CN110784346A - 一种基于信誉值的pbft共识系统及方法 - Google Patents

一种基于信誉值的pbft共识系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于信誉值的PBFT共识系统及方法，包括：社区，按照区域划分的不同区，每个社区都有不同的物联网设备，物联网设备之间相互通信；从链，用以社区内的所有成员直接进行数据共享操作；主链，一条区块按照时间顺序线性排列的联盟链，用以太坊或者超级账本创建，用以保证智能设备的可信认证、设备跨链的可信认证以及跨链交互的可信共享平台；从链节点，用以构建从链区块与主链的通信，根据不同的信誉值用以作为通信、验证或候选。实施本发明，增加了系统执行的效率，保证了可信服务的有效性和质量；减少共识节点的数目减少了共识的时间，改进PBFT检查点协议。

Description

一种基于信誉值的PBFT共识系统及方法
技术领域
本发明属于物联网领域，涉及一种基于信誉值的PBFT共识系统及方法。
背景技术
随着我国物联网行业业务逐渐复杂，产生的业务数据越来越多样化以及复杂化，多业务跨域服务的需求也越来越多，面对这种情况，采用联盟链构成主从式区块链链式结构能够保证数据的安全可信，由于共识机制会消耗大量的时间，如何提高区块链共识效率成了一个亟待解决的问题。
传统的联盟链算法主要是PBFT算法，PBFT是Practical Byzantine FaultTolerance的缩写，意为实用拜占庭容错算法，然而此算法一开始并不是为了解决联盟区块链的共识问题而提出的，因为是全节点参与共识，所以将其用在联盟链中会出现效率低等问题。
在现有技术中也存在一些解决方案，但都存在不同程度的缺陷，具体如下：
技术方案1：专利号为CN109784916的《一种改进PBFT的以太坊共识机制应用于联盟链的方法》专利，提出了应用于以太坊中的改进PBFT共识算法，旨在减少网络数据传输量。此算法首先使用DpoA共识机制栓选出共识节点，这在一定程度上就增加了时间的开支，每次PBFT共识之前都先DPoA共识一次，若是网络中事务较多，区块产生间隔小，则对网络的数据传输带来极大的挑战。
技术方案2：专利号为CN109767199A的《基于信誉的PBFT共识系统及方法、区块链数据处理系统》专利，公开了一种基于信誉的PBFT共识系统及方法、区块链数据处理系统；提出了使用信誉值来评选节点，并使用了严格的评选机制来选择共识节点，但是PBFT最耗时但是其依然使用PBFT原有的三阶段共识过程，并不能高效的提高共识效率。
技术方案3：专利号为CN109688199A的《一种多域分层物联网联盟链平台及其分片方法》专利，提出了采用分片的方式由整化简，多去域分别共识，最后在统一共识，这样可以很大的减轻网路负担，但是面向大范围的物联网系统，分片并不是一个好的解决方式，因为不同地理位置可能无法共用一个局域网络，不同局域网络之间多次的通信会耗时。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，在原有PBFT算法的基础上，利用信誉值决定直接参与共识的节点并挑选主节点，降低网络开销，提高系统认证效率。
本发明提供基于信誉值的PBFT共识方法基于本发明所述基于信誉值的PBFT共识系统中实现，其包括如下步骤：
步骤S1，在从链节点中选取此时信誉值最高的点作为通信节点i，即主节点i，在其他从链节点中选取n个验证节点，对每一个验证节点从0到n-1进行编号，进行从链节点中的新一轮共识，将共识选出的节点p作为新的主节点，如果p＝i，则重新选取主节点，直到p与i不为同一节点，则进行下一步骤；
步骤S2，主节点p生成共识消息，将共识消息发送给其他验证节点，其他验证节点对共识消息进行验证，若验证通过，则向主节点以及验证节点发送共识确认消息，若验证未通过，则不发送共识确认消息；
步骤S3，判断在规定时间内主节点p是否收到2f数量的其他验证节点的共识确认消息，如没有收到2f共识确认消息，则请求新一轮共识，选出下一个主节点，如收到2f共识确认消息，则表示共识达成并发布完整区块，并且根据检查点协议清除缓存中的交易信息。
进一步，所述步骤S1中所述视图为所有节点具有一个相同的状态信息，视图中只能有一个主节点。
