CN110838947B - 一种基于H-Algorand的多块输出公有链共识机制 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于H‑Algorand的多块输出公有链共识机制，首先提出，一种多块输出的公有链共识机制MB‑Algorand，该机制的领导者可以连续出块，从而有效地提升了出块效率；其次在公有链委员会受到DDOS攻击的场景下，提出融合了Algorand和MB‑Algorand两者优点的H‑Algorand机制，该机制兼顾了共识效率与安全性两方面的性能，将H‑Algorand机制与Algorand机制进行仿真对比发现，H‑Algorand机制能在恶意攻击成功率为1%~4%的条件下，以牺牲少量安全性为代价换取共识效率的有效提升。

Description

一种基于H-Algorand的多块输出公有链共识机制

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，具体是一种基于H-Algorand的多块输出公有链共识机制。

背景技术

Algorand机制由SilvioMicali教授提出，该算法之后由Yossi Gilad、SilvioMicali等人实现。其使用到的可验证的随机函数(verifiable random functions，VRFs)抽签算法，使每个节点都有机会参与到共识中，提高了共识的可拓展性。其使用到的拜占庭协议(Byzantine Agreement，BA★)令节点只在当前区块和空白块之间做二元共识，使得链条分叉概率仅为10-18，即使在恶意节点能力很强的区块链网络环境下依旧能保持良好的性能。2Mbyte的区块使用Algorand机制在50000用户的区块链网络中从提出到完成共识只需22秒。

但是公有链允许任意成员加入，日后随着区块链网络的大规模推广，网络数据交互频率和数据量都会增大，并且有可能呈现出一定的周期性。如果将Algorand机制用于银行等大规模交易系统，交易延迟将会累积爆发，造成银行系统瘫痪，Algorand机制的共识效率仍有待提高。因此，需要提出一种能够兼顾出块效率和安全性的共识算法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种基于H-Algorand的多块输出公有链共识机制，首先提出多块Algorand共识机制(multi block-Algorand，MB-Algorand)，以有效提升出块效率；其次针对DDOS攻击，结合Algorand与MB-Algorand两者的优势提出H-Algorand(Hybid-Algorand)机制，该机制以牺牲一定的安全性能为代价，以换取区块链网络共识效率的显著提升。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于H-Algorand的多块输出公有链共识机制，包括如下步骤：

1)提出多块输出的公有链机制MB-Algorand，包括如下步骤：

1-1)交易广播：区块链网络中的每个节点通过gossip通信协议向网络中的节点广播消息，每个消息都签署始发节点的私钥以防止消息被伪造，其它节点在转发这些消息前检查签名，对于相同的消息，每个节点只转发一次；

1-2)委员会选举：区块链网络通过抽签机制选举出委员会，委员会代表整个区块链网络对网络新生成的区块进行共识；

1-3)领导者提议区块：委员会通过优先级机制选举出领导者节点，领导者节点负责将它收集到的消息，打包到待共识的区块里，在委员会里转发N个待共识的区块；

1-4)委员会共识：委员会利用BA★共识机制，对领导者提出的区块进行共识；

1-5)共识成功写入区块：共识成功的区块在区块链网络中转发，被各个节点添加到各自维护的账本中；

2)将MB-Algorand机制与Algorand机制结合，得到H-Algorand机制，包括如下步骤：

2-1)判断网络状态是否正常，若网络状态正常，则执行2-2)；若网络状态不正常，则执行步骤2-3)；

2-2)在MB-Algorand机制中，领导者以多块方式提议N个区块，步骤为：

2-2-1)领导者提议第1个区块；

2-2-2)判断委员会节点状态是否能够满足共识条件；

2-2-3)若委员会节点状态满足共识条件，委员会使用MB-Algorand机制对第1个区块进行共识，重复步骤2-2-1)至2-2-2)，直至N个区块共识完，委员会结束共识；

