CN110400218B - 基于陪审团制度的分层共识方法、区块链数据处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于分布式计算技术领域，公开了一种基于陪审团制度的分层共识方法、区块链数据处理系统，根据下级节点发送的可验证随机数，选择出随机数最大的若干下级节点成为陪审团成员Ki；组建好陪审团K之后，陪审团K通过领导者选举算法，在陪审团K内部选举出一个记账节点；在每个小片的上级节点中，选取一个广播节点；下级节点自由发送交易给所有上级节点，广播节点将收到的交易打包，陪审团藉由BFT算法进行共识；并将共识后的交易集合打包成块，并由记账节点将区块广播给所有上级节点，随后陪审团解散。本发明将原本庞大的交易数量分散到每个分片内和陪审团成员之间处理，达到提高tps的目的，同时有效地制约了拜占庭错误。

Description

基于陪审团制度的分层共识方法、区块链数据处理系统

技术领域

本发明属于分布式计算技术领域，尤其涉及一种基于陪审团制度的分层共识方法、区块链数据处理系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：目前，物联网技术方兴未艾。物联网技术是互联网、传统电信网等信息承载体，让所有的能独立行使功能的物体互相连通的网络。目前物联网的应用领域主要有运输和物流、健康医疗领域、智能环境等领域。然而物联网在实际应用中，对于信息的真实性和不可篡改性产生了需求，普通的分布式网络显然无法满足不可篡改的性质。区块链，是用分布式数据库识别、传播和记载信息的智能化对等网络。区块链网络中的数据在网络中的设备上都有一份备份，一旦数据被网络认可，就无法更改。在区块链中，共识算法有着重要的地位，决定了区块链网络中每秒钟能处理提案的数量，即tps。当前的共识算法中，比较有代表性的有pbft、pow，pos等。这些算法目前广泛的应用于各类区块链中。其中，IBM的hyperledger使用PBFT，bitcoin使用了pow，。但是，这些区块链都面临着同样的问题：低并发、低TPS。而以太坊每秒仅能处理低于20笔的交易。低效的共识一直制约着区块链技术的落地。目前已经有相关的专利尝试提高相应的性能。现有技术一“一种基于P2P金融的区块链机制与共识算法”中，引入了leader来计算发起的交易，但是网络中每次只有一个leader，导致交易无法被及时处理。现有技术二“一种低延迟的分布式共识算法”，在网络运行的过程中实时计算多个共识算法的平均延时，并选择最优算法。但是算法的最优性能仍然取决于选择的已有的共识算法。而且只能解决非拜占庭错误，不能解决拜占庭错误。区块链和物联网技术的结合正需要高并发和高tps的区块链，而做到高tps和高并发的区块链正需要高效的共识算法，都无法满足需求。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术一引入了leader来计算发起的交易，网络中每次只有一个leader，一旦节点规模上升，交易量增大，leader有限的计算能力将会限制网络的tps，即交易的处理速度，导致交易无法被及时处理。要改善这种情况，最有效的便是优化网络结构。导致交易无法被及时处理。如果交易无法及时处理，会导致交易被接收到交易完成之间的时间间隔显著增大，无法满足高实时的需求。解决该问题，可以显著减少交易处理的等待时间，提高区块链系统的实时性，可以支持诸如股票交易之类对实时性要求高的系统。

(2)现有技术二使用paxos算法，只能解决非拜占庭错误，不能解决拜占庭错误，一旦网络中有节点作恶，共识的正确性将会遭到破坏；区块链和物联网技术的结合正需要高并发和高tps的区块链，做到高tps和高并发的区块链正需要高效的共识算法，都无法满足需求。

解决上述技术问题的难度和意义：优化的挑战在于：1.改善单一leader的网络结构，打造高并发高tps的区块链。2.兼容拜占庭错误，在恶意节点数量不超过四分之一的情况，保证共识的正确性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于陪审团制度的分层共识方法、区块链数据处理系统。

本发明是这样实现的，一种基于陪审团制度的分层共识方法，所述基于陪审团制度的分层共识方法包括：

步骤一，在每个小片内，根据下级节点发送的可验证随机数，选择出随机数最大的若干下级节点成为陪审团成员Ki；陪审团节点身份对下级节点保密且陪审团节点之间的交互仅仅只在陪审团K内部进行；