进一步，所述步骤S1中在新的一轮共识中，节点p被选为主节点的概率为：
Figure BDA0002238613780000021
其中，crep为主节点p的荣誉值，crem为新一轮共识中m个节点的荣誉值。
进一步，所述步骤S2中所述共识消息为<req,v,h,p,d,block>，其中v为视图编号，h为区块高度，d为block摘要，req为请求对象，block为用以记录消息内容的区块；所述共识确认消息为<confirm,v,h,i,sigi(d)>，用以表示节点i对摘要为d的区块共识通过，其中，h为区块高度，i表示节点，sigi(d)表示摘要为d的通信信息，confirm表示此消息为确认信息。
进一步，所述f为从链能容忍的最大拜占庭节点的数量。
实施本发明实施例，还提供一种基于信誉值的PBFT共识系统,包括
社区，按照区域划分的不同区，每个社区都有不同的物联网设备，物联网设备之间相互通信；
从链，用以社区内的所有成员直接进行数据共享操作，从链的节点由静止的物联设备以及服务器共同维护；
主链，一条区块按照时间顺序线性排列的联盟链，用以太坊或者超级账本创建，用以保证智能设备的可信认证、设备跨链的可信认证以及跨链交互的可信共享平台，主链的节点由公共可信的机构来构建和维护；
从链节点，用以构建从链区块与主链的通信，根据不同的信誉值用以作为通信、验证或候选。
进一步，所述从链节点包括，
通信节点，即主节点，用以与主链进行通信并且具有最高的信誉值，当需要选举新的通信节点时，验证节点在验证节点里边选出信誉值最高的作为新一轮的通信节点。
验证节点：用以做共识以及构建从链区块，当验证节点信誉值低于某个候选节点时，其他验证节点则通过公识将其身份设为候选节点，将此时拥有最高信誉值的候选节点设为验证节点。
候选节点：用以传送数据，所有刚刚加入从链网络的节点都是候选节点，其可以通过增加信誉值变成验证节点。
进一步，所述系统每隔一段时间会重新根据当前的信誉值选取最可靠的节点作为通信节点，信誉值通过每个节点本身的共识结果，以及传输延迟来评判，节点t对节点u的信誉值评价公式如下：
cret,u＝(t-tu->t)*10-3+cret,u+(cset&cseu)*10-4
其中，tu->t表示节点u返回给t的消息传输实际时延；t表示希望节点u返回给t的消息传输理想时延，单位为秒，低于该时延信誉值增加，反之则减少；cset表示节点t的共识结果；cseu表示节点u的公识结果。
进一步，所述从链和所述主链包括，
区块头，用以存储本区块hash值、上一区块hash值、merkle树根、区块构造者签名以及时间戳；
区块体，用以记录智能设备的可信认证信息以及其他域的设备在本域的认证信息。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明实施例提供的基于信誉值的PBFT共识系统及方法，通过使用主从链，不同的从链隔离了多业务，增加了系统执行的效率，并且主链记录侧链摘要，保证了可信服务的有效性和质量；在主从链的基础上，提出了改进PBFT共识算法，信誉值评选共识节点通过减少共识节点的数目以及提高共识节点可信度两方面提高了共识效率，减少了共识的时间，改进PBFT检查点协议，基于时间戳触发检查点协议可以避免多轮共识，提高垃圾信息回收效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明提供的基于信誉值的FBFT共识系统架构图。
图2为本发明提供的基于信誉值的PBFT共识方法的一个实施例的主流程示意图。
图3为本发明提供的基于信誉值的PBFT共识方法流程示意图。
图4为本发明提供的基于信誉值的PBFT系统测试机器配置图。
图5为本发明提供的基于信誉值的PBFT系统测试结果对比图。
图6为本发明提供的基于信誉值的PBFT系统测试结果对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明的实施例中，提供一种基于信誉值的PBFT共识系统,包括：
社区3，按照区域划分的不同区，每个社区3都有不同的物联网设备，物联网设备之间相互通信，具体的，将智慧城市按照区域划分为一个个的家庭社区3，每个家庭社区3都有不同的物联网设备，物联网设备之间相互通信。