2-2-4)若委员会节点状态不满足共识条件，则由Algorand机制对剩余区块进行共识，直至共识结束；

2-3)Algorand机制中，领导者以单块方式提议N个区块。

步骤2-2)中，MB-Algorand机制中领导者连续出块，使得领导者出块和委员会共识并行处理，提高了出块效率，但是由于领导者连续出块，导致其与委员会暴露在网络当中，暴露的时间越长，被恶意的攻击者发现、执行攻击以及攻击成功的概率加大，H-Algorand机制需要在出块效率和安全性之间的折中性能。设块提议时间为t_p，块共识时间为t_c；当t_p<t_c时，N个区块“领导者出块”和“委员会共识”所需要的时间为T_MB-Al＝N*t_c+t_p；当t_p≥t_c时，N个区块“领导者出块”和“委员会共识”所需要的时间为T_MB-Al＝N*t_p+t_c。

步骤2-2)中，假设Algorand机制共识以概率1成功，H-Algorand机制中领导者目标出块数为N，优先以MB-Algorand机制运行；MB-Algorand机制产生的第1个区块的共识过程与Algorand机制相同，以概率1成功，其余剩下的N-1个区块由于领导者和委员会暴露在区块链网络中，都存在共识失败的概率。设在遭受DDOS攻击威胁的网络环境下，每一个区块共识失败的概率为P_fault，为了便于分析，设P_fault为一定值，则每个块共识成功的概率为P_success＝1-P_fault，N个块全部共识成功的概率为

当H-Algorand机制使用MB-Algorand机制领导者提议的目标出块数为N时，N个块全部共识成功的概率为

则H-Algorand机制安全性损失为

步骤2-2)中，设Algorand机制对N个区块共识所需时间为：

当网络中不存在恶意攻击且当t_p<t_c时，MB-Algorand机制共识N个区块出块提升效率为：

当N→∞时，

由式(3)可得，当t_c/t_p越小时，出块效率越大；当t_p＝t_c时，出块效率的上限为50％，在实际的区块链网络中，当块大小为4M时，t_p≈t_c，出块效率最大；

在实际的区块链网络中，设MB-Algorand机制每个待共识区块共识失败概率为P_fault，设从第二个块开始，H-Algorand机制使用MB-Algorand机制的多块方式连续提出并成功共识的区块数为n，则使用Algorand机制的单块方式提出并共识的区块数为N-1-n；

首先将H-Algorand机制简单的看成n重伯努利实验，则H-Algorand机制使用MB-Algorand机制连续共识成功n个区块花费的时间为：

由于区块链网络的链式结构，新区块必须建立在前一区块的基础之上，则实际H-Algorand机制使用MB-Algorand机制连续共识成功n个区块花费的时间为由式(4)修正为下式：

(5)式中第一项表示n＝N-1时，H-Algorand机制所花费的时间；(5)式中第二项表示n∈[0,N-2]时，H-Algorand机制所花费的时间。

步骤2-2)中，设Algorand机制对N个区块共识所需时间为：

当网络中不存在恶意攻击且当t_p≥t_c时，MB-Algorand机制共识N个区块出块提升效率为：

当N→∞时，

由式(8)可得，当t_c/t_p越小时，出块效率越大；当t_p＝t_c时，出块效率的上限为50％，在实际的区块链网络中，当块大小为4M时，t_p≈t_c，出块效率最大；

在实际的区块链网络中，设MB-Algorand机制每个待共识区块共识失败概率为P_fault，设从第二个块开始，H-Algorand机制使用MB-Algorand机制的多块方式连续提出并成功共识的区块数为n，则使用Algorand机制的单块方式提出并共识的区块数为N-1-n；

首先将H-Algorand机制看成n重伯努利实验，则H-Algorand机制使用MB-Algorand机制连续共识成功n个区块花费的时间为：

由于区块链网络的链式结构，新区块必须建立在前一区块的基础之上，则实际H-Algorand机制使用MB-Algorand机制连续共识成功n个区块花费的时间为由式(9)修正为下式：

