CN110766551A - 一种基于改进Kafka共识机制的联盟链及交易方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进Kafka共识机制的联盟链及交易方法。联盟链中项目i的背书节点，用于接收项目i授权的用户对项目i中的智能合约发起的交易，并对该交易进行预执行得到响应结果、根据智能合约中抵押的信誉积分计算该交易的信誉积分以及对该交易进行背书记录，然后签名后发送给用户；服务节点，用于接收满足背书策略的交易，然后找到该交易所属的项目队列，并按照交易的信誉积分高低对该项目队列中的交易进行排序，将前N个交易打包成一个区块并转发给项目i的参与节点；参与节点，用于对收到的区块中每笔交易的用户签名信息和背书记录信息进行验签，若其中一笔交易通过背书策略则将其标记为合法并更新状态数据库，否则标记为不合法。

Description

一种基于改进Kafka共识机制的联盟链及交易方法

技术领域

本发明属于密码学技术领域，涉及一种基于改进Kafka共识机制的联盟链及交易方法。

背景技术

以比特币、Zcash、以太坊等为代表的公有链，有去中心化、去信任化等主要特点。私有链则以强中心化为特点，被个人或机构所拥有，无法被公众参与或第三方参与，具有一定的隐私性。联盟链作为一种介于公有链和私有链之间的一种折中的区块链解决方案，兼具私有链的隐私性和公有链去中心化的特性。联盟链是指由多个机构或组织共同管理的区块链，每个机构都运行着一个或多个节点，其中的数据只允许系统内不同的机构进行读写和发送交易，并且共同来记录交易数据。

以R3、Hyperledger、金链盟为代表的联盟链，强调同业或跨行业间的机构或组织间的价值与协同的强关联性以及联盟内部的弱中心化。联盟链以降低成本、提升效率为主要目标，以强身份许可、安全隐私、高性能、海量数据等为主要技术特点。一般而言，联盟链的共识节点均是可被验证身份的，并拥有高度治理结构的协议或商业规则。如果出现异常状况，可以启用监管机制和治理措施做出跟踪惩罚或进一步的治理措施，以减少损失。

Hyperledger Fabric作为企业级联盟链的基础设施，支持可插拔的共识。Fabric中的共识包括背书、排序和验证三个环节。背书环节中背书节点对收到的来自客户端的请求(交易提案)按照自身的逻辑进行检查，以决策是否予以支持；排序是对一段时间内的一批交易达成一个网络内全局一致的顺序；记账节点对排序后的一批交易进行提交到账本之前会进行最终检查。共识机制可以根据具体的部署方案和信任假设来挑选，在Fabric 1.0及以后的版本中，Fabric提供了Kafka共识机制。Kafka共识机制基于Kafka集群的排序实现，支持非拜占庭容错，具有可持久化和可扩展性等特性，适合在生产环境中使用。

智能合约是一套以数字形式定义的承诺，承诺控制着数字资产并包含了合约参与者约定的权利和义务，由计算机系统自动执行。智能合约程序不只是一个可以自动执行的计算机程序，它本身就是一个系统参与者，对接收到的信息进行回应，可以接收和储存价值，也可以向外发送信息和价值。这个程序就像一个可以被信任的人，可以临时保管资产，总是按照事先的规则执行操作。

PoR信誉共识(Proof of Reputation)由贝壳链(Bitconch)提出。PoR信誉共识算法通过Bit-R三维信誉体系(Bitconch Reputation System)选择诚信节点来有效抗中心化，通过PBFT实用性拜占庭容错提高共识效率，通过Sharding分片技术实现多节点协作。其中，Bit-R三维信誉体系通过社交、持币时间、算力贡献三个维度来构建数学模型量化节点在区块链世界的信誉值。

区块链旨在打造一个去信任的平台，但在当下“信任危机”愈发严重的社会中，为了使区块链更好地适应实际场景，银行等金融公司积极探索区块链与个人信誉结合的应用场景。目前，区块链中的信誉大多被用作共识机制，即由少部分信誉度极高的个人或组织进行记账，但信誉度低的节点仍可获得与信誉度高的节点均等的系统资源，即节点发起交易后被区块链系统处理的优先级，为了解决这个问题，我们提出了如下方案。

发明内容

本发明改进了Kafka共识机制，并引入用户信誉积分的概念，实现了一种基于改进Kafka共识机制的高吞吐量的联盟链及交易方法，该联盟链称为信誉联盟链。在该信誉联盟链中，每个智能合约的参与者都要抵押一定数额的信誉积分，并且每笔交易都对应一个智能合约的操作并拥有一个信誉积分值，拥有高信誉积分的交易将被优先执行和上链。参与节点包括背书节点，每个智能合约制定的背书策略不同，即每个智能合约指定的背书节点不同。为了方便描述，下面的阐述均忽略了成员访问具体操作。

