CN111131206B - 一种区块链共识机制中的激励方法 - Google Patents

Abstract

一种区块链共识机制中的激励方法，包括以下步骤：步骤1，在开始时，网络中的每个节点被分配到初始贡献度（C ₀ ），该初始贡献度使每个节点都有机会访问块；步骤2，当一个节点被选为一个矿工时，它的贡献度将随着它在区块创建中的行为而重新评估和更新；当该节点被选为矿工时，其贡献度的评价取决于两个因素，即活动因子和奖惩因子；步骤3，采取三种惩罚策略，抑制自私的矿工，P1:当C _i <C ₀ 时，M _i 不能访问区块；P2:当A _i <C ₀ 时，M _i 不能访问区块；P3:当RP _i <C ₀ 时，M _i 不能访问区块，由于恶意矿工更为可怕，矿工团队应该将M _i 排除在外；具有运行效率高、可靠性能高的特点。

Description

一种区块链共识机制中的激励方法

技术领域

本发明属于区块链技术领域，具体涉及一种区块链共识机制中的激励方法。

背景技术

区块链最初是在2008年作为比特币的基础技术而受到关注的，但如今已被广泛应用于各种应用程序中，并创造了全球市场价值。通过数据加密、时间戳、共识机制和智能契约，区块链可以在分布式系统中实现分散的信用点对点交易、协调与协作，从而为集中式机构的高成本、低效率和数据存储不安全问题提供解决方案。

区块链技术被认为是继大型机、个人电脑、互联网、移动社交之后的第五个颠覆性计算范式，是人类信用进化史上继血亲信用、贵金属信用和央行票据信用之后的第四个里程碑。比特币也许会在未来消失，但区块链因其广阔的应用前景而受到越来越多的关注。

区块链是带有一系列区块的公共账本，每个区块由多个已提交的交易组成。在新的区块产生时，将按时间顺序链接到链上。区块链的核心优势是分散性、透明性、可追踪性和抗篡改性。因此，区块链已经应用到许多领域，包括金融服务、医药、物联网(IoT)、软件工程、电子政务和公共服务、教育等方面。

事实上，区块链最基本的技术是共识机制。通过分布式区块链网络中的共识机制，智能合约允许相互之间的节点完成数据交换或交易，而无需任何第三方可信任的机构。在共识机制中负责创建块的节点称为矿工。

当选择矿工在区块链网络中创建区块时，会遇到一些技术问题，例如：

共识机制赋予无线网络类人特征(例如，学习，适应和合作)。从社会学的角度来看，如果没有任何激励措施，矿工将变得自私。

共识机制缺乏激励措施。因此，一些自私的矿工可能拒绝参与区块的创建，以节省他们的能源或传输时间，同时仍然访问来自网络的区块。

自私矿工的存在可能会对创建块的效率造成灾难性的破坏，甚至停止创建块。在这种情况下，区块链将无法继续发展和生存。

现有技术的状况是：

区块链网络提供了对等协议组织的方式。根据区块链的起源定义，在网络中创建区块的步骤可描述如下：

1)将新交易广播到所有节点

2)每个节点将新交易收集到一个区块中

3)每个节点都在共识机制的制约下工作

4)选定一个节点通过共识机制创建新区块，将新区块广播到所有节点

5)当节点中的所有交易都有效且尚未生效时，其他节点接受新区块

6)其他节点接受新区块并将新区块添加到链上，使用新区块的哈希值作为下一个区块的头哈希。

在股权证明(PoS)[9]中，矿工被选择创建新区块的概率与矿工拥有的货币成正比。PoS可以克服能源和资源消耗问题，但是在PoS达成共识的过程中，会出现富人越来越富的现象。

可以发现，由于需要昂贵的的工作证明计算或者货币，在区块链中选择单矿工创建新区块的共识机制并不是一个好的选择。

目前，选择多矿工创建区块的共识机制受到更多关注。在这种类型的共识机制中，每个矿工会扮演两个角色：提出新块的提议者或验证块有效性的验证者。例如，Tendermint是一种一致性BFT(拜占庭容错)机制，即使网络中多达三分之一的节点以任意方式发生故障，该机制也能正常工作。在Tendermint中，提议者提出一个新区块，由验证器验证该块是否合法。Hyperledger Fabric也是一种基于拜占庭容错的共识算法[11]，它可以容忍区块链网络中多达三分之一的拜占庭节点。但是，在Tendermint和Hyperledger Fabric中执行共识机制的矿工数量是固定的，这可能会导致系统受到攻击的风险加大。