(10)式中第一项表示n＝N-1时，H-Algorand机制所花费的时间；(10)式中第二项表示n∈[0,N-2]时，H-Algorand机制所花费的时间。

步骤2)中，由步骤2-1)至步骤2-3)，对H-Algorand机制的出块效率和安全性进行折中考虑，建立如下效能函数：

公式(11)，中β为权重因子，最优化问题表示为：

约束条件公式(13)表示共识N(N>2)个块时，H-Algorand机制完全使用MB-Algorand机制共识成功的目标概率在M以上。

有益效果：本发明提供的一种基于H-Algorand的多块输出公有链共识机制，先提出了一种多块输出的共识机制MB-Algorand，该机制的领导者可以连续出块，从而有效地提升了出块效率；其次在公有链委员会受到DDOS攻击的场景下，提出融合了Algorand和MB-Algorand两者优点的H-Algorand机制，该机制兼顾了共识效率与安全性两方面的性能，将H-Algorand机制与Algorand机制进行仿真对比发现，H-Algorand机制能在恶意攻击成功率为1％～4％的条件下，以牺牲少量安全性为代价换取共识效率的有效提升。

附图说明

图1为本发明所提议的MB-Algorand共识机制的步骤流程图；

图2为本发明所提议的H-Algorand共识机机制的程序流程图；

图3为本发明所提议的MB-Algorand共识机制的“出块-共识”时序图；

图4为本发明所提议的H-Algorand共识机机制在t_p<t_c下，β＝0.5，P_fault分别为1％，2％，3％，4％时，H-Algorand机制下领导者目标出块数N与收益函数的关系；

图5为本发明所提议的H-Algorand共识机机制在t_p≥t_c下，β＝0.5，P_fault分别为1％，2％，3％，4％时，H-Algorand机制下领导者目标出块数N与收益函数的关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

本实施例的应用场景为交易频繁，区块容量较小的场景，如银行。本实施例在Algorand机制的基础上，先增加了领导者的出块数量，提出MB-Algorand机制，然后结合Algorand机制和MB-Algorand机制提出H-Algorand机制。MB-Algorand机制中领导者使用多块输出的方式，增加了共识的效率。Algorand机制和MB-Algorand机制结合，使得H-Algorand机制能够根据区块链网络状态兼顾出块效率和安全性。

一种基于H-Algorand的多块输出公有链共识机制，包括如下步骤：

1)提出多块输出的公有链机制MB-Algorand，如图1所示，包括如下步骤：

1-1)交易广播：区块链网络中的每个节点通过gossip通信协议向网络中的节点广播消息，每个消息都签署始发节点的私钥以防止消息被伪造，其它节点在转发这些消息前检查签名，对于相同的消息，每个节点只转发一次；

1-2)委员会选举：区块链网络通过抽签机制选举出委员会，委员会代表整个区块链网络对网络新生成的区块进行共识；

1-3)领导者提议区块：委员会通过优先级机制选举出领导者节点，领导者节点负责将它收集到的消息，打包到待共识的区块里，在委员会里转发N个待共识的区块；如图3所示，在MB-Algorand机制第i届委员会期间，当领导者提议第一个区块i₁之后，委员会开始对区块i₁进行共识。由于区块i₂为同一个领导者提出，该领导者必然确定自己出的每一个块都是可信的。因此，领导者不需要等待委员会的共识时间，便开始提议第二个区块i₂，直到领导者提议至目标出块数第N个区块i_N为止。MB-Algorand机制实现了共识与出块的并行处理，从而可以有效提高共识效率。

1-4)委员会共识：委员会利用BA★共识机制，对领导者提出的区块进行共识；

1-5)共识成功写入区块：共识成功的区块在区块链网络中转发，被各个节点添加到各自维护的账本中；

2)将MB-Algorand机制与Algorand机制结合，得到H-Algorand机制，如图2所示，包括如下步骤：

2-1)判断网络状态是否正常，若网络状态正常，则执行2-2)；若网络状态不正常，则执行步骤2-3)；

2-2)在MB-Algorand机制中，领导者以多块方式提议N个区块，步骤为：

2-2-1)领导者提议第1个区块；

2-2-2)判断委员会节点状态是否能够满足共识条件；

2-2-3)若委员会节点状态满足共识条件，委员会使用MB-Algorand机制对第1个区块进行共识，重复步骤2-2-1)至2-2-2)，直至N个区块共识完，委员会结束共识；