本发明的技术方案为：

一种基于改进Kafka共识机制的联盟链，包括Kafka服务节点、多个参与节点和若干项目，每一项目包含若干个智能合约，每个智能合约对应一背书策略，每个智能合约指定若干参与节点作为该智能合约的背书节点；其特征在于，所述智能合约中设置一需抵押的信誉积分；其中

项目i的背书节点，用于接收项目i授权的用户对该项目i中的智能合约a发起的交易，并对该交易进行预执行得到响应结果、根据智能合约a中抵押的信誉积分计算该交易的信誉积分以及对该交易进行背书记录，然后将背书记录和该交易的信誉积分签名后发送给用户；

Kafka服务节点，用于接收用户发送的满足背书策略的交易，然后找到该交易所属的项目队列，并按照交易的信誉积分高低对该项目队列中的交易进行排序，当该项目队列中的交易数大于区块最大交易数N的两倍或者项目队列的等待时间到达设定最大间隔时间，则将该项目队列中前N个交易打包成一个区块并转发给该项目i的参与节点，如果到达最大时间间隔时不够N个交易，则将该项目队列中的所有交易打包成一个区块并转发给该项目i的参与节点；

参与节点，用于对收到的区块中的每笔交易的用户签名信息和背书记录信息进行验签，若其中一笔交易通过背书策略则将其标记为合法并更新状态数据库，否则标记为不合法。

进一步的，所述参与节点对标记为合法的交易进行上链并发起交易。

进一步的，所述参与节点对标记为不合法的交易进行上链，用于追踪到作恶的参与节点。

进一步的，根据智能合约a中抵押的信誉积分计算该交易的信誉积分的方法为：交易双方A、B实例化智能合约a时各自抵押一定数额的信誉积分，并规定如果智能合约a按照流程正常结束，则返回各自的信誉积分，如果一方违约，则将信誉积分转移给对方，如果双方违约则销毁双方的信誉积分；背书节点将交易方A、B抵押的信誉积分进行加和，得到该交易的信誉积分。

进一步的，根据智能合约a中抵押的信誉积分计算该交易的信誉积分的方法为：用户发起的交易为合约更新操作交易，智能合约a中抵押的信誉积分为智能合约a中各参与者的抵押信誉积分；背书节点将该智能合约a中各参与者抵押信誉积分的总和作为该交易的信誉积分。

一种基于改进Kafka共识机制的联盟链交易方法，其步骤包括：

1)项目i的背书节点接收项目i授权的用户对该项目i中的智能合约a发起的交易，并对该交易进行预执行得到响应结果、根据智能合约a中抵押的信誉积分计算该交易的信誉积分以及对该交易进行背书记录，然后将背书记录和该交易的信誉积分签名后发送给用户；所述智能合约a中设置一需抵押的信誉积分；

2)用户判断收到的背书节点对该交易的背书是否满足背书策略，如果满足背书策略则用户将该交易发送给Kafka服务节点；

3)Kafka服务节点该交易所属的项目队列，并按照交易的信誉积分高低对该项目队列中的交易进行排序，当该项目队列中的交易数大于区块最大交易数N的两倍或者该项目队列的等待时间到达设定最大间隔时间，则将该项目队列中前N个交易打包成一个区块并转发给该项目i的参与节点；如果到达最大时间间隔时不够N个交易，则将该项目队列中的所有交易打包成一个区块并转发给该项目i的参与节点；

4)参与节点对收到的区块中的每笔交易的用户签名信息和背书记录信息进行验签，若其中一笔交易通过背书策略则将其标记为合法并上链，否则标记为不合法。

本发明在交易信息中增加了信誉积分，即改进后的区块交易信息包括头部信息、用户签名值、提案、响应、背书记录和信誉积分。

大致操作如下：

联盟链中可存在多个项目，针对每一项目，每位用户需要授权访问控制并且用户的初始信誉积分都相同。每个项目可包含多个智能合约，智能合约在加入联盟链的时候都会规定好背书策略(即一笔交易需要哪些背书节点背书，满足后才算交易合法)。

