CN110971684A - 一种基于pbft的区块链网络节点负载均衡方法 - Google Patents

一种基于pbft的区块链网络节点负载均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PBFT的区块链网络节点负载均衡方法，该方法基于联盟链平台‑‑超级账本Fabric实现，该系统分为web层、业务层fabric‑sdk‑go、智能合约层即链码层和Fabric即区块链存储层。本发明由主节点进行交易合法性判断、校验的校验、哈希计算等工作。在大量交易同时到达主节点时，主节点的工作量很大，而其余节点却是空闲状态，并且在广播区块信息时，大量的交易会造成主节点出块带宽过大，造成负载过重，是影响区块链系统性能瓶颈的一个重要因素。而本发明的负载均衡方法则解决了这一问题，主节点的一部分工作交于其他节点完成，广播压缩后的交易信息，降低网络出口带宽，在提高了系统的交易吞吐量的同时，依然保证了系统的安全性和容错率。

Description

一种基于PBFT的区块链网络节点负载均衡方法
技术领域
本发明涉及区块链共识机制技术领域，具体涉及一种基于PBTF算法的区块链网络节点负载均衡方法。
背景技术
区块链是近年来最具革命性的新兴技术之一。区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。其中共识算法是区块链的灵魂，算法能够保证在没有中心主体控制的情况下，系统能让各参与方遵循相同的规则进行记账，实现数据分布式的一致性。无论是对区块链平台的交易处理能力、扩展性影响还是对通证经济的激励模型设计，共识协议都会产生很大影响。区块链又被分为公有链和联盟链，其中联盟链源自Vitalik对区块链的分类，是他第一次提出了联盟链这个说法。联盟链又被称为许可链。联盟链的各个节点通常有与之对应的实体机构组织，通过授权后才能加入和退出网络。各机构组织组成利益相关联盟，共同维护区块链的健康运转。联盟链的节点个数通常在几个到数百个不等，处理交易的速度在每秒1000次以上。联盟链是控制节点的准入，一定程度上保护了交易的隐私，同时因为节点数量通常不多，设计上多采用PBFT等共识算法，提高了处理交易的速度。联盟链是目前在银行等金融领域受关注最高，最能被接收的区块链类型。PBFT是第一个得到广泛应用的BFT算法，随后业界还提出了若干改进版的BFT共识算法，如DBFT，RBFT等，该类共识机制都不需要挖矿，也不需要权益计算，所以通过它达成共识的时间会很快。
由IBM主导的超级账本Fabric其共识机制采用的是PBFT共识算法，然而当时的PBFT算法还是存在着众多不足，如三段协议冗余性、性能压力都在Primary中且负载不均衡、TPS还是不能满足特定行业需求、网络节点静态，无法胜任p2p网络等的不足之处。且目前多数对BFT共识算法研究方向是将网络节点由静态改为动态节点管理、改进一致性协议提高TPS来满足特殊行业的需求、将共识组成员赋予信誉值，通过信誉值选举主节点降低成本、提高BFT算法的容错率和安全性等。BFT类协议中通常会有一个主节点作为网络中的枢纽，与其他节点相比，主节点在共识过程中发挥最主要的作用，但通常也会成为系统性能的瓶颈。且目前对PBFT的主节点性能瓶颈的研究较少。在区块链网络的高并发交易场景中，主节点的负载过重是影响TPS的一个重要因素，过多的交易量同时请求主节点，会造成主节点负载过重，出口带宽过大，无法完成交易的处理。
鉴于此，本发明提出了一种面向区块链PBFT的节点负载均衡方法。本方法中，通过降低主节点的负载压力从而提高区块链系统的TPS性能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种在区块链系统下基于PBFT的节点负载均衡方法，旨在解决在高并发交易场景下主节点压力过大，负载过重的问题。
本发明采用的技术方案为一种基于PBFT的区块链网络节点负载均衡方法，该方法基于联盟链平台--超级账本Fabric实现，该系统分为web层、业务层fabric-sdk-go、智能合约层即链码层和Fabric即区块链存储层。由于fabric的链码使用go语言编写合约逻辑，因此在sdk中选择了fabric-sdk-go编写业务层逻辑，本方法基于fabric部署了四个节点的联盟链，其系统结构如图1所示。
超级账本Fabric支持总节点数3f+1中存在f个拜占庭节点，即系统完成数据一致性最多容忍f个恶意节点。Fabric中将节点分为以下三种角色：
1)背书节点；为交易做担保，模拟执行交易提案并签名。
2)共识节点；为交易排序并生成区块信息。
3)记账节点；保存区块，更新世界状态。
假设节点无拜占庭行为，使用多线程模拟100万笔交易，向系统发送交易：
步骤1：将交易提案经客户端签名后发送给fabric系统中的背书节点，由背书节点模拟执行交易提案并签名，返回模拟执行结果。
步骤2：客户端将交易(模拟执行结果和签名)发送至fabric中的共识节点。
步骤3：共识节点负责对交易进行排序并生成区块，共识节点分为主节点和副本节点，主节点负责排序交易并生成区块，副本节点负责同步区块信息，保障主节点无拜占庭行为。