2-2-4)若委员会节点状态不满足共识条件，则由Algorand机制对剩余区块进行共识，直至共识结束；

2-3)Algorand机制中，领导者以单块方式提议N个区块。

步骤2-2)中，MB-Algorand机制中领导者连续出块，使得领导者出块和委员会共识并行处理，提高了出块效率，但是由于领导者连续出块，导致其与委员会暴露在网络当中，暴露的时间越长，被恶意的攻击者发现、执行攻击以及攻击成功的概率加大，H-Algorand机制需要在出块效率和安全性之间的折中性能。设块提议时间为t_p，块共识时间为t_c；当t_p<t_c时，N个区块“领导者出块”和“委员会共识”所需要的时间为T_MB-Al＝N*t_c+t_p；当t_p≥t_c时，N个区块“领导者出块”和“委员会共识”所需要的时间为T_MB-Al＝N*t_p+t_c。

步骤2-2)中，假设Algorand机制共识以概率1成功，H-Algorand机制中领导者目标出块数为N，优先以MB-Algorand机制运行；MB-Algorand机制产生的第1个区块的共识过程与Algorand机制相同，以概率1成功，其余剩下的N-1个区块由于领导者和委员会暴露在区块链网络中，都存在共识失败的概率。设在遭受DDOS攻击威胁的网络环境下，每一个区块共识失败的概率为P_fault，为了便于分析，设P_fault为一定值，则每个块共识成功的概率为P_success＝1-P_fault，N个块全部共识成功的概率为

当H-Algorand机制使用MB-Algorand机制领导者提议的目标出块数为N时，N个块全部共识成功的概率为

则H-Algorand机制安全性损失为

步骤2-2)中，设Algorand机制对N个区块共识所需时间为：

当网络中不存在恶意攻击且当t_p<t_c时，MB-Algorand机制共识N个区块出块提升效率为：

当N→∞时，

由式(3)可得，当t_c/t_p越小时，出块效率越大；当t_p＝t_c时，出块效率的上限为50％，在实际的区块链网络中，当块大小为4M时，t_p≈t_c，出块效率最大；

在实际的区块链网络中，设MB-Algorand机制每个待共识区块共识失败概率为P_fault，设从第二个块开始，H-Algorand机制使用MB-Algorand机制的多块方式连续提出并成功共识的区块数为n，则使用Algorand机制的单块方式提出并共识的区块数为N-1-n；

首先将H-Algorand机制简单的看成n重伯努利实验，则H-Algorand机制使用MB-Algorand机制连续共识成功n个区块花费的时间为：

由于区块链网络的链式结构，新区块必须建立在前一区块的基础之上，则实际H-Algorand机制使用MB-Algorand机制连续共识成功n个区块花费的时间为由式(4)修正为下式：

(5)式中第一项表示n＝N-1时，H-Algorand机制所花费的时间；(5)式中第二项表示n∈[0,N-2]时，H-Algorand机制所花费的时间。

步骤2-2)中，设Algorand机制对N个区块共识所需时间为：

当网络中不存在恶意攻击且当t_p≥t_c时，MB-Algorand机制共识N个区块出块提升效率为：

当N→∞时，

由式(8)可得，当t_c/t_p越小时，出块效率越大；当t_p＝t_c时，出块效率的上限为50％，在实际的区块链网络中，当块大小为4M时，t_p≈t_c，出块效率最大；

在实际的区块链网络中，设MB-Algorand机制每个待共识区块共识失败概率为P_fault，设从第二个块开始，H-Algorand机制使用MB-Algorand机制的多块方式连续提出并成功共识的区块数为n，则使用Algorand机制的单块方式提出并共识的区块数为N-1-n；

首先将H-Algorand机制看成n重伯努利实验，则H-Algorand机制使用MB-Algorand机制连续共识成功n个区块花费的时间为：

由于区块链网络的链式结构，新区块必须建立在前一区块的基础之上，则实际H-Algorand机制使用MB-Algorand机制连续共识成功n个区块花费的时间为由式(9)修正为下式：