步骤二，组建好陪审团K之后，陪审团K通过领导者选举算法，在陪审团K内部选举出一个记账节点；在每个小片的上级节点中，选取一个广播节点；

步骤三，下级节点自由发送交易给所有上级节点，广播节点将收到的交易打包，当交易集合达到2MB，则将交易集合广播给陪审团K，由陪审团藉由BFT算法进行共识；并将共识后的交易集合打包成块，并由记账节点将区块广播给所有上级节点，随后陪审团解散，重回步骤一。

进一步，所述步骤一中初始化在上级节点中生成一个nonce串，nonce串作为该节点的唯一地址；上级节点将nonce串、自己在网络中的IP地址打包并签名，发送给网络中的所有节点；各下级节点生成自己的nonce串，将nonce串和自己在网络中的IP地址打包并签名，发送给自己所在分片内的上级节点；上级节点将下级节点所发送的IP和nonce串的组合打包，发送给其余的上级节点；待上级节点确认收到所有别的上级节点所属分片中的下级节点的IP和nonce串的组合的包后，再将包发给自己所属分片中的所有下级节点；当上级节点收到第一条交易之后，给所有下级节点发送开始共识消息，这个时候下级节点给上级节点发送可验证随机数。

进一步，所述步骤二中的记账节点将交易集合打包成块发送给所有上级节点Ai,j，然后上级节点Ai,j不会再发送交易集合给陪审团节点Ki，陪审团节点Ki丧失陪审团节点身份；各分片的广播节点重新在下级节点Bi,j中选取陪审团成员，广播节点发送一条开始共识消息，然后根据下级节点发送的可验证随机数，选择出随机数最大的若干下级节点成为陪审团成员Ki。

进一步，所述步骤二中当所有分片都选举出陪审团成员Ki后，各分片中的广播节点互相广播陪审团成员名单，然后广播节点将所有陪审团成员名单的<ID,sig(ID)>对发送给本分片的陪审团成员Ki，使得陪审团成员之间可以互相通信，K1，K2，K3，……KN，N个分片内所有陪审团节点组成陪审团K，K通过领导者选举算法在各个分片内的上级节点中选出一个广播节点，在陪审团K内部通过领导者选举算法，选举出一个记账节点。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于陪审团制度的分层共识方法的区块链数据处理系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：在处理交易的过程中，把节点分片，交易仅仅在片内由下级节点广播给若干上级节点，然后广播节点(在上级节点中被选举出来的节点)将交易累加成一个交易集合；同时参考陪审团制度，在共识算法中引入了由各个分片选举的陪审团，用来处理交易集合。本发明将原本庞大的交易数量分散到每个分片内和陪审团成员之间处理，达到提高tps的目的，同时有效地制约了拜占庭错误。

本发明将网络中数量庞大的节点划分为一个个的小片，每个小片内有一定量的节点，和一个独立的记账节点负责记录小片内部的交易，这样就使得每一个记账节点处理的交易量被限制在一个比较小的规模，提高了网络整体的交易速度；另外，从每个小片中选举出一个节点，这些被选中的节点组建为陪审团，专门负责处理交易。网络中所有的节点都可以更高效地自由交易，并且能对节点的作恶行为形成有效的制约。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于陪审团制度的分层共识方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于陪审团制度的分层共识方法实现流程图。

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。

本发明旨在解决网络中每次只有一个leader，导致交易无法被及时处理；不能解决非拜占庭错误，不能解决拜占庭错误。本发明将原本庞大的交易数量分散到每个分片内和陪审团成员之间处理，达到提高tps的目的，同时有效地制约了拜占庭错误。

下面结合附图对本发明的技术方案作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于陪审团制度的分层共识方法包括以下步骤：

S101：在每个小片内，藉由广播节点(初始化的时候，上级节点只有一个，这个上级节点就是广播节点)发送一条开始共识消息，然后根据下级节点发送的可验证随机数，选择出随机数最大的若干下级节点成为陪审团成员Ki。当所有小片均选举出陪审团节点后，这些陪审团节点一起组建好陪审团K。陪审团节点身份对下级节点保密且陪审团节点之间的交互仅仅只在陪审团K内部进行；