从链2，用以社区3内的所有成员直接进行数据共享操作，可以根据本身的需求进行开发，一个家庭社区3内的所有成员可以通过从链2直接进行数据共享操作，从链2的节点由静止的物联设备以及服务器共同维护，从链2的区块头与主链1的区块头一样，存储着本区块hash值、上一区块hash值、merkle树根、区块构造者签名以及时间戳；区块体记录智能设备的可信认证信息以及其他域的设备在本域的认证信息。每个从链2账本中记录着各种设备的信息，用来设备认证使作为比较。
主链1，一条区块按照时间顺序线性排列的联盟链，用以太坊或者超级账本创建，用以保证智能设备的可信认证、设备跨链的可信认证以及跨链交互的可信共享平台，主链1的节点由公共可信的机构来构建和维护，例如，政府、银行等公共可信的机构。
从链节点4，用以构建从链2区块与主链1的通信，由于从链节点4物理实体的多样性，所以将从链节点4分成通信节点41，验证节点42以及候选节点43几个类型，不同的节点具有不同的信誉值，不同的节点角色之间的转换的一个重要评判标准就是信誉值。
具体的实施例中，通信节点41，即主节点，用以与主链1进行通信并且具有最高的信誉值，当需要选举新的通信节点41时，验证节点42在验证节点42里边选出信誉值最高的作为新一轮的通信节点41；验证节点42：用以做共识以及构建从链2区块，当验证节点42信誉值低于某个候选节点43时，其他验证节点42则通过公识将其身份设为候选节点43，将此时拥有最高信誉值的候选节点43设为验证节点42；候选节点43：用以传送数据，所有刚刚加入从链2网络的节点都是候选节点43，其可以通过增加信誉值变成验证节点42。
进一步，通信节点41负责与主链1进行通信，为了保证通信节点41总是可信的，所述系统每隔一段时间会重新根据当前的信誉值选取最可靠的节点作为通信节点41，信誉值通过每个节点本身的共识结果，以及传输延迟来评判，节点t对节点u的信誉值评价公式如下：
cret,u＝(t-tu->t)*10-3+cret,u+(cset&cseu)*10-4
其中，tu->t表示节点u返回给t的消息传输实际时延；t表示希望节点u返回给t的消息传输理想时延，单位为秒，低于该时延信誉值增加，反之则减少；cset表示节点t的共识结果；cseu表示节点u的公识结果，也就是说共识结果相等的话信誉值就加上0.01，反之则减掉。
具体的实施例中，每经过一段时间，就会有候选节点43被选出来变为验证节点42，也有验证节点42被选出作为新的通信节点41。以选择通信节点41的过程为例，当到选择新的通信节点41时间阈值时，共识节点自动触发选新通信节点41智能合约，此时每个共识节点从自己的信誉值列表中选出三个信誉值最高的节点在本从链2内所有的共识节点中共识，最后从所有节点的结果中，找出被选次数最多的两个节点即为新的通信节点41。
如图2和图3所示，是出了本发明提供的基于信誉值的PBFT共识方法的一个实施例的主流程示意图，
在本实施例中，还提供一种基于信誉值的FBFT共识方法依靠所述基于信誉值的PBFT共识系统中实现，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，在从链节点4中选取此时信誉值最高的点作为通信节点41i，即主节点i，在其他从链节点4中选取n个验证节点42，对每一个验证节点42从0到n-1进行编号，进行从链节点4中的新一轮共识，将共识选出的节点p作为新的主节点；在新的一轮共识中，节点p被选为主节点的概率为：
其中，crep为主节点p的荣誉值，crem为新一轮共识中m个节点的荣誉值，
将新共识节点设为p，如果p＝i，则重新选取主节点，直到选出的主节点与上一轮选取主节点不为同一节点，则进行下一步骤；
步骤S2，主节点p生成共识消息，将共识消息发送给其他验证节点42，所述共识消息为<req,v,h,p,d,block>，其中v为视图编号，h为区块高度，d为block摘要，req为请求对象，block为用以记录消息内容的区块，其他验证节点42对提议进行验证，如果验证通过，则向主节点以及验证节点42发送共识确认消息，所述共识确认消息为<confirm,v,h,i,sigi(d)>，用以表示节点i对摘要为d的区块共识通过，其中v为视图编号，其中，h为区块高度，i表示节点，sigi(d)表示摘要为d的通信信息，confirm表示此消息为确认信息；