(10)式中第一项表示n＝N-1时，H-Algorand机制所花费的时间；(10)式中第二项表示n∈[0,N-2]时，H-Algorand机制所花费的时间。

步骤2)中，由步骤2-1)至步骤2-3)，对H-Algorand机制的出块效率和安全性进行折中考虑，建立如下效能函数：

公式(11)，中β为权重因子，最优化问题表示为：

约束条件公式(13)表示共识N(N>2)个块时，H-Algorand机制完全使用MB-Algorand机制共识成功的目标概率在M以上。

如图4所示，对本发明的提议的H-Algorand提议的出块数N在t_p<t_c时，N个区块“领导者出块”和“委员会共识”所需要的时间为T_MB-Al＝N*t_c+t_p中的描述如下：

β＝0.5，P_fault分别为1％，2％，3％，4％时，最优出块数N^*为6,4,4,3，出块提升效率为37.87％，34.09％，34.09％，30.3％。安全性损失为5.85％，7.76％，11.47％，11.52％。

如图5所示，对本发明的提议的H-Algorand提议的出块数N在t_p≥t_c时，N个区块“领导者出块”和“委员会共识”所需要的时间为T_MB-Al＝N*t_p+t_c的描述如下：

β＝0.5，P_fault分别为1％，2％，3％，4％时，最优出块数N^*为6,4,3,3，出块提升效率为26.32％，23.68％，21.05％，21.05％。安全性损失为5.85％，7.76％，8.73％，11.52％。

Claims (6)

1.一种基于H-Algorand的多块输出公有链共识机制，其特征在于，包括如下步骤：

1)提出多块输出的公有链机制MB-Algorand，包括如下步骤：

1-1)交易广播：区块链网络中的每个节点通过gossip通信协议向网络中的节点广播消息，每个消息都签署始发节点的私钥以防止消息被伪造，其它节点在转发这些消息前检查签名，对于相同的消息，每个节点只转发一次；

1-2)委员会选举：区块链网络通过抽签机制选举出委员会，委员会代表整个区块链网络对网络新生成的区块进行共识；

1-3)领导者提议区块：委员会通过优先级机制选举出领导者节点，领导者节点负责将它收集到的消息，打包到待共识的区块里，在委员会里转发N个待共识的区块；

1-4)委员会共识：委员会利用BA★共识机制，对领导者提出的区块进行共识；

1-5)共识成功写入区块：共识成功的区块在区块链网络中转发，被各个节点添加到各自维护的账本中；

2)将MB-Algorand机制与Algorand机制结合，得到H-Algorand机制，包括如下步骤：

2-1)判断网络状态是否正常，若网络状态正常，则执行2-2)；若网络状态不正常，则执行步骤2-3)；

2-2)在MB-Algorand机制中，领导者以多块方式提议N个区块，其中N>2，步骤为：

2-2-1)领导者提议第1个区块；

2-2-2)判断委员会节点状态是否能够满足共识条件；

2-2-3)若委员会节点状态满足共识条件，委员会使用MB-Algorand机制对第1个区块进行共识，重复步骤2-2-1)至2-2-2)，直至N个区块共识完，委员会结束共识；

2-2-4)若委员会节点状态不满足共识条件，则由Algorand机制对剩余区块进行共识，直至共识结束；

2-3)Algorand机制中，领导者以单块方式提议N个区块。

2.根据权利要求1所述的一种基于H-Algorand的多块输出公有链共识机制，其特征在于，步骤2-2)中，MB-Algorand机制中领导者连续出块，使得领导者出块和委员会共识并行处理，H-Algorand机制在出块效率和安全性之间的折中性能；设块提议时间为t_p，块共识时间为t_c；当t_p＜t_c时，N个区块“领导者出块”和“委员会共识”所需要的时间为T_MB-Al＝N*t_c+t_p；当t_p≥t_c时，N个区块“领导者出块”和“委员会共识”所需要的时间为T_MB-Al＝N*t_p+t_c。