基于Tendermint，文献[12]提出了一种利用随机和博弈论的共识机制。这种共识机制不依赖固定的矿工集，它会完全随机选择一组不同的矿工完成新区块的创建。

无论矿工的选择是固定的还是随机的，在共识机制中都没有采取激励措施。一些矿工会变得自私。自私矿工的存在会降低共识机制的运行效率和可靠性能。因此，如何高效、有效地解决区块链网络的自私问题，成为区块链网络中保证块的连续创建的一个非常具有挑战性的问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种区块链共识机制中的激励方法，具有运行效率高、可靠性能高的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种区块链共识机制中的激励方法，包括以下步骤：

步骤1，在开始时，网络中的每个节点被分配到初始贡献度(C₀)，该初始贡献度使每个节点都有机会访问块；

步骤2，当一个节点被选为一个矿工时，它的贡献度将随着它在区块创建中的行为而重新评估和更新；当该节点被选为矿工时，其贡献度的评价取决于两个因素，即活动因子和奖惩因子；

活动因子用于评估矿工如何积极地参与区块的创建，以第i个矿工(M_i)为例，其活动因子可计算为：

其中，s_i是参与区块创建的选择数，(r_i，p_i)分别表示拒绝和参与的数量，特别地，s_i＝r_i+p_i；

尽管矿工同意参与区块的创建，但p_i并不总是可靠的。应该考虑恶意矿工可能以提议者的角色提供假块，或者以验证者的角色提供错误的投票；

再次以M_i为例，双参数(f_i，h_i)分别表示M_i提供的假块和诚实块的数目；如果验证者验证M_i提供的块为假块，则f_i将增加1，如果是诚实块，hi将增加1。同样，双参数(w_i，c_i)分别表示M_i提供的错误和正确投票数，如果M_i的验证投票与多数投票不同，w_i将增加1，如果M_i的验证投票与多数投票相同，则c_i增加1，特别地，p_i＝h_i+c_i+f_i+w_i.

考虑到四个对偶参数(f_i，h_i，w_i，c_i)，M_i的奖惩因子可以评估为：

利用RP_i对活动因子的权重，M_i的贡献度可以评估为：

步骤3，采取三种惩罚策略，抑制自私的矿工

P1：当C_i＜C₀时，M_i不能访问区块；

P2：当A_i＜C₀时，M_i不能访问区块；

P3：当RP_i＜C₀时，M_i不能访问区块，同时，由于恶意矿工更为可怕，矿工团队应该将M_i排除在外。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中从不同贡献动机的设计思想出发，提出了一种激励方案，称为DCM(Dierential Contribution Motivation)，以激励区块链网络中的自私矿工。本发明与现有技术的区别如下：

DCM方案是基于贡献度的，这种贡献度可以影响矿工的行为。对每个矿工贡献程度的评估取决于用户贡献越多得到的帮助越多的原则。拒绝参与区块创造的矿工贡献程度较低，反之亦然。DCM方案可以提高共识机制的性能，保证区块的连续创建。

本发明可以解决自私性问题，该自私性问题可能对区块链网络中创建块的效率造成灾难性的损害。

通过引入贡献度，本发明可以抑制自私矿工从而有效地创建区块；

网络中的每个节点具有初始贡献度，都有机会访问的区块；但是，一旦节点被选为矿工，其贡献度将随着其在区块创建中的行为而重新评估和更新；

如果自私矿工拒绝参与区块创建，其贡献度将降低；

即使自私矿工在C_i＜C₀或A_i＜C₀时无法访问区块，它也可以通过积极参与再次获得机会；

如果恶意矿工在RP_i＜C₀时无法访问区块，它将被矿工团队排除，该矿工将没有机会。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

参见图1，贡献度可以看作是一个矿工的用户效用，从社会的角度来看，这是一种抑制自私行为的设计思想。一旦矿商经常参与区块的创建，就会得到较强的贡献度。否则，他的贡献度会很低。具有较强的贡献度，该矿工可以很容易地访问来自网络的区块。

