出块，即：选定记账节点后，每个记账节点对所有备选区块中择其一进行投注，竞猜其能够成为网络最终确认的新区块；当节点竞猜失败时，扣去其所有投注的金额；当节点投注成功时，所有胜方收回各自投注金，并均分剩余投注金。具体过程如图1所示：
S104：节点成为记账节点，接收网络中产生的交易，打包为区块，将该新区块发送给网络中其他记账节点并提出共识记账请求；
S105：节点在所有收到的新区块中，选择自己认为将要最终被确认并加入区块链的区块，通过抵押保证金的方式投注，竞猜该区块能够最终成为新加入区块；
S106：判断节点所投注区块是否成为最终区块；
S107：若否，节点损失所有投注在该区块上的投注金；
S108：若是，节点获得全部所投注金额中的部分；节点所投注的区块成为最终确认新区块，节点将其加入本地区块链并广播新区块给全网。
二是基于实践拜占庭容错思想的多轮次签名认证出块方法实现出块，即记账节点按照 Request、Pre-Prepare、Prepare、Commit、Reply五个阶段进行出块；该方法基于Hyperledger Fabric 0.6版本的出块方法，区别在于所有五个阶段所产生的Request、Pre-Prepare、Prepare、Commit、Reply五类报文只限于网络中所选择的记账节点发送及确认。其具体步骤见图2所示：
S204：节点成为记账节点，接收网络中产生的交易，打包为区块，将该新区块发送给网络中的所有记账节点，并提出共识记账请求Request；
S205：收到Request的记账节点向除Request来源节点之外的其他记账节点发送Pre-Prepare报文，进入预准备状态；
S206：收到Pre-Prepare报文的记账节点向除Request来源节点之外的其他记账节点广播Prepare报文，进入准备状态；
S207：收到足够数量来自于除Request来源节点外的其他记账节点的Prepare报文时向除Request来源节点之外的其他记账节点广播Commit报文，进入确认状态；
S208：收到足够数量来自于除Request来源节点外的其他记账节点的Commit报文时向 Request来源节点回复Reply报文，同意新添加其请求共识的区块；
S209：收到足够数量Reply报文的节点，将对应的拟添加区块添加入区块链，并向全网广播新确认加入的区块。
附图说明
构成本申请一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为一种基于投注式出块方法的物联网区块链共识方法交互逻辑图；
图2为一种基于PBFT出块方法的物联网区块链共识方法交互逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
整个共识过程分为两大阶段：
记账节点选择方法和新记账区块确认方法(后者也称为出块方法)。
在记账节点选择方法中，本发明提出：
利用节点网络属性和社交属性计算节点权值，基于该权值并结合一定的概率，确定节点是否担任记账节点。
具体的，节点网络属性包括：节点能量的剩余情况和续航能力、节点在网络中的一跳邻居数量、节点在网络中的移动频率。这些属性发挥作用的方式包括：节点续航能力越强，节点邻居数量越多，节点移动频率越低，其在网络中扮演记账节点的概率越高；反之则越低。
节点的社交属性包括：曾付给该节点数字货币的节点的数量，节点从各来源节点处收获数字货币的金额。
具体的选择步骤包括，如图1所示：
S101：节点更新自身属性，并在记账节点轮替时间到时，按权重计算模型计算自身权重，作为输入提供给概率判断模型；
S102：节点使用概率判断模型判断自己是否能够成为记账节点：
S103：若否，则节点作为非记账节点，将新产生的交易发送给网络中的记账节点；
S104：若是，节点成为记账节点，接收网络中产生的交易，打包为区块，将该新区块发送给网络中其他记账节点并提出共识记账请求。
所述的记账节点选择算法是基于多种因素中的一项或几项的线性或非线性组合所形成的数学表达式求值。作为一种优选的方案，本发明在以下几个选项中选择：
(1)能量指标E：对于网络中具备持续电源供电的节点E＝T1，仅具备电池供电的节点E＝T2，仅具备电池供电节点且电池能量较低时节点E＝T3；三者关系为T1＞T2＞T3≥0；
(2)中心度指标N：节点直接连接设备的数量越多，则N值越大；
(3)移动性指标M：所有节点在新加入区块链时均具有初始值M1，节点每次移动导致其 M1值降低L；
(4)贡献度指标C：具体地，以Pa(i)代表节点a从节点i处获取的金额，S代表节点a一共从S个节点处获得了收入，则，∑1≤i≤S，i≠aPa(i)或其简单变形如∑1≤i≤S，i≠aln(Pa(i))的值越大，代表节点a的贡献度C越大；