步骤S3，验证在规定时间内主节点p是否收到2f数量的其他验证节点42的共识确认消息，如没有收到2f共识确认消息，则请求新一轮共识，选出下一个主节点，如收到2f共识确认消息，则表示共识达成并发布完整区块，并且根据检查点协议清除缓存中的交易信息，所述f为从链2能容忍的最大拜占庭节点的数量，在PBFT中检查点周期性的进行，在本实施的算法中，每次生成新区快时便执行检查点协议，根据生成新块的时间戳，节点可以将缓存中该时间戳之前的消息清除。
本实施例中，所包含的主链1与从链2都是联盟链，在共识过程中，联盟链无法保证没有故障节点，即拜占庭节点，故主链1仍然是采用传统的PBFT共识算法；但是从链节点4多并且共识业务也比较频繁，使用传统的PBFT共识算法无疑会加重网络的通信开销与网络时延，所以基于PBFT共识算法，
采用本发明的这种基于信誉值的PBFT共识方法用于从链2，相比于传统的PBFT算法，本发明提供的这种共识方法改进之处如下所示：
1.PBFT仍是C/S相应模式，而本认证模型不需要客户端作为请求的发起者，所以改为P2P网络拓扑响应模式，请求直接由主节点发起，也就是构建区块的节点发起，这就要求各共识节点独立监听区块链中的事务，保证各节点区块信息，视图编号都保持一致；其中，主节点是通过智能合约在验证节点42中随机选取，信誉值越高的验证节点42越容易被选为主节点。
2.PBFT全网共识，随着节点的增多，时间复杂度越来越高，而本实施例只通过验证节点42完成共识。如此一来，共识节点都是信誉值较高的验证节点42，拜占庭节点的出现概率也大大降低，就会减少等待时间并提高共识效率。
3.共识节点由智能合约投票选出，保证投票过程的透明性以及不可篡改性，从而保证了共识节点的有效性。
4.选取主节点时，信誉值越高的节点当选为主节点的概率越大，于传统PBFT算法相比，就保证了主节点为拜占庭节点的几率大大减小，增加共识效率。
在本发明提供的实施例中，仿真使用以太坊对上述共识方法在本区块链模型下的性能进行测试；如图4所示，将改进后的模型部署在实验室的5台机器上进行仿真，区块链的性能与时延有着密切的关联，低时延可以保证区块链更快的确认消息，越不容易引起分叉，我们使用下述公式来表示本模型中的时延：
Delay＝Tbc-Tbr
其中Tbc表示区块确认时间，Tbr为共识请求发起时间；为了统计时延，通过读取区块链运行log时间戳，转化为date类型时间相减即可得到时延。如图5所示，是在10个节点数目的条件下，使用PBFT与本发明的共识方法的时延对比，可以看出，在相同请求次数下，本发明的共识方法的时延总比PBFT低，原因是在10个节点中通过信誉值评选机制只用了6个验证节点作为共识节点，并且将三阶段共识优化到了两阶段共识。
如图6所示，统计了在不同区块链节点的情况下，PBFT共识机制与本实施例中共识机制的时延比较，其中每组数据都是5次实验取平均值的结果；不难看出，使用CDFT算法在同样区块链节点的情况下时延更低，效率更高。而且，两种算法随着节点的增多，时延增加的也更多，但本实施例中共识方法的增长速度要慢于PBFT。
更多的细节，可以参照并结合前述对附图的描述，在此不进行详述。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明实施例提供的基于信誉值的PBFT共识系统及方法,通过使用主从链，不同的从链隔离了多业务，增加了系统执行的效率，并且主链记录从链摘要，保证了可信服务的有效性和质量；在主从链的基础上，提出了改进PBFT共识算法，信誉值评选共识节点通过减少共识节点的数目以及提高共识节点可信度两方面提高了共识效率，减少了共识的时间；改进PBFT检查点协议，基于时间戳触发检查点协议可以避免多轮共识，提高垃圾信息回收效率。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种基于信誉值的FBFT共识系统，其特征在于，该系统包括，
社区，按照区域划分的不同区，每个社区都有不同的物联网设备，物联网设备之间相互通信；
从链，用以社区内的所有成员直接进行数据共享操作，从链的节点由静止的物联设备以及服务器共同维护；