步骤4：共识节点将广播区块，记账节点接收到区块信息同步fabric中的状态数据库和历史数据库区块信息。
步骤5：交易完成。
进一步的，所述的步骤3中，交易发送给共识组任意成员，减轻了主节点的一部分工作，一些合法性校验工作由其他节点去完成，哈希的计算工作也有副本节点来完成。另一方面副本节点在这个过程中也得到了任务的分配，将其由空闲状态利用了起来，平衡了主节点和副本节点的工作量。
本发明应用与联盟链超级账本fabric下的区块链网络上，即保证了PBFT算法的有效性、容错性和安全性，同时又解决了算法中主节点负载不均衡的问题。传统的PBFT算法是将交易发送至主节点，由主节点进行交易合法性判断、校验的校验、哈希计算等工作。在大量交易同时到达主节点时，主节点的工作量很大，而其余节点却是空闲状态，并且在广播区块信息时，大量的交易会造成主节点出块带宽过大，造成负载过重，是影响区块链系统性能瓶颈的一个重要因素。而本发明的负载均衡方法则解决了这一问题，主节点的一部分工作交于其他节点完成，广播压缩后的交易信息，降低网络出口带宽，在提高了系统的交易吞吐量的同时，依然保证了系统的安全性和容错率。
附图说明
图1为系统结构图。
图2为本方法的一致性协议流程图。
图3为交易发往共识组成员的流程图。
图4为交易在整个区块链系统中的运转流程。
图5为主节点选举过程流程图。
图6为本方法状态转移示意图。
图7为副本节点工作流程图。
图8为主节点工作流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的一种基于PBFT的区块链网络节点负载均衡方法，其流程图如图1所示，包括如下步骤：
1)为了保证节点的不可预测性，需要主节点的选举是随机的，将原PBFT的轮流坐庄制改为通过区块高度和视图编号生成一个随机数，这个随机数就是节点的编号。生成的随机数在0～R-1之间，R是节点的总数。
2)客户端将交易发送至共识组成员，发送的目标对象由当前的区块高度和视图编号决定一个随机数，这个随机数在0～R-1之间，其中R是节点总数。其流程图如图2所示。
3)每个节点接受到交易后都要校验交易的合法性，然后计算交易的摘要并签名，将交易与摘要广播。
4)节点收到交易后计算摘要，并与原摘要对比，如果收到2f+1个相同的摘要，即可认为副本节点无拜占庭节点。主节点将交易的摘要打包至哈列表中，并通过接受到的顺序对交易进行排序生成区块信息，然后分发至其余副本节点。
5)验证节点会将自身节点中的每个哈希值与主节点传过来的列表中的哈希值一一比对，验证主节点是否发生了错误，并根据主节点的排序模拟执行这些交易，所有交易执行完后，基于交易结果计算新区块的哈希，并作为摘要向全网广播。交易从发起至结块在整个区块链系统中的流程如图3所示。
6)如果一个节点收到的2f个其他节点发来的哈希摘要和自己相等，就向全网广播commit消息，认同主节点的排序。
7)如果一个节点收到2f+1条commit消息，即可同意提交主节点打包的区块到本地区块链和状态数据库中。
进一步的，所述的步骤1)中，假设共识组中验证节点的总数为R，则给予每个节点按照0，1，2,…R-1进行编号，由上述公式计算结果p作为共识组的主节点，rand(h，v+h)为自变量为h和v的随机函数，其中h为当前区块链的区块高度，v为当前系统的视图编号。共识过程开始时，假设区块高度h为10，视图v为0。共识组节点总数R为4，给与四个节点分别命名为n1，n2，n3，n4，其编号分别为0，1，2，3。则公式p＝rand(10，10)％4的结果可能是0，1，2，3。且所有节点计算的结果是一致的，假设n1节点根据公式计算结果p＝3，那么该节点就认为n4节点是主节点，当存在恶意节点宣称自己是主节点，每个节点会根据计算结果p对比签名信息，发现没有n4的签名就拒绝该节点的提议。保障了选举的随机性和安全性。流程图如图4所示。
进一步的，所述的步骤2)中，交易发送给共识组任意成员，减轻了主节点的一部分工作，一些合法性校验工作由其他节点去完成，哈希的计算工作也有副本节点来完成。另一方面副本节点在这个过程中也得到了任务的分配，将其由空闲状态利用了起来，平衡了主节点和副本节点的工作量。
由于最初提出来的PBFT主要是面向C/S架构的服务系统，服务器与客户端之间的每个请求都响应，但是在区块链系统中，区块的生成是可以延迟到下一个时间片，因此本文取消了commit-local阶段。该算法状态转移示意图如图5所示。
由于BFT类算法的节点数需要满足3f+1，因此这里假设区块链网络存在四个节点，当客户端发来一笔交易时，副本节点需要做的工作如图6所示：副本节点收到这笔交易首先校验这笔交易的合法性，包括检验格式、数据大小等内容。然后基于SHA算法计算交易摘要，并对交易签名。封装交易信息广播至其余节点。主节点在之后的时间内，会收到网络中所有的交易信息，主节点的工作如图7所示：对所有的交易进行排序工作，然后本地生成一个有序列表，根据batch大小将交易池中的一部分交易摘要封装成pre-prepare消息并广播，广播的列表属性具有更小的消息体，因此具有更低的网络出口带宽。

