CN110458540B - 一种基于贡献度的随机签共识机制算法 - Google Patents

一种基于贡献度的随机签共识机制算法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了一种基于贡献度的随机签共识机制算法。该共识机制算法的提出目的在于将共识机制与贡献度相结合，贡献度可以是任何场景下的贡献指标。由于共识机制是用来选择生成区块的矿工的，因此贡献度是与每一个节点绑定在一起的，每个节点都具备自己的贡献度。该算法依赖于节点的贡献度，将贡献度进行标准化处理，根据合理的贡献度占比计算方式，以此生成适量的具有唯一标识的签，再按每个节点的贡献度占比将这些签随机分发给每一个节点，贡献度越高者获得的签数量就越多。然后，从生成的所有签中随机抽取一个签，若某节点有与该签相同的签即被选为矿工。下次选择矿工时，会根据下一时刻的贡献度情况重新生成签进行矿工选择。

Description

一种基于贡献度的随机签共识机制算法
技术领域
本发明涉及一种基于贡献度的随机签共识机制算法，属于区块链底层技术领域。
背景技术
区块链技术在近几年持续发展，其底层是由多种技术结合来实现的，在这些技术中共识机制是区块链里极其关键的部分。随着技术不断进步，共识机制的类型也越来越多，常见的如PoW工作量证明共识机制、PoS股权证明共识机制、DPoS授权股权证明共识机制、PBFT实用拜占庭容错共识机制等，这些共识机制各有各的优势，然而它们中的大部分实际上并不能很好地与现实应用结合，例如PoW工作量证明共识机制依靠算力来选择矿工，极大地浪费计算机资源；PoS股权证明共识机制按照持币数量比例以及持有时间来选择矿工，尽管节能，但实际意义不大。而当今社会崇尚贡献越多，得到越多的观念，因此若能将贡献与区块链的共识机制相结合是一种合理的方式。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出了自适感知式的区块链混合共识机制架构及其使用方法。
该共识机制算法的提出目的在于将共识机制与贡献度相结合，贡献度可以是任何场景下的贡献指标。由于共识机制是用来选择生成区块的矿工的，因此贡献度是与每一个节点绑定在一起的，每个节点都具备自己的贡献度。该算法依赖于节点的贡献度，将贡献度进行标准化处理，根据合理的贡献度占比计算方式，以此生成适量的具有唯一标识的签，再按每个节点的贡献度占比将这些签随机分发给每一个节点，贡献度越高者获得的签数量就越多。然后，从生成的所有签中随机抽取一个签，若某节点有与该签相同的签即被选为矿工。下次选择矿工时，会根据下一时刻的贡献度情况重新生成签进行矿工选择。
为了达到以上目的，本发明提供了一种基于贡献度的随机签共识机制算法，所述共识机制算法包括如下部分：
挖矿奖励计算，
该共识机制算法的挖矿奖励是根据平台状态动态变化的，依赖于区块链运行时间、平台总贡献度、平台用户活跃度和用户贡献均衡度四个因素决定；
随机签分发，
该共识机制算法在选择矿工之前，首先根据各节点的贡献度计算出每个节点的贡献度占比，同时根据节点总贡献度生成适当数量的签，根据占比将这些签随机地分发给各节点，以签来作为选择矿工的标准；
矿工选择，
该共识机制算法将签分发给每个节点后，会从生成的所有签中随机抽取一个签作为矿工签，通过矿工签去匹配各节点手上的签，若匹配且验证成功，即将该节点选为矿工，并发放矿工奖励。
进一步的，所述挖矿奖励计算中，
区块链运行时间T：指区块链平台从开始运作时刻与当前时刻的时间差；该因素与挖矿奖励应该呈正相关，即区块链运行时间越长，挖矿奖励就越多，但奖励增长趋势应是随时间推移而变缓；
平台总贡献度C：指区块链平台所有有效节点的贡献度总和；该因素与挖矿奖励应该呈正相关，即平台总贡献度越多，挖矿奖励就越多，但奖励增长趋势应是随平台总贡献度增加而变缓；
平台用户活跃度A：指各节点在区块链平台上的活跃情况，也就是各节点在平台上进行各项操作的综合统计数值，以此来反应平台对用户的价值性；该因素与挖矿奖励应该呈正相关，即平台用户活跃度越高，挖矿奖励就越多，但奖励增长趋势应是随着平台用户活跃度增高而变缓；