主链，一条区块按照时间顺序线性排列的联盟链，用以太坊或者超级账本创建，用以保证智能设备的可信认证、设备跨链的可信认证以及跨链交互的可信共享平台，主链的节点由公共可信的机构来构建和维护
从链节点，用以构建从链区块与主链的通信，根据不同的信誉值用以作为通信、验证或候选。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述从链节点包括：
通信节点，即主节点，用以与主链进行通信并且具有最高的信誉值，当需要选举新的通信节点时，在验证节点里边选出信誉值最高的作为新一轮的通信节点；
验证节点，用以做共识以及构建从链区块，当验证节点信誉值低于某个候选节点时，其他验证节点则通过公识将其身份设为候选节点，将此时拥有最高信誉值的候选节点设为验证节点；
候选节点，用以传送数据，所有刚刚加入从链网络的节点都是候选节点，其可以通过增加信誉值变成验证节点。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统每隔一段时间会重新根据当前的信誉值选取最可靠的节点作为通信节点，信誉值通过每个节点本身的共识结果，以及传输延迟来评判，节点t对节点u的信誉值评价公式如下：
cret,u＝(t-tu->t)*10-3+cret,u+(cset&cseu)*10-4
其中，tu->t表示节点u返回给t的消息传输实际时延；t表示希望节点u返回给t的消息传输理想时延，单位为秒，低于该时延信誉值增加，反之则减少；cset表示节点t的共识结果；cseu表示节点u的公识结果。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述从链和所述主链包括，
区块头，用以存储本区块hash值、上一区块hash值、merkle树根、区块构造者签名以及时间戳；
区块体，用以记录智能设备的可信认证信息以及其他域的设备在本域的认证信息。
5.一种基于信誉值的PBFT共识方法，其特征在于，该方法基于如权利要求1至4任一所述系统中实现，包括如下步骤：
步骤S1，在从链节点中选取此时信誉值最高的点作为通信节点i，即主节点i，在其他从链节点中选取n个验证节点，对每一个验证节点从0到n-1进行编号，进行从链节点中的新一轮共识，将共识选出的节点p作为新的主节点，如果p＝i，则重新选取主节点，直到p与i不为同一节点，则进行下一步骤；
步骤S2，主节点p生成共识消息，将共识消息发送给其他验证节点，其他验证节点对共识消息进行验证，若验证通过，则向主节点以及验证节点发送共识确认消息，若验证未通过，则不发送共识确认消息；
步骤S3，判断在规定时间内主节点p是否收到2f数量的其他验证节点的共识确认消息，如没有收到2f共识确认消息，则请求新一轮共识，选出下一个主节点，如收到2f共识确认消息，则表示共识达成并发布完整区块，并且根据检查点协议清除缓存中的交易信息，其中，所述f为从链能容忍的最大拜占庭节点的数量。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中在新一轮共识中，节点p被选为主节点的概率为：
Figure FDA0002238613770000021
其中，crep为主节点p的荣誉值，crem为新一轮共识中m个节点的荣誉值。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中所述共识消息为<req,v,h,p,d,block>，其中v为视图编号，h为区块高度，d为block摘要，req为请求对象，block为用以记录消息内容的区块。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述共识确认消息为<confirm,v,h,i,sigi(d)>，用以表示节点i对摘要为d的区块共识通过，其中v为视图编号，其中，h为区块高度，i表示节点，sigi(d)表示摘要为d的通信信息，confirm表示此消息为确认信息。
9.如权利要求5至8任一所述的方法，其特征在于，所述从链节点中的通信节点在同一时间内只存在一个。
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