所述概率选择模型是指，权值乘以一个随机概率RAND后，如果其值大于一个阈值SRAND，则该节点能够担任记账节点。RAND的取值范围和阈值SRAND根据系统需求设置。
本发明中对各指标提供一个优选的方案作为示例：
所述能量指标相关参数取值范围包括：T1＝100％，T2∈(T3，T1)，T3∈[0，T2)；所述中心度指标N等于实际节点在网络中一跳邻居的数量；所述移动性指标M相关参数取值范围为： M1＝100％，L∈(0，M1]；所述贡献度指标C等于∑1≤i≤S，i≠aPa(i)或∑1≤i≤S，i≠aln(Pa(i))；Pa(i)为实际发生的金额。
本发明中优选一种数学模型，节点判断自己是否成为一个记账节点基于以下步骤确定的：
首先计算自身的权值，对于节点a，其权值Weight(a)计算如下：
Weight(a)＝N(a)×E(a)×M(a)×C(a)，其中，
N(a)是节点a的邻居数换算来的函数，计算方式为：N(a)＝1+β×ln(La)，La是节点a的邻居数，β是可调系数。
M(a)是节点a的移动性表达函数，计算方式为：
其中，σ是一个大于1的系数，r＝Tstatic/Ttotal，其中Tstatic代表a的在网络中的静止时间，Ttotal代表网络总的存续时间。rthresh是一个由系统根据需求确定的阈值。
E(a)是节点的能量指标函数，计算方式为：E(a)＝ERa μ，其中ERa代表节点a的剩余能量数量，而μ是大于1的可调系数。
C(a)是节点社交属性，代表贡献度指标，其计算方式如下：
C(a)＝∑1≤i≤P，i≠aln[Si(a)]，其中，Si(a)代表节点a从第i个节点处获得的数字货币收入总量， P代表曾经给a发送过数字货币的节点的总数。
通过以上模型计算出权值Weight(a)后，最终确定节点是否担任记账节点基于判断下式是否成立：Weight(a)×RAND≥SRAND
如果成立，则节点a成为记账节点；否则，节点不担任记账节点。
针对新记账区块确认方法(即出块方法)，本发明提出两种方法：
一是基于投注式方法实现出块，即：选定记账节点后，每个记账节点对所有备选区块中择其一进行投注，竞猜其能够成为网络最终确认的新区块；当节点竞猜失败时，扣去其所有投注金额；当节点投注成功时，所有胜方收回各自投注金，并均分剩余投注金。具体过程如图1所示：
S104：节点成为记账节点，接收网络中产生的交易，打包为区块，将该新区块发送给网络中其他记账节点并提出共识记账请求；
S105：节点在所有收到的新区块中，选择自己认为将要最终被确认并加入区块链的区块，通过抵押保证金的方式投注，竞猜该区块能够最终成为新加入区块；
S106：判断节点所投注区块是否成为最终区块；
S107：若否，节点损失所有投注在该区块上的投注金；
S108：若是，节点获得全部所投注金额中的部分；节点所投注的区块成为最终确认新区块，节点将其加入本地区块链并广播新区块给全网。
二是基于PBFT出块方法实现出块，即记账节点按照Request、Pre-Prepare、Prepare、 Commit、Reply五个阶段进行出块；该方法基于Hyperledger Fabric 0.6版本的出块方法，区别在于所有五个阶段所产生的Request、Pre-Prepare、Prepare、Commit、Reply五类报文只限于网络中所选择的记账节点发送及确认。其具体步骤见图2所示：
S204：节点成为记账节点，接收网络中产生的交易，打包为区块，将该新区块发送给网络中的所有记账节点，并提出共识记账请求Request；
S205：收到Request的记账节点向除Request来源节点之外的其他记账节点发送Pre-Prepare报文，进入预准备状态；
S206：收到Pre-Prepare报文的记账节点向除Request来源节点之外的其他记账节点广播Prepare报文，进入准备状态；
S207：收到足够数量来自于除Request来源节点外的其他记账节点的Prepare报文时向除Request来源节点之外的其他记账节点广播Commit报文，进入确认状态；
S208：收到足够数量来自于除Request来源节点外的其他记账节点的Commit报文时向 Request来源节点回复Reply报文，同意新添加其请求共识的区块；
S209：收到足够数量Reply报文的节点，将对应的拟添加区块添加入区块链，并向全网广播新确认加入的区块。
所述足够数量是指：接收到相应报文的记账节点总数的2/3以上；也就是超过2/3的节点在收到相应信息后给出了反馈信息并被发送节点收到。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
