CN111049895B - 一种基于ism的改进pbft共识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ISM的改进PBFT共识方法。首先，通过区块链节点间的交易关系构建ISM，对区块链共识节点进行分层。由下而上展开，以底层节点为共识中心节点，以次底层节点为共识一级节点，以此类推定义区块链共识节点分层方法，建立区块链共识节点分层体系。然后，以探寻方法对分层后的区块链共识节点进行分块，划分多个参与共识的子节点集群，以多中心子节点集群分块进行PBFT共识。最后，共识中心节点将共识结果提交区块，实现总体共识。本发明实现了多中心子节点集群分层分块共识，解决了传统PBFT算法中网络堵塞问题，减少了区块链网络广播资源浪费、降低了区块链共识通信成本，保证区块链共识安全的同时大大地提升了通信和共识效率。

Description

一种基于ISM的改进PBFT共识方法

技术领域

本发明涉及区块链共识机制，尤其涉及PBFT(Practical Byzantine FaultTolerance实用拜占庭容错)共识机制。

背景技术

区块链是在P2P网络中各节点以区块形式按时间戳先后排序存储数据的链式结构，具有公开化、可信化、去中心化不可篡改的特点,其本质是一个公开透明的去中心化账本。区块链技术作为比特币的底层技术，涉及到密码学、分布式数据存储、共识机制、对等网络信息通信等多方面技术，是计算机领域的新型应用模式。

共识机制是区块链工作引擎，是在P2P网络中无控制主体情况下，各参与节点协同记账，保证数据的分布式一致性。共识机制的首要目标是达成共识，其次还要兼顾防止双花攻击，兼顾公平公正、激励和容错。常见的共识机制有：POW(工作量证明机制)、POS(权益证明机制)、DPOS(股份授权证明)和POW+POS(混合共识机制)等，共识机制对区块链吞吐量、延展性、容错性具有决定作用。

拜占庭将军问题基于忠诚与叛变共存的敌城驻守故事，其中叛变将军向忠诚将军发送不同消息，干扰将军们的作战计划一致性。忠诚将军如何抵制叛变将军干扰达成作战计划一致性的问题就是拜占庭将军问题。拜占庭将军问题本质上是在分布式对等网络中的通信容错问题。相应地，在区块链角度，P2P网络中恶意节点通过系统中正确判断来冲突信息，影响区块链数据安全。若系统能在容错范围内达成共识，系统内节点数量应满足如下关系：设网络中总节点数为N,恶意节点数f，则N≥3f+1。

共识算法主要解决如何高效达成分布式系统一致性问题，即分布式共识问题。是否达成共识的决定权分散在各个节点，而节点规模与共识通信成本成正比，所以系统的一致性和系统可用性存在二律背反，需要根据不同的应用场景进行均衡。目前的共识算法大体上分为绝对性共识和概率性共识。工作量证明算法、股份证明算法委托股权证明算法在较大概率上能保证数据的一致性，即为概率性共识算法。PAXOS算法和BFT类算法保证不同节点数据的绝对一致，不存在节点数据不一致的情况，即绝对性共识算法。其中，若区块链网络中存在拜占庭将军问题，恶意节点主动发送错误信息，则需容错性能较好的共识算法来保证网络中各节点共识达成一致。

实用拜占庭容错(PBFT)算法需要各节点共同维护系统状态，解决带拜占庭问题的分布式一致性难题。带拜占庭问题的P2P网络中存在的恶意节点(拜占庭节点)故意对节点集群发出的请求不响应，甚至故意发送错误数据，以阻碍分布式系统达成一致。具有较高容错性的PBFT算法包括四个阶段：请求阶段、预准备阶段、准备阶段和确认阶段。其可以容忍小于1/3的恶意节点或无效节点实现有效共识。

PBFT共识算法存在不足，网络中所有节点参与共识，容易造成广播资源浪费，导致网络堵塞，增加通信成本。

发明内容

为了解决传统PBFT网络堵塞问题，减少区块链网络广播资源浪费、降低区块链共识通信成本，本发明提供一种基于ISM的改进PBFT共识方法，该机制不仅能保证共识安全还能实现多中心子节点集群共识，大大提高区块链共识效率。ISM即解释结构模型。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于ISM的改进PBFT共识方法。