S102：组建好陪审团K之后，陪审团K通过领导者选举算法，在陪审团K内部选举出一个记账节点；在每个小片的上级节点中，选取一个广播节点；

S103：下级节点自由发送交易给所有上级节点，广播节点将交易添加进交易集合，等到交易集合大小大于等于2MB时，将交易集合广播给陪审团K，由陪审团藉由BFT算法进行共识，将交易集合打包成块，并由记账节点将区块广播给所有上级节点，随后陪审团解散，重回步骤S101。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明实施例提供的基于陪审团制度的分层共识方法具体包括以下步骤：

S1，初始化，整个分布式网络共有w个节点，被划分为N个分片S₁，S₂，……，S_N，每一个分片内有U_i个上级节点和M_i个下级节点，其中上级节点指在分片中有较强算力，负责区块存储的节点，下级节点指在分布式网络中，提交交易，或担任陪审团成员，而不负责存储区块的节点，i∈N⁺。对一笔交易T_k，其中k为交易的唯一编号，k∈N⁺，记录在区块链L中，上级节点有一张表E_i，这张表存储其下属的下级节点B_i，j的<ID，sig(ID)>对，其中IP为网络中节点的网络地址，ID为每个节点在该分布式网络中的的唯一标识符，sig(ID)表示该ID对应节点的公钥，E_i表示第i个分片的上级节点所拥有的表，B_i，j表示第i个分片中的第j个下级节点，1≤i≤N，1≤j≤M_i。任一节点可以将全部节点与其ID一一对应。

S2，选取陪审团。每当上一个区块被接收并写上区块链的时候，在各分片的下级节点中选取陪审团成员。陪审团指从各分片S_i中的下级节点B_i，j中选取的，负责对交易集合和消息进行共识的节点群。在各分片S_i中，广播节点发送一条开始共识消息，然后根据下级节点发送的可验证随机数，选择出随机数最大的若干下级节点成为陪审团成员Ki，K_i指第i个分片的陪审团节点，i∈N⁺，由若干个。这种方法下，所有陪审团成员的身份对于上级节点是已知的。

S3，共识记账节点，当所有分片都选举出陪审团成员K_i后，由K₁，K₂，K₃，……。K_N，N个分片内所有陪审团节点组成陪审团K，K通过领导者选举算法在各个分片内的上级节点中选出一个广播节点，在K中选出一个记账节点。

S4，处理交易，所有节点要进行交易的时候，都需要把交易T发送给所在分片内的上级节点。陪审团K中的记账节点负责记录通过共识的交易集合P_K，待P_K通过其他陪审团节点的验证之后，记账节点将P_K打包成块发送给所有上级节点，随即解散陪审团K。转到步骤S2。

下面结合性能分析对本发明的技术效果做详细的描述。

在网络组建阶段，上级节点向下级节点发送自己的ID等，发送信息数量为O(U_i*w)；下级节点向本分片中的所有节点发送消息，然后上级节点向所属分片的下级节点广播ID信息，消息复杂度为O(M_i ²)；于是总的消息复杂度为O(U_i*w+M_i ²)。

陪审团选取阶段，每个上级节点首先向本分片被选中为陪审团成员的节点发送消息，则消息复杂度为O(N*j)，N为分片数量，j为每个分片中的陪审团成员数量。然后在上级节点的网络中交换陪审团成员信息，消息复杂度为O(N²)；之后每个分片内的上级节点向所属分片内的陪审团成员节点发送全部陪审团成员名单，消息复杂度为O(N*j)。

共识阶段，陪审团内部共识，使用BFT算法，消息复杂度为O(U_i+N*j)，

综上，本发明算法总体的消息复杂度为O(∑U_i+N*j)，

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

具体实施方法：

1)算法开始前，需要保证网络中所有的上级节点和下级节点都是可连通的。初始化时，首先在上级节点中生成一个nonce串，可以使用sha256算法、sha512算法等，然后将该nonce串作为该节点的唯一地址。上级节点将该nonce串、自己在网络中的IP地址打包并签名，发送给网络中的所有节点。然后，各下级节点生成自己的nonce串，将这个nonce串和自己在网络中的IP地址打包并签名，发送给自己所在分片内的上级节点。上级节点将下级节点所发送的IP和nonce串的组合打包，发送给其余的上级节点。待上级节点确认收到所有别的上级节点所属分片中的下级节点的IP和nonce串的组合的包后，再将这些包发给自己所属分片中的所有下级节点。具体的加密和签名算法可以使用RSA，Diffie-Hellman等主流非对称加密算法。