用户贡献均衡度B：指区块链平台上各节点的贡献度分布均衡性，以此因素来避免由于某少数节点贡献极多而主导平台总贡献度的状况，激励节点合理的贡献于平台；该因素与挖矿奖励应该呈正相关，即用户贡献均衡度越高，挖矿奖励就越多，但奖励增长趋势应是随着用户贡献均衡度增高而变缓。
进一步的，通过层次分析法AHP对前述四个因素的权重进行计算，以此判断对于不用的应用场景中，四个因素的重要程度的差异。
进一步的，所述随机签共识机制算法为：首先对签的生成进行说明，本质上签就是某数字进行加密后的结果，根据区块链平台用户节点的总贡献度随机生成N个数字，这些数字并非是连续的，然后采用椭圆曲线加密算法对这些数字进行加密，生成N个数字密文，即生成N个签，由于生成的N个数字都是不同的，因此签也是唯一的。
其具体步骤如下：
步骤1，共识机制算法开始运作后，从区块链平台中获得区块链运行时间、平台总贡献度、平台用户活跃度和用户贡献均衡度，根据这四个因素计算本次共识机制生成区块所需要发放的挖矿奖励，计算完毕后将挖矿奖励值临时存储在奖励缓存池中，等待被使用；
步骤2，挖矿奖励处理完毕后，再次向区块链平台获取平台总贡献度和每个用户节点的个人贡献度，此时需要验证每个用户节点和其个人贡献度值是否有效；若验证无效，即将相应的用户节点排除在本次挖矿候选人外，本次挖矿也不再考虑该节点的贡献度，并在平台总贡献度中将其减去；若验证有效，即检验下一个节点；当所有节点都检验完毕后，就进行生成随机签环节；
步骤3，生成随机签时，根据获取到的各用户节点的个人贡献度和平台总贡献度，用如下公式计算每个用户节点的贡献度占比：
Pi＝ci/C
其中，Pi表示i节点的贡献度占比；ci表示i节点的个人贡献度；C表示平台总贡献度；以平台总贡献度为上限，1为下限，通过随机数算法从该数字区间中选取N个不相同且不连续的数字，N不能过小也不能过大，由平台开发者进行分析选择。再通过椭圆曲线加密算法对选取到的N个数字进行加密封装，以确保数字的隐私性，所以数字加密封装完毕后，生成本次挖矿的随机签集合，也称为随机签域；
步骤4，随机签生成后，就要将随机签分发给每一个用户节点。先前计算了每一个用户节点的贡献度占比，根据贡献度占比可计算求得每个用户节点应该被分发多少个随机签，如下公式所示：
ni＝N·Pi
其中，ni表示i节点应获得的随机签数量；
计算统计完每一个用户节点应获得的随机签数量后，即进行随机签的分发，为了保证用户节点获得的随机签确实来源于平台，避免被攻击者篡改随机签，分发随机签之前利用椭圆曲线数字签名进行签名操作，即用椭圆曲线私钥对随机签进行签名，签名完毕后分发给相应的用户节点，从随机签域中选择随机签时依然是随机选取。当用户节点收到平台分发的随机签时，立即就会对随机签来源进行验证，若验证无效，则马上反馈给平台，平台根据先前分发随机签的临时记录，再一次将该随机签分发给反馈用户节点；若验证有效，则无需任何操作，等待抽签即可；
步骤5，随机签分发到每个有效用户节点之后，即进行抽签选择矿工步骤。算法从本次生成的随机签中随机抽取一个随机签，用该随机签与每一个用户节点中的随机签进行匹配，匹配过程需要对随机签进行解密操作；倘若在A节点中匹配到了该随机签，那么A节点就被选为了本次生成区块的矿工；
步骤6，矿工选择完毕后，即由该矿工节点生成新的区块，同时从奖励缓存池中获取本次挖矿奖励值，根据挖矿奖励值将挖矿奖励分发给该矿工，此时本次挖矿结束；
步骤7，在进行下一次挖矿时，需要对1-6步骤重新执行，也就是需要重新获取区块链运行时间、平台总贡献度、平台用户活跃度和用户贡献度均衡度来计算挖矿奖励和随机签域
与现有技术相比，本发明的主要贡献和特点在于：
(1)该共识机制不需要消耗大量算力，节能。
(2)该共识机制满足贡献度大者更可能成为矿工。
(3)该共识机制适用于多种社会场景。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中挖矿奖励计算结构图。
图2为本发明中基于贡献度的随机签共识机制算法流程图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示是本发明的挖矿奖励计算结构图，具体计算方法如下：