为了改变区块链网络中全部节点同时参与共识造成网络堵塞的情况，对节点进行分层处理。通过区块链节点间的交易关系对区块链共识节点进行分层。分层具体包括如下步骤：

S1：通过交易关系建立节点间的m*m邻接矩阵A,其中，m为区块链系统中的节点个数。

邻接矩阵元素a_ij。其中，

“1”表示两节点间存在交易，其中交易输入指向交易输出，“0”表示两节点间无交易。

S2：由邻接矩阵加上单位矩阵得(A+I)，以布尔运算逻辑进行幂积运算，直到(A+I)ⁿ＝(A+I)ⁿ⁺¹，n为幂积计算次数。即当幂积迭代计算后结果不再变化,得可达矩阵M。

S3：为了对可达矩阵M进行区域分解，计算系统中各节点的可达性集合L和先行集合F，以及二者的共同集合(L∩F)，由以上可达性集合L、先行集合F和共同集合(L∩F)三个集合进行区块链共识节点分层。若某节点n对应的集合满足(L∩F)＝L，则节点n在最顶层，剔除节点n后继续以集合满足(L∩F)＝L为规则选择次顶层节点，以此类推实现分层；若某节点n对应的集合满足(L∩F)＝F，则节点n在最底层。

S4：若某些节点对应的可达性集合L、先行集合F和共同集合(L∩F)三个集合对应相同，则这些节点存在强连接关系，可取一个节点代表留在矩阵中进行后续运算，其他节点剔除矩阵，实现矩阵缩减。由可达矩阵M剔除强相关节点得到缩减矩阵M1。通过缩减矩阵M1减掉单位矩阵I得到矩阵M₂，由矩阵M₂反应的逻辑关系构建区块链节点的有向连接图，实现区块链共识节点带有交易逻辑关系的分层。

在该方法中，为了实现节点分层更好地服务区块链共识机制，定义分层节点，由下而上展开式建立区块链节点分层体系。在区块链共识节点分层中，参与节点在整个区块链交易关系中的地位随着分层体系的层级上升而下降，因为底层节点在区块链节点间的交易关系中占据主要地位，故以底层节点为共识中心节点(K₁、K₂.....K_i,i为共识中心节点个数)。同理，以次底层节点为共识一级节点(A₁、A₂.......A_j，j为共识一级节点个数)。由此，区块链共识节点依据节点在交易关系中的重要地位建立起分层体系。

区块链共识节点分层是实现分块共识的基础。为ISM更好地服务分层分块式共识，对ISM模型进行改进。区块链共识节点按交易关系中的重要地位实现分层后，补充节点分块步骤。区块链分层节点中，由底层节点向上层逐层探寻，如果出现分叉，则该节点与分叉后节点划入一个共识节点子集群。以此来实现区块链共识节点分块，从而构建多个参与区块链共识的多中心节点集群。

至此，ISM模型已实现区块链共识节点的分层分块功能，下面将是PBFT共识机制在分层分块的基础上实现共识的操作过程。

为了改善传统PBFT共识过程中网络资源浪费，通信堵塞的问题，设计了多中心子节点集群分块参与共识，然后逐层向下实现底层共识中心节点的一致性验证。在单个子节点集群网络中，通过预准备、准备、提交和回复等阶段实现整个区块链网络中的部分共识，子节点集群共识完成。

子节点集群共识完成后，一级共识节点(A₁、A₂.......A_j，j为共识一级节点个数)进行第二次交验并进入下一层共识中心节点K_n轮询共识。共识中心节点通过轮询方式进行交易验证和PBFT共识，最后将区块上链，完成总体共识。

有益效果：

本发明的收益效果是提高区块链共识效率，改善区块链网络的广播资源利用率，减少网络堵塞，降低通信成本。

附图说明

图1：为本发明的一种基于ISM的改进PBFT共识方法分层分块模型；

图2：为本发明的一种基于ISM的改进PBFT共识方法原理图；

图3：为本发明一种基于ISM的改进PBFT共识方法的总体流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

参见附图3，根据本发明的一个实施例，提供一种基于ISM的改进PBFT共识方法，在区块链环境运行ISM算法，通过区块链节点间的交易关系对节点进行分层。分层具体包括如下步骤：

S1：通过交易关系建立节点间的m*m邻接矩阵A,其中，m为区块链系统中的节点个数。

邻接矩阵元素a_ij。其中，

“1”表示两节点间存在交易，其中交易输入指向交易输出，“0”表示两节点间无交易。

S2：由邻接矩阵加上单位矩阵得(A+I)，以布尔运算逻辑进行幂积运算，直到(A+I)ⁿ＝(A+I)ⁿ⁺¹，n为幂积计算次数。即当幂积迭代计算后结果不再变化,得可达矩阵M。