3.根据权利要求1所述的一种基于H-Algorand的多块输出公有链共识机制，其特征在于，步骤2-2)中，假设Algorand机制共识以概率1成功，H-Algorand机制中领导者目标出块数为N，优先以MB-Algorand机制运行；MB-Algorand机制产生的第1个区块的共识过程与Algorand机制相同，以概率1成功，其余剩下的N-1个区块由于领导者和委员会暴露在区块链网络中，设在遭受DDOS攻击威胁的网络环境下，每一个区块共识失败的概率为P_fault，设P_fault为一定值，则每个块共识成功的概率为P_success＝1-P_fault，N个块全部共识成功的概率为

当H-Algorand机制使用MB-Algorand机制领导者提议的目标出块数为N时，N个块全部共识成功的概率为

则H-Algorand机制安全性损失为

4.根据权利要求1所述的一种基于H-Algorand的多块输出公有链共识机制，其特征在于，步骤2-2)中，设Algorand机制对N个区块共识所需时间为：

当网络中不存在恶意攻击且当t_p＜t_c时，MB-Algorand机制共识N个区块出块提升效率为：

当N→∞时，

由式(3)可得，当t_c/t_p越小时，出块效率越大；当t_p＝t_c时，出块效率的上限为50％，在实际的区块链网络中，当块大小为4M时，t_p≈t_c，出块效率最大；

在实际的区块链网络中，设MB-Algorand机制每个待共识区块共识失败概率为P_fault，设从第二个块开始，H-Algorand机制使用MB-Algorand机制的多块方式连续提出并成功共识的区块数为n，则使用Algorand机制的单块方式提出并共识的区块数为N-1-n；

首先将H-Algorand机制看成n重伯努利实验，则H-Algorand机制使用MB-Algorand机制连续共识成功n个区块花费的时间为：

由于区块链网络的链式结构，新区块必须建立在前一区块的基础之上，则实际H-Algorand机制使用MB-Algorand机制连续共识成功n个区块花费的时间为由式(4)修正为下式：

(5)式中第一项表示n＝N-1时，H-Algorand机制所花费的时间；(5)式中第二项表示n∈[0,N-2]时，H-Algorand机制所花费的时间。

5.根据权利要求1所述的一种基于H-Algorand的多块输出公有链共识机制，其特征在于，步骤2-2)中，设Algorand机制对N个区块共识所需时间为：

当网络中不存在恶意攻击且当t_p≥t_c时，MB-Algorand机制共识N个区块出块提升效率为：

当N→∞时，

由式(8)可得，当t_c/t_p越小时，出块效率越大；当t_p＝t_c时，出块效率的上限为50％，在实际的区块链网络中，当块大小为4M时，t_p≈t_c，出块效率最大；

在实际的区块链网络中，设MB-Algorand机制每个待共识区块共识失败概率为P_fault，设从第二个块开始，H-Algorand机制使用MB-Algorand机制的多块方式连续提出并成功共识的区块数为n，则使用Algorand机制的单块方式提出并共识的区块数为N-1-n；

首先将H-Algorand机制看成n重伯努利实验，则H-Algorand机制使用MB-Algorand机制连续共识成功n个区块花费的时间为：

由于区块链网络的链式结构，新区块必须建立在前一区块的基础之上，则实际H-Algorand机制使用MB-Algorand机制连续共识成功n个区块花费的时间为由式(9)修正为下式：

(10)式中第一项表示n＝N-1时，H-Algorand机制所花费的时间；(10)式中第二项表示n∈[0,N-2]时，H-Algorand机制所花费的时间。

6.根据权利要求1所述的一种基于H-Algorand的多块输出公有链共识机制，其特征在于，步骤2)中，由步骤2-1)至步骤2-3)，对H-Algorand机制的出块效率和安全性进行折中考虑，建立如下效能函数：

公式(11)，中β为权重因子，最优化问题表示为：

约束条件公式(13)表示共识N个块时，其中N>2，H-Algorand机制完全使用MB-Algorand机制共识成功的目标概率在M以上。

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