一般交易流程：用户发起的每笔交易都对应一个对智能合约的操作(即用户被一项目授权了访问控制权限，则可以对该项目中的智能合约发起一笔交易，该智能合约对该笔交易进行响应)。用户发起一笔交易，并将该交易转发给该交易所属项目包含的多个背书节点。每一背书节点对该交易进行预执行得到响应结果、计算该笔交易的信誉积分(下面会详细介绍如何计算，分为两种情况：一种是合约初始化交易，一种是更新合约交易)以及对该交易进行背书记录，背书节点将背书记录和该交易的信誉积分签名后发送给用户(此处背书节点并不将该交易上链，因为可能需要多个背书节点背书后才满足背书策略，此交易才可上链)。用户判断收到的背书节点对该笔交易的背书是否满足背书策略。如果满足该背书策略则用户再将该笔交易发送给Kafka服务节点，Kafka服务节点找到该笔交易所属的项目队列(项目队列是指某一项目的队列，该队列只处理属于该项目的交易)，将该交易入列后，按照交易的信誉积分高低对该项目中的交易进行排序，当该项目中的交易数大于区块最大交易数N的两倍时或者该项目队列的等待时间到达设定最大间隔时间，则打包该项目队列中前N个交易成一个区块并转发给该项目的参与节点(如果到达最大时间间隔时不够N个交易，则打包该项目中的所有交易)，剩下的交易仍保留在项目队列中，重复该过程。该项目的每位参与节点都对收到的区块中的每笔交易的用户签名信息和背书记录信息进行验签，若某笔交易通过背书策略则标记为合法并更新状态数据库，不通过则标记为不合法。随后项目参与节点对该区块进行上链，此处将不满足背书策略的交易上链，可以更好的追踪到作恶的参与节点，但一般正常情况还是需要满足背书策略才可发起交易。

合约初始化交易流程：用户A与B制定了智能合约规则，规定了双方此次实例化(初始化)智能合约各自需要抵押的信誉积分，并规定如果合约按照流程正常结束，则返回各自的信誉积分，如果一方违约，则将信誉积分转移给对方，如果双方违约则销毁双方的信誉积分。首先，由用户A或B发起合约初始化交易，并将交易转发给交易所属的背书节点，背书节点将A和B抵押的信誉积分进行加和，算出该笔交易的信誉积分，其他步骤如上述一般交易流程。

合约更新操作交易流程：用户A发起合约更新操作交易，并将交易转发给交易所属的背书节点，背书节点查询该合约抵押信誉积分数额(即合约参与者抵押信誉积分的总和)，得到的数额作为该笔交易的信誉积分，其他步骤如上述一般交易流程。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

目前，区块链中的信誉大多被用作共识，本方案中提出的交易信誉积分可用来在联盟链中对交易进行排序，交易的信誉积分为各个合约参与者抵押的信誉积分之和。Kafka是通过交易的提交顺序进行排序后出块，而本方案改进后的Kafka根据交易的信誉积分高低进行交易排序，抵押信誉积分高的交易，优先被联盟链处理。实现合约参与者可通过抵押自己不同数额的信誉积分来获取不同程度的系统资源。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

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，对本发明作进一步详细说明。

本发明方法流程如图1所示，具体实现步骤包括：

一、初始化算法流程

合约参与方制定智能合约规则，商定该智能合约的背书策略，以及双方此次实例化智能合约各自需要抵押的信誉积分，并规定如果智能合约按照流程正常结束，则返回各自的信誉积分，如果一方违约，则将信誉积分转移给对方，如果双方违约则销毁双方的信誉积分。

二、用户发起交易算法流程

当用户发起合约初始化交易时：用户将交易发送给背书策略所规定的背书节点(一个或多个)。背书节点通过合约代码预执行交易，但是并不将执行结果提交到本地的账本中，背书节点将合约参与方抵押的信誉积分进行加和，算出该笔交易的信誉积分并记录在该背书中，将背书信息(包括预执行结果和该交易的信誉积分)返回给用户。

当用户发起合约更新操作交易时：用户将交易发送给背书策略所规定的背书节点。背书节点通过合约代码预执行交易，但是并不将执行结果提交到本地的账本中，背书节点查询该合约抵押信誉积分数额(即合约参与者抵押信誉积分的总和)，得到该笔交易的信誉积分并记录在该背书中，将信息背书信息返回给用户。

用户收集到足够多的背书结果后，将背书信息整合到交易中，整合后的交易提交给Kafka服务节点。

三、Kafka共识算法流程

Kafka服务节点找到该笔交易所属的项目队列，按照交易的信誉积分高低进行排序。当项目队列中的交易数大于区块交易数N的两倍或者到达最大间隔时，打包前N个交易成一个区块，剩下的交易仍保留在该队列中，等待下次打包(如果到达最大时间间隔时不够N个交易，则打包现有队列中的所有交易)，随后把该区块转发给该项目的参与节点。

四、项目参与节点算法流程

每位项目参与节点都对收到的区块中的每笔交易进行用户签名信息的验签和背书记录信息的验签，若某笔交易通过背书策略则标记为合法并更新状态数据库，不通过则标记该交易不合法。随后项目参与节点对该区块进行上链，并通知用户交易是否已被加入区块链、以及交易是否有效。