S3：为了对可达矩阵M进行区域分解，计算系统中各节点的可达性集合L和先行集合F，以及二者的共同集合(L∩F)，由以上可达性集合L、先行集合F和共同集合(L∩F)三个集合进行区块链共识节点分层。若某节点n对应的集合满足(L∩F)＝L，则节点n在最顶层，剔除节点n后继续以集合满足(L∩F)＝L为规则选择次顶层节点，以此类推实现分层；若某节点n对应的集合满足(L∩F)＝F，则节点n在最底层。

S4：若某些节点对应的可达性集合L、先行集合F和共同集合(L∩F)三个集合对应相同，则这些节点存在强连接关系，可取一个节点代表留在矩阵中进行后续运算，其他节点剔除矩阵，实现矩阵缩减。由可达矩阵M剔除强相关节点得到缩减矩阵M1。通过缩减矩阵M1减掉单位矩阵I得到矩阵M₂，由矩阵M₂反应的逻辑关系构建区块链节点的有向连接图，实现区块链共识节点带有交易逻辑关系的分层。

作为一种实施方式，参见图1，为了实现节点分层更好地服务区块链共识机制，定义分层节点，由下而上展开式建立区块链节点分层体系。在区块链共识节点分层中，参与节点在整个区块链交易关系中的地位随着分层体系的层级上升而下降，因为底层节点在区块链节点间的交易关系中占据主要地位，故以底层节点为共识中心节点(K₁、K₂.....K_i,i为共识中心节点个数)。同理，以次底层节点为共识一级节点(A₁、A₂.......A_j，j为共识一级节点个数)。由此，区块链共识节点依据节点在交易关系中的重要地位建立起分层体系。

作为一种实施方式，为ISM更好地服务分层分块式共识，对ISM模型进行改进。区块链共识节点分层是实现分块共识的基础。所以在区块链共识节点按交易关系中的重要地位实现分层后，补充节点分块步骤。区块链分层节点中，由底层节点向上层逐层探寻，如果出现分叉，则该节点与分叉后节点划入一个共识节点子集群。以此来实现区块链共识节点分块，从而构建多个参与区块链共识的多中心节点集群。

至此，ISM模型已实现区块链共识节点的分层分块功能，下面将是PBFT共识机制在分层分块的基础上实现共识的操作过程。参见附图2。

作为其中一种实施方式，多中心子节点集群在分层的基础上分块进行共识。

在预准备阶段，节点A_i的上层节点B_i对A_i发出请求，节点A_i将若干请求写进区块并给A_i的上层节点B_i广播pre-prepare消息，消息的格式为<<pre-prepare,v,n,d>,m>(v是视图view编号，m是请求的消息，d是请求消息的摘要)。

在准备阶段,上层节点B_i收到节点A_i的pre-prepare消息，并发送一条prepare消息给B_i所在子节点集群中的其他节点B_j，来验证签名信息、摘要信息和请求编号。消息格式为<prepare,v,n,d,i>，如果为非法数据，则子节点集群丢弃信息，不参与共识。如果消息正确，上层节点B_i向一级共识节点A_i发送一条prepare消息，格式为<PREPARE,v,n,d,i>。

在提交阶段，一级共识节点A_i和上层共识节点B_i收到prepare消息，同一节点集群中的两层共识节点开始交验消息，验证prepare消息签名、消息内容与摘要、请求编码。丢弃非法请求，如果消息正确，上层节点B_i向一级共识节点A_i发送一条commit消息，消息格式为<COMMIT,v,n,d,i>。

在回复阶段，一级共识节点A_i收到了2f+1个验证通过的commit消息(其中，f为拜占庭节点数)，区块链单个子节点集群网络中已达成PBFT共识。至此，单个子节点集群网络已达成整个区块链网络中的部分共识。

作为其中一种实施方式，子节点集群共识完成后，一级共识节点(A1、A2.......Aj，j为共识一级节点个数)进行第二次交易验证，其中，一级共识节点Ai和同一分层的节点An进入准备阶段并发送一条prepare消息给Ai的同一分层节点An来交验签名信息、摘要信息和请求编号，消息正确，进入下一层共识中心节点Kn的轮询交验。共识中心节点通过轮询方式进行交易验证和PBFT共识，最后将区块上链，完成总体共识。

本发明申请的共识机制是较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做修改、替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于ISM的改进PBFT共识方法，其特征在于，在区块链环境运行解释结构模型ISM算法，通过区块链节点间的交易关系对区块链共识节点进行分层；所述分层具体包括如下步骤：

步骤S1:通过交易关系建立节点间的m*m邻接矩阵A,其中，m为区块链系统中的节点个数;邻接矩阵元素a_ij;