最后需要说明的是：上述所提供的实施方法和实施例只是用于对技术方案的说明，不能用来对权利保护范围的限制，凡利用本发明所述技术方案、所述实施方法和实施例的原理及技术特征而进行的等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种物联网区块链共识方法，其特征在于，包括一种记账节点选择方法，该方法使节点根据自身属性来计算自身的权值，并基于所述权值计算一个随机概率，根据所述随机概率确定自身是否担任记账节点。
2.根据权利要求1所述的物联网区块链共识方法，其特征在于，所述节点自身属性包括：网络中曾向该节点支付过数字货币的其他节点的数量。
3.根据权利要求1所述的物联网区块链共识方法，其特征在于，所述节点自身属性还包括：节点所收到来源于各个节点的数字货币的金额。
4.根据权利要求1所述的物联网区块链共识方法，其特征在于，所述节点自身属性还包括：节点在网络中的一跳邻居数量。
5.根据权利要求1所述的物联网区块链共识方法，其特征在于，所述节点自身属性还包括：节点能量充足程度及持续续航能力。
6.根据权利要求1所述的物联网区块链共识方法，其特征在于，所述节点自身属性还包括：节点在网络中的移动频率。
7.根据权利要求1所述的物联网区块链共识方法，其特征在于，所述记账节点选择方法包括以下过程：
节点更新自身属性，并在记账节点轮替时间到时，按权重计算模型计算自身权重，作为输入提供给概率判断模型；
节点使用概率判断模型判断自己是否能够成为记账节点；
若否，则节点作为非记账节点，将新产生的交易发送给网络中的记账节点；
若是，节点成为记账节点，接收网络中产生的交易，打包为区块，将该新区块发送给网络中其他记账节点并提出共识记账请求。
8.根据权利要求1所述的物联网区块链共识方法，其特征在于，还包括一种新记账区块确认方法，包括：
记账节点将生成的新区块发送给网络中其他记账节点并提出共识记账请求；
各记账节点在所收到的新区块中，选择自己认为将要最终被确认并加入区块链的区块，通过抵押保证金的方式投注，竞猜该区块能够最终成为新加入区块；
判断记账节点所投注区块是否成为最终区块；
若否，所述记账节点损失所有投注在该区块上的投注金；
若是，所述节点获得全部所投注金额中的部分；节点所投注的区块成为最终确认新区块，节点将其加入本地区块链并广播新区块给全网。
9.根据权利要求1所述的物联网区块链共识方法，其特征在于，还包括另一种新记账区块确认方法，包括：
记账节点将生成的新区块发送给网络中其他记账节点，并发出共识记账请求Request；
收到Request的记账节点向除Request来源节点之外的其他记账节点发送Pre-Prepare报文，进入预准备状态；
收到Pre-Prepare报文的记账节点向除Request来源节点之外的其他记账节点广播Prepare报文，进入准备状态；
收到足够数量来自于除Request来源节点外的其他记账节点的Prepare报文时向除Request来源节点之外的其他记账节点广播Commit报文，进入确认状态；
收到足够数量来自于除Request来源节点外的其他记账节点的Commit报文时向Request来源节点回复Reply报文，同意新添加其请求共识的区块；
收到足够数量Reply报文的节点，将对应的拟添加区块添加入区块链，并向全网广播新确认加入的区块；
所述足够数量是指：接收到相应报文的记账节点总数的2/3以上；也就是超过2/3的节点在收到相应信息后给出了反馈信息并被发送节点收到。
10.根据权利要求1所述的物联网区块链共识方法，其特征在于：所述节点判断自己是否成为一个记账节点的计算步骤包括：
首先计算自身的权值，对于节点a，其权值Weight(a)＝N(a)×E(a)×M(a)×C(a)，其中，
N(a)是基于节点a的邻居节点数量的函数，计算方式为：N(a)＝1+β×ln(La)，La是节点a的邻居节点数量，β是可调系数；
M(a)是节点a的移动性表达函数，其中，σ是一个大于1的系数，r＝Tstatic/Ttotal，其中Tstatic代表a的在网络中的静止时间，Ttotal代表网络总的存续时间。rthresh是一个由系统需求确定的阈值；
E(a)是节点的能量指标函数，E(a)＝ERa μ，其中ERa代表节点a的剩余能量比率，当节点a为外接电源供电时该值为1，而μ是大于1的可调系数；
C(a)是节点社交属性，C(a)＝∑1≤i≤P，i≠aln[Si(a)]，其中，Si(a)代表节点a从第i个节点处获得的数字货币收入总量，P代表曾经给a发送过数字货币的节点的总数；
通过以上模型计算出权值Weight(a)后，最终确定节点是否担任记账节点基于判断下式是否成立：Weight(a)×RAND≥SRAND，如果成立，则节点a成为记账节点；否则，节点不担任记账节点。
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