Claims (6)

1.一种基于PBFT的区块链网络节点负载均衡方法，其特征在于：该方法基于联盟链平台--超级账本Fabric实现，该系统分为web层、业务层fabric-sdk-go、智能合约层即链码层和Fabric即区块链存储层；由于fabric的链码使用go语言编写合约逻辑，因此在sdk中选择了fabric-sdk-go编写业务层逻辑，本方法基于fabric部署了四个节点的联盟链；
假设节点无拜占庭行为，使用多线程模拟100万笔交易，向系统发送交易：
步骤1：将交易提案经客户端签名后发送给fabric系统中的背书节点，由背书节点模拟执行交易提案并签名，返回模拟执行结果；
步骤2：客户端将交易(模拟执行结果和签名)发送至fabric中的共识节点；
步骤3：共识节点负责对交易进行排序并生成区块，共识节点分为主节点和副本节点，主节点负责排序交易并生成区块，副本节点负责同步区块信息，保障主节点无拜占庭行为；
步骤4：共识节点将广播区块，记账节点接收到区块信息同步fabric中的状态数据库和历史数据库区块信息；
步骤5：交易完成。
2.根据权利要求1所述的一种基于PBFT的区块链网络节点负载均衡方法，其特征在于：超级账本Fabric支持总节点数3f+1中存在f个拜占庭节点，即系统完成数据一致性最多容忍f个恶意节点；Fabric中将节点分为以下三种角色：
1)背书节点；为交易做担保，模拟执行交易提案并签名；
2)共识节点；为交易排序并生成区块信息；
3)记账节点；保存区块，更新世界状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于PBFT的区块链网络节点负载均衡方法，其特征在于：所述的步骤3中，交易发送给共识组任意成员，减轻了主节点的一部分工作，一些合法性校验工作由其他节点去完成，哈希的计算工作也有副本节点来完成；另一方面副本节点在这个过程中也得到了任务的分配，将其由空闲状态利用了起来，平衡了主节点和副本节点的工作量。
4.一种基于PBFT的区块链网络节点负载均衡方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1)为了保证节点的不可预测性，需要主节点的选举是随机的，将原PBFT的轮流坐庄制改为通过区块高度和视图编号生成一个随机数，这个随机数就是节点的编号；生成的随机数在0～R-1之间，R是节点的总数；
步骤2)客户端将交易发送至共识组成员，发送的目标对象由当前的区块高度和视图编号决定一个随机数，这个随机数在0～R-1之间，其中R是节点总数；
步骤3)每个节点接受到交易后都要校验交易的合法性，然后计算交易的摘要并签名，将交易与摘要广播；
步骤4)节点收到交易后计算摘要，并与原摘要对比，如果收到2f+1个相同的摘要，即可认为副本节点无拜占庭节点；主节点将交易的摘要打包至哈列表中，并通过接受到的顺序对交易进行排序生成区块信息，然后分发至其余副本节点；
步骤5)验证节点会将自身节点中的每个哈希值与主节点传过来的列表中的哈希值一一比对，验证主节点是否发生了错误，并根据主节点的排序模拟执行这些交易，所有交易执行完后，基于交易结果计算新区块的哈希，并作为摘要向全网广播；
步骤6)如果一个节点收到的2f个其他节点发来的哈希摘要和自己相等，就向全网广播commit消息，认同主节点的排序；
步骤7)如果一个节点收到2f+1条commit消息，即可同意提交主节点打包的区块到本地区块链和状态数据库中。
5.根据权利要求4所述的一种基于PBFT的区块链网络节点负载均衡方法，其特征在于：所述的步骤1)中，假设共识组中验证节点的总数为R，则给予每个节点按照0，1，2,…R-1进行编号，由上述公式计算结果p作为共识组的主节点，rand(h，v+h)为自变量为h和v的随机函数，其中h为当前区块链的区块高度，v为当前系统的视图编号；共识过程开始时，假设区块高度h为10，视图v为0；共识组节点总数R为4，给与四个节点分别命名为n1，n2，n3，n4，其编号分别为0，1，2，3；则公式p＝rand(10，10)％4的结果可能是0，1，2，3；且所有节点计算的结果是一致的，假设n1节点根据公式计算结果p＝3，那么该节点就认为n4节点是主节点，当存在恶意节点宣称自己是主节点，每个节点会根据计算结果p对比签名信息，发现没有n4的签名就拒绝该节点的提议。
6.根据权利要求4所述的一种基于PBFT的区块链网络节点负载均衡方法，其特征在于：所述的步骤2)中，交易发送给共识组任意成员，减轻了主节点的一部分工作，一些合法性校验工作由其他节点去完成，哈希的计算工作也有副本节点来完成；另一方面副本节点在这个过程中也得到了任务的分配，将其由空闲状态利用了起来，平衡了主节点和副本节点的工作量。
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