其中，

“1”表示两节点间存在交易，其中交易方向为输入指向交易输出，“0”两节点间无交易；

步骤S2：由邻接矩阵加上单位矩阵得(A+I)，进行幂积运算，直到(A+I)ⁿ=(A+I)ⁿ⁺¹，n为幂积计算次数，即当幂积迭代计算后结果不再变化，得可达矩阵M；

步骤S3：为了对可达矩阵M进行区域分解，计算系统中各节点的可达性集合L和先行集合F,以及二者的共同集合(L∩F)，由以上可达性集合L、先行集合F和共同集合(L∩F)三个集合进行区块链共识节点分层;若某节点n对应的集合满足(L∩F)=L，则节点n在最顶层，剔除节点n后继续以集合满足(L∩F)=L为规则选择次顶层节点，以此类推实现分层；若某节点n对应的集合满足(L∩F)=F，则节点n在最底层；

所述步骤S3还包括区块链共识节点按交易关系中的重要地位实现分层后，由底层节点向上层逐层探寻，如果出现分叉，则该节点与分叉后节点划入一个共识节点子集群，实现区块链共识节点分块，从而构建了多个参与区块链共识的多中心节点集群；

还包括多中心子节点集群分块共识，然后逐层达成共识；在单个子节点集群网络中，通过预准备、准备、提交和回复阶段实现整个区块链网络中的部分共识，子节点集群共识完成；

步骤S4：若某些节点对应的可达性集合L、先行集合F和共同集合(L∩F)三个集合对应相同，则这些节点存在强连接关系，取一个节点代表留在矩阵中进行后续运算，其他节点剔除矩阵，实现矩阵缩减；由可达矩阵M剔除强相关节点得到缩减矩阵M₁；通过缩减矩阵M₁减掉单位矩阵I得到矩阵M₂，由矩阵M₂反应的逻辑关系构建区块链节点的有向连接图，实现区块链共识节点带有交易逻辑关系的分层；

子节点集群共识完成后，一级共识节点A₁、A₂.......A_j，进行第二次交易验证，j为共识一级节点个数，其中，一级共识节点Ai和同一分层的节点An进入准备阶段并发送一条prepare消息给Ai的同一分层节点An来交验签名信息、摘要信息和请求编号，消息正确，进入下一层共识中心节点Kn的轮询交验；共识中心节点通过轮询方式进行交易验证和PBFT共识，最后将区块上链，完成总体共识。

2.根据权利要求1所述的一种基于ISM的改进PBFT共识方法，其特征在于：

步骤S3还包括，建立区块链节点分层体系，由下而上展开；在区块链共识节点分层中，参与节点在整个区块链交易关系中的地位随着分层体系的层级上升而下降，底层节点在区块链节点间的交易关系中占据主要地位，故以底层节点为共识中心节点K₁、K₂.....K_i,i为共识中心节点个数；同理，以次底层节点为共识一级节点A₁、A₂.......A_j，j为共识一级节点个数，以此类推，定义区块链共识分层节点。

3.根据权利要求1所述的一种基于ISM的改进PBFT共识方法，其特征还在于：

区块链节点在分层的基础上，以单个子节点集群分块分阶段实现PBFT一次共识；

在预准备阶段，节点Ai的上层节点Bi对Ai发出请求，节点Ai将若干请求写进区块并给Ai的上层节点Bi广播pre-prepare消息，消息的格式为<<pre-prepare, v, n, d>, m>，其中v是视图view编号，m是请求的消息，d是请求消息的摘要；

在准备阶段,上层节点Bi收到节点Ai的pre-prepare消息，并发送一条prepare消息给Bi所在子节点集群中的其他节点Bj，来验证签名信息、摘要信息和请求编号；消息格式为<prepare, v, n, d, i>，如果为非法数据，则子节点集群丢弃信息，不参与共识；如果消息正确，上层节点Bi向一级共识节点Ai发送一条prepare消息，格式为<PREPARE, v, n, d, i>；

在提交阶段，一级共识节点Ai和上层共识节点Bi收到prepare消息，同一节点集群中的两层共识节点开始交验消息，验证prepare消息签名、消息内容与摘要、请求编码；丢弃非法请求，如果消息正确，上层节点Bi向一级共识节点Ai发送一条commit消息，消息格式为<COMMIT, v, n, d, i>；

在回复阶段，一级共识节点Ai收到了2f+1个验证通过的commit消息,其中，f为拜占庭节点数，区块链单个子节点集群网络中已达成PBFT共识；至此，单个子节点集群网络已达成整个区块链网络中的部分共识。

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