一般的区块链共识机制挖矿奖励的设定是由多逐渐减少的趋势，这样的设定符合货币发行的原则，但不适合实际运用的场景。在结合社会贡献度的前提下，挖矿奖励应该与社会贡献度息息相关，遵循投入产出平衡原则。以该原则为基准，提出了四个因素决定挖矿奖励，即区块链运行时间、平台总贡献度、平台用户活跃度和用户贡献均衡度。
区块链运行时间T：指的是区块链平台从开始运作时刻与当前时刻的时间差。该因素与挖矿奖励应该呈正相关，即区块链运行时间越长，挖矿奖励就越多，但奖励增长趋势应是随时间推移而变缓。
平台总贡献度C：指的是区块链平台所有有效节点的贡献度总和。该因素与挖矿奖励应该呈正相关，即平台总贡献度越多，挖矿奖励就越多，但奖励增长趋势应是随平台总贡献度增加而变缓。
平台用户活跃度A：指的是各节点在区块链平台上的活跃情况，也就是各节点在平台上进行各项操作的综合统计数值，以此来反应平台对用户的价值性。该因素与挖矿奖励应该呈正相关，即平台用户活跃度越高，挖矿奖励就越多，但奖励增长趋势应是随着平台用户活跃度增高而变缓。
用户贡献均衡度B：指的是区块链平台上各节点的贡献度分布均衡性，以此因素来避免由于某少数节点贡献极多而主导平台总贡献度的状况，激励节点合理的贡献于平台。该因素与挖矿奖励应该呈正相关，即用户贡献均衡度越高，挖矿奖励就越多，但奖励增长趋势应是随着用户贡献均衡度增高而变缓。
四个因素对挖矿奖励的影响是有区别的，对不同的应用场景而言，四个因素的重要程度也是有差异的，这里通过层次分析法(AHP)对四个因素的权重进行计算。
层次分析法是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标(或准则、约束)的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序(权数)和总排序，以作为目标(多指标)、多方案优化决策的系统方法。
具体地，首先构建挖矿奖励因素的优先判别矩阵F＝(fij)n×n。其中，在构造优先判别矩阵F＝(fij)n×n时，使用表1来描述元素ai与元素aj之间的相对重要程度fij。
表1 AHP过程中使用的数量标度
Figure BDA0002143050440000061
接着，将优先判别矩阵转化成模糊一致矩阵，即将F＝(fij)n×n转化成模糊一致矩阵R＝(rij)n×n，其中：
Figure BDA0002143050440000062
Figure BDA0002143050440000071
随后，采用排序法计算排序向量W0。在本发明一实施例中，采用如下的公式计算排序向量W0：
Figure BDA0002143050440000072
且：
Figure BDA0002143050440000073
最后，引入幂法对排序向量W0进行迭代计算，得到权重S。具体步骤如下：
a)将模糊一致矩阵R＝(rij)n×n转化成互反模糊矩阵E＝(eij)n×n，其中
Figure BDA0002143050440000074
b)对公式
Figure BDA0002143050440000075
执行迭代运算，并在条件满足公式|M(k+1)|-|Mk|＜ε时结束运算。|M(k+1)|即为最大特征值，排序向量W0作为初始向量M0，ε为预设的误差，k＝1，2，…。
c)采用如下的公式对M(k+1)归一化处理，获得权重S：
Figure BDA0002143050440000076
在采用上述的方式得到区块链运行时间、平台总贡献度、平台用户活跃度和用户贡献均衡度，带入下面公式即可计算得到挖矿奖励的综合分。
Figure BDA0002143050440000077
根据AHP计算所得的挖矿奖励综合分，可进一步计算求其实际的挖矿奖励数量。由于四个因素与挖矿奖励的关系都是呈正相关且逐渐变缓趋势，所以最终通过如下公式计算得实际挖矿奖励：
reward＝BM·Score·ln(1+Score)
其中BM是挖矿基奖励，由平台开发者设定，且0≤Score≤1，并用对数函数来限制挖矿奖励随挖矿奖励综合分增加而变化的趋势。
如图2所示是本发明的基于贡献度的随机签共识机制算法流程图，具体流程分析如下：
首先对签的生成进行说明，本质上签就是某数字进行加密后的结果，本发明根据区块链平台用户节点的总贡献度随机生成N个数字，这些数字并非是连续的，然后采用椭圆曲线加密算法对这些数字进行加密，生成N个数字密文，即生成N个签，由于生成的N个数字都是不同的，因此签也是唯一的。