DCM方案的流程图如图1所示，一种区块链共识机制中的激励方法，包括以下步骤：

步骤1，在开始时，网络中的每个节点被分配到初始贡献度(C₀)，该初始贡献度使每个节点都有机会访问块；

步骤2，众所周知，每个节点都有可能成为区块链网络中的一个矿工，当一个节点被选为一个矿工时，它的贡献度将随着它区块创建中的行为而重新评估和更新；

在DCM方案中，发现与拒绝和缺陷块创建相对应的行为会影响贡献度。因此，当节点被选为矿工时，贡献度的评价取决于两个因素，即活动因子和奖惩因子；

活动因子用于评估矿工如何积极地参与区块的创建，以第i个矿工(M_i)为例，其活动因子可计算为：

其中s_i是参与区块创建的选择数，(r_i，p_i)分别表示拒绝和参与的数量，特别地，s_i＝r_i+p_i；

尽管矿工同意参与区块的创建，但p_i并不总是可靠的，应该考虑恶意矿工可能以提议者的角色提供假块，或者以验证者的角色提供错误的投票；

再次以M_i为例，双参数(f_i，h_i)分别表示M_i提供的假块和诚实块的数目，如果验证者验证M_i提供的块为假块，则f_i将增加1，如果是诚实块，h_i将增加1，同样，双参数(w_i，c_i)分别表示M_i提供的错误和正确投票数，如果M_i的验证投票与多数投票不同，w_i将增加1，如果M_i的验证投票与多数投票相同，则c_i增加1，特别地，p_i＝h_i+c_i+f_i+w_i；

考虑到四个对偶参数(f_i，r_i，w_i，c_i)，M_i的奖惩因子可以评估为：

利用RP_i对活动因子的权重，M_i的贡献度可以评估为：

步骤3，采取三种惩罚策略，抑制自私的矿工

P1：当C_i＜C₀时，M_i不能访问区块；

P2：当A_i＜C₀时，M_i不能访问区块；

P3：当RP_i＜C₀时，M_i不能访问区块；同时，由于恶意矿工更为可怕，矿工团队应该将M_i排除在外。

缩略词和定义列表

DCM：不同贡献动机；M_i：第i个矿工；C₀：初始贡献度；A_i：M_i的活动因子；RP_i：M_i的奖罚因子；C_i：M_i的贡献度。

Claims (1)

1.一种区块链共识机制中的激励方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在开始时，网络中的每个节点被分配到初始贡献度（C ₀ ），该初始贡献度使每个节点都有机会访问块；

步骤2，当一个节点被选为一个矿工时，它的贡献度将随着它在区块创建中的行为而重新评估和更新；当该节点被选为矿工时，其贡献度的评价取决于两个因素，即活动因子和奖惩因子；

活动因子用于评估矿工如何积极地参与区块的创建，第

个矿工(M _i )，其活动因子可计算为:

(1)

其中，s _i 是参与区块创建的选择数，（r _i , p _i ）分别表示拒绝和参与的数量， s _i =r _i +p _i ；

尽管矿工同意参与区块的创建，但p _i 并不总是可靠的，考虑恶意矿工可能以提议者的角色提供假块，或者以验证者的角色提供错误的投票；

双参数（f _i ，h _i ）分别表示M _i 提供的假块和诚实块的数目；如果验证者验证M _i 提供的块为假块，则f _i 将增加1，如果是诚实块，hi将增加1，同样，双参数(w _i , c _i )分别表示M _i 提供的错误和正确投票数，如果M _i 的验证投票与多数投票不同，w _i 将增加1，如果M _i 的验证投票与多数投票相同，则c _i 增加1， p _i =h _i +c _i +f _i +w _i ；

考虑到四个对偶参数（f _i ，h _i ，w _i ，c _i ），M _i 的奖惩因子可以评估为：

(2)

利用RP _i 对活动因子的权重，M _i 的贡献度可以评估为：

(3)；

步骤3，采取三种惩罚策略，抑制自私的矿工

P1:当C _i <C ₀ 时，M _i 不能访问区块；

P2:当A _i <C ₀ 时，M _i 不能访问区块；

P3:当RP _i <C ₀ 时，M _i 不能访问区块，矿工团队将M _i 排除在外。

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