2)选取陪审团：每当上级节点收到来自陪审团的区块时，上级节点发送小东西解散陪审团K，具体来说，记账节点将区块打包发送给所有上级节点A_i，j，然后上级节点A_i，j不会再发送交易集合给陪审团节点K_i，陪审团节点K_i丧失陪审团节点身份。各分片的广播节点重新在下级节点B_i，j中选取陪审团成员，广播节点发送一条开始共识消息，然后根据下级节点发送的可验证随机数(一种可靠的可以验证的随机数生成算法)，选择出随机数最大的若干下级节点成为陪审团成员Ki，此时广播节点同样失去广播节点的地位。

3)共识记账节点：当所有分片都选举出陪审团成员K_i后，各分片中的广播节点互相广播陪审团成员名单，然后广播节点将所有陪审团成员名单的<ID，sig(ID)>对发送给本分片的陪审团成员K_i，使得陪审团成员之间可以互相通信。随后，K₁，K₂，K₃，……。K_N，N个分片内所有陪审团节点组成陪审团K，K通过领导者选举算法在各个分片内的上级节点中选出一个广播节点，在陪审团K内部通过领导者选举算法，选举出一个记账节点。在实际应用中，领导者选举算法的具体选定可以依据实际情况自由决定。

4)处理交易：所有节点在进行交易的时候，都需要把交易发送给所在分片内的广播节点。

对于普通的消息传播，在实际应用中可以将其作为交易额为0的交易处理。

以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，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 (5)

1.一种基于陪审团制度的分层共识方法，其特征在于，所述基于陪审团制度的分层共识方法包括：

步骤一，在每个小片内，根据下级节点发送的可验证随机数，选择出随机数最大的若干下级节点成为陪审团成员Ki；陪审团节点身份对下级节点保密且陪审团节点之间的交互仅仅只在陪审团K内部进行；

步骤二，组建好陪审团K之后，陪审团K通过领导者选举算法，在陪审团K内部选举出一个记账节点；在每个小片的上级节点中，选取一个广播节点；

步骤三，下级节点自由发送交易给所有上级节点，广播节点将收到的交易打包，当交易集合达到2MB，则将交易集合广播给陪审团K，由陪审团藉由BFT算法进行共识；并将共识后的交易集合打包成块，并由记账节点将区块广播给所有上级节点，随后陪审团解散，重回步骤一。

2.如权利要求1所述的基于陪审团制度的分层共识方法，其特征在于，所述步骤一中初始化在上级节点中生成一个nonce串，nonce串作为该节点的唯一地址；上级节点将nonce串、自己在网络中的IP地址打包并签名，发送给网络中的所有节点；各下级节点生成自己的nonce串，将nonce串和自己在网络中的IP地址打包并签名，发送给自己所在分片内的上级节点；上级节点将下级节点所发送的IP和nonce串的组合打包，发送给其余的上级节点；待上级节点确认收到所有别的上级节点所属分片中的下级节点的IP和nonce串的组合的包后，再将包发给自己所属分片中的所有下级节点；当上级节点收到第一条交易之后，给所有下级节点发送开始共识消息，这个时候下级节点给上级节点发送可验证随机数。

3.如权利要求1所述的基于陪审团制度的分层共识方法，其特征在于，所述步骤二中的记账节点将交易集合打包成块发送给所有上级节点Ai,j，然后上级节点Ai,j不会再发送交易集合给陪审团节点Ki，陪审团节点Ki丧失陪审团节点身份；各分片的广播节点重新在下级节点Bi,j中选取陪审团成员，广播节点发送一条开始共识消息，然后根据下级节点发送的可验证随机数，选择出随机数最大的若干下级节点成为陪审团成员Ki。

4.如权利要求1所述的基于陪审团制度的分层共识方法，其特征在于，所述步骤二中当所有分片都选举出陪审团成员Ki后，各分片中的广播节点互相广播陪审团成员名单，然后广播节点将所有陪审团成员名单的<ID,sig(ID)>对发送给本分片的陪审团成员Ki，使得陪审团成员之间可以互相通信，K1，K2，K3，……KN，N个分片内所有陪审团节点组成陪审团K，K通过领导者选举算法在各个分片内的上级节点中选出一个广播节点，在陪审团K内部通过领导者选举算法，选举出一个记账节点。

5.一种应用权利要求1～4任意一项所述基于陪审团制度的分层共识方法的区块链数据处理系统。

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