该算法的具体步骤如下：
步骤1.该共识机制算法开始运作后，先是从区块链平台中获得区块链运行时间、平台总贡献度、平台用户活跃度和用户贡献均衡度，根据这四个因素计算本次共识机制生成区块所需要发放的挖矿奖励，计算完毕后将挖矿奖励值临时存储在奖励缓存池中，等待被使用。
步骤2.挖矿奖励处理完毕后，再次向区块链平台获取平台总贡献度和每个用户节点的个人贡献度，此时需要验证每个用户节点和其个人贡献度值是否有效。若验证无效，即将相应的用户节点排除在本次挖矿候选人外，本次挖矿也不再考虑该节点的贡献度，并在平台总贡献度中将其减去；若验证有效，即检验下一个节点。当所有节点都检验完毕后，就进行生成随机签环节。
步骤3.生成随机签时，根据获取到的各用户节点的个人贡献度和平台总贡献度，用如下公式计算每个用户节点的贡献度占比：
Pi＝ci/C
其中，Pi表示i节点的贡献度占比；ci表示i节点的个人贡献度；C表示平台总贡献度。
然后，以平台总贡献度为上限，1为下限，通过随机数算法从该数字区间中选取N个不相同且不连续的数字，N不能过小也不能过大，由平台开发者进行分析选择。再通过椭圆曲线加密算法对选取到的N个数字进行加密封装，以确保数字的隐私性，所以数字加密封装完毕后，生成本次挖矿的随机签集合，也称为随机签域。
步骤4.随机签生成后，就要将随机签分发给每一个用户节点。先前计算了每一个用户节点的贡献度占比，根据贡献度占比可计算求得每个用户节点应该被分发多少个随机签，如下公式所示：
ni＝N·Pi
其中，ni表示i节点应获得的随机签数量。
计算统计完每一个用户节点应获得的随机签数量后，即进行随机签的分发，为了保证用户节点获得的随机签确实来源于平台，避免被攻击者篡改随机签，分发随机签之前利用椭圆曲线数字签名进行签名操作，即用椭圆曲线私钥对随机签进行签名，签名完毕后分发给相应的用户节点，从随机签域中选择随机签时依然是随机选取。当用户节点收到平台分发的随机签时，立即就会对随机签来源进行验证，若验证无效，则马上反馈给平台，平台根据先前分发随机签的临时记录，再一次将该随机签分发给反馈用户节点；若验证有效，则无需任何操作，等待抽签即可；
步骤5.随机签分发到每个有效用户节点之后，即进行抽签选择矿工步骤。算法从本次生成的随机签中随机抽取一个随机签，用该随机签与每一个用户节点中的随机签进行匹配，匹配过程需要对随机签进行解密操作。倘若在A节点中匹配到了该随机签，那么A节点就被选为了本次生成区块的矿工。
步骤6.矿工选择完毕后，即由该矿工节点生成新的区块，同时从奖励缓存池中获取本次挖矿奖励值，根据挖矿奖励值将挖矿奖励分发给该矿工，此时本次挖矿结束。
步骤7.在进行下一次挖矿时，需要对1-6步骤重新执行，也就是需要重新获取区块链运行时间、平台总贡献度、平台用户活跃度和用户贡献度均衡度来计算挖矿奖励和随机签域。
以上所述仅为本发明的一个具体实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于贡献度的随机签共识机制算法，其特征在于：所述共识机制算法包括如下部分：
挖矿奖励计算，
该共识机制算法的挖矿奖励是根据平台状态动态变化的，依赖于区块链运行时间、平台总贡献度、平台用户活跃度和用户贡献均衡度四个因素决定；
随机签分发，
该共识机制算法在选择矿工之前，首先根据各节点的贡献度计算出每个节点的贡献度占比，同时根据节点总贡献度生成适当数量的签，根据占比将这些签随机地分发给各节点，以签来作为选择矿工的标准；
所述随机签共识机制算法的具体步骤如下：
步骤1，共识机制算法开始运作后，从区块链平台中获得区块链运行时间、平台总贡献度、平台用户活跃度和用户贡献均衡度，根据这四个因素计算本次共识机制生成区块所需要发放的挖矿奖励，计算完毕后将挖矿奖励值临时存储在奖励缓存池中，等待被使用；
步骤2，挖矿奖励处理完毕后，再次向区块链平台获取平台总贡献度和每个用户节点的个人贡献度，此时需要验证每个用户节点和其个人贡献度值是否有效；若验证无效，即将相应的用户节点排除在本次挖矿候选人外，本次挖矿也不再考虑该节点的贡献度，并在平台总贡献度中将其减去；若验证有效，即检验下一个节点；当所有节点都检验完毕后，就进行生成随机签环节；