尽管为说明目的公开了本发明的具体内容、实施算法以及附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书最佳实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于改进Kafka共识机制的联盟链，包括Kafka服务节点、多个参与节点和若干项目，每一项目包含若干个智能合约，每个智能合约对应一背书策略，每个智能合约指定若干参与节点作为该智能合约的背书节点；其特征在于，所述智能合约中设置一需抵押的信誉积分；其中

项目i的背书节点，用于接收项目i授权的用户对该项目i中的智能合约a发起的交易，并对该交易进行预执行得到响应结果、根据智能合约a中抵押的信誉积分计算该交易的信誉积分以及对该交易进行背书记录，然后将背书记录和该交易的信誉积分签名后发送给用户；

Kafka服务节点，用于接收用户发送的满足背书策略的交易，然后找到该交易所属的项目队列，并按照交易的信誉积分高低对该项目队列中的交易进行排序，当该项目队列中的交易数大于区块最大交易数N的两倍或者项目队列的等待时间到达设定最大间隔时间，则将该项目队列中前N个交易打包成一个区块并转发给该项目i的参与节点，如果到达最大时间间隔时不够N个交易，则将该项目队列中的所有交易打包成一个区块并转发给该项目i的参与节点；

参与节点，用于对收到的区块中的每笔交易的用户签名信息和背书记录信息进行验签，若其中一笔交易通过背书策略则将其标记为合法并更新状态数据库，否则标记为不合法。

2.如权利要求1所述的联盟链，其特征在于，所述参与节点对标记为合法的交易进行上链并发起交易。

3.如权利要求1所述的联盟链，其特征在于，所述参与节点对标记为不合法的交易进行上链，用于追踪到作恶的参与节点。

4.如权利要求1所述的联盟链，其特征在于，根据智能合约a中抵押的信誉积分计算该交易的信誉积分的方法为：交易双方A、B实例化智能合约a时各自抵押一定数额的信誉积分，并规定如果智能合约a按照流程正常结束，则返回各自的信誉积分，如果一方违约，则将信誉积分转移给对方，如果双方违约则销毁双方的信誉积分；背书节点将交易方A、B抵押的信誉积分进行加和，得到该交易的信誉积分。

5.如权利要求1所述的联盟链，其特征在于，根据智能合约a中抵押的信誉积分计算该交易的信誉积分的方法为：用户发起的交易为合约更新操作交易，智能合约a中抵押的信誉积分为智能合约a中各参与者的抵押信誉积分；背书节点将该智能合约a中各参与者抵押信誉积分的总和作为该交易的信誉积分。

6.一种基于改进Kafka共识机制的联盟链交易方法，其步骤包括：

1)项目i的背书节点接收项目i授权的用户对该项目i中的智能合约a发起的交易，并对该交易进行预执行得到响应结果、根据智能合约a中抵押的信誉积分计算该交易的信誉积分以及对该交易进行背书记录，然后将背书记录和该交易的信誉积分签名后发送给用户；所述智能合约a中设置一需抵押的信誉积分；

2)用户判断收到的背书节点对该交易的背书是否满足背书策略，如果满足背书策略则用户将该交易发送给Kafka服务节点；

3)Kafka服务节点该交易所属的项目队列，并按照交易的信誉积分高低对该项目队列中的交易进行排序，当该项目队列中的交易数大于区块最大交易数N的两倍或者该项目队列的等待时间到达设定最大间隔时间，则将该项目队列中前N个交易打包成一个区块并转发给该项目i的参与节点；如果到达最大时间间隔时不够N个交易，则将该项目队列中的所有交易打包成一个区块并转发给该项目i的参与节点；

4)参与节点对收到的区块中的每笔交易的用户签名信息和背书记录信息进行验签，若其中一笔交易通过背书策略则将其标记为合法并上链，否则标记为不合法。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述参与节点对标记为不合法的交易进行上链，用于追踪到作恶的参与节点。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述参与节点根据标记结果更新状态数据库。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据智能合约a中抵押的信誉积分计算该交易的信誉积分的方法为：交易双方A、B实例化智能合约a时各自抵押一定数额的信誉积分，并规定如果智能合约a按照流程正常结束，则返回各自的信誉积分，如果一方违约，则将信誉积分转移给对方，如果双方违约则销毁双方的信誉积分；背书节点将交易方A、B抵押的信誉积分进行加和，得到该交易的信誉积分。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据智能合约a中抵押的信誉积分计算该交易的信誉积分的方法为：用户发起的交易为合约更新操作交易，智能合约a中抵押的信誉积分为智能合约a中各参与者的抵押信誉积分；背书节点将该智能合约a中各参与者抵押信誉积分的总和作为该交易的信誉积分。

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