步骤3，生成随机签时，根据获取到的各用户节点的个人贡献度和平台总贡献度，用如下公式计算每个用户节点的贡献度占比：
Pi＝ci/C
其中，Pi表示i节点的贡献度占比；ci表示i节点的个人贡献度；C表示平台总贡献度；以平台总贡献度为上限，1为下限，通过随机数算法从数字区间中选取N个不相同且不连续的数字，N不能过小也不能过大，由平台开发者进行分析选择；再通过椭圆曲线加密算法对选取到的N个数字进行加密封装，以确保数字的隐私性，所以数字加密封装完毕后，生成本次挖矿的随机签集合，也称为随机签域；
步骤4，随机签生成后，就要将随机签分发给每一个用户节点；先前计算了每一个用户节点的贡献度占比，根据贡献度占比可计算求得每个用户节点应该被分发多少个随机签，如下公式所示：
ni＝N·Pi
其中，ni表示i节点应获得的随机签数量；
计算统计完每一个用户节点应获得的随机签数量后，即进行随机签的分发，为了保证用户节点获得的随机签确实来源于平台，避免被攻击者篡改随机签，分发随机签之前利用椭圆曲线数字签名进行签名操作，即用椭圆曲线私钥对随机签进行签名，签名完毕后分发给相应的用户节点，从随机签域中选择随机签时依然是随机选取；当用户节点收到平台分发的随机签时，立即就会对随机签来源进行验证，若验证无效，则马上反馈给平台，平台根据先前分发随机签的临时记录，再一次将该随机签分发给反馈用户节点；若验证有效，则无需任何操作，等待抽签即可；
步骤5，随机签分发到每个有效用户节点之后，即进行抽签选择矿工步骤；算法从本次生成的随机签中随机抽取一个随机签，用该随机签与每一个用户节点中的随机签进行匹配，匹配过程需要对随机签进行解密操作；倘若在A节点中匹配到了该随机签，那么A节点就被选为了本次生成区块的矿工；
步骤6，矿工选择完毕后，即由该矿工节点生成新的区块，同时从奖励缓存池中获取本次挖矿奖励值，根据挖矿奖励值将挖矿奖励分发给该矿工，此时本次挖矿结束；
步骤7，在进行下一次挖矿时，需要对1-6步骤重新执行，也就是需要重新获取区块链运行时间、平台总贡献度、平台用户活跃度和用户贡献度均衡度来计算挖矿奖励和随机签域；
矿工选择，
该共识机制算法将签分发给每个节点后，会从生成的所有签中随机抽取一个签作为矿工签，通过矿工签去匹配各节点手上的签，若匹配且验证成功，即将该节点选为矿工，并发放矿工奖励。
2.根据权利要求1所述的一种基于贡献度的随机签共识机制算法，其特征在于：所述挖矿奖励计算中，
区块链运行时间T：指区块链平台从开始运作时刻与当前时刻的时间差；该因素与挖矿奖励应该呈正相关，即区块链运行时间越长，挖矿奖励就越多，但奖励增长趋势应是随时间推移而变缓；
平台总贡献度C：指区块链平台所有有效节点的贡献度总和；该因素与挖矿奖励应该呈正相关，即平台总贡献度越多，挖矿奖励就越多，但奖励增长趋势应是随平台总贡献度增加而变缓；
平台用户活跃度A：指各节点在区块链平台上的活跃情况，也就是各节点在平台上进行各项操作的综合统计数值，以此来反应平台对用户的价值性；该因素与挖矿奖励应该呈正相关，即平台用户活跃度越高，挖矿奖励就越多，但奖励增长趋势应是随着平台用户活跃度增高而变缓；
用户贡献均衡度B：指区块链平台上各节点的贡献度分布均衡性，以此因素来避免由于某少数节点贡献极多而主导平台总贡献度的状况，激励节点合理的贡献于平台；该因素与挖矿奖励应该呈正相关，即用户贡献均衡度越高，挖矿奖励就越多，但奖励增长趋势应是随着用户贡献均衡度增高而变缓。
3.根据权利要求2所述的一种基于贡献度的随机签共识机制算法，其特征在于：通过层次分析法AHP对前述四个因素的权重进行计算，以此判断对于不用的应用场景中，四个因素的重要程度的差异。
4.根据权利要求1所述的一种基于贡献度的随机签共识机制算法，其特征在于：所述随机签共识机制算法为：首先对签的生成进行说明，本质上签就是某数字进行加密后的结果，根据区块链平台用户节点的总贡献度随机生成N个数字，这些数字并非是连续的，然后采用椭圆曲线加密算法对这些数字进行加密，生成N个数字密文，即生成N个签，由于生成的N个数字都是不同的，因此签也是唯一的。
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