CN111131209A - 一种改进的高效共识方法、系统、计算机设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及区块链共识方法，具体涉及一种改进的高效共识方法、系统、计算机设备及存储介质；所述方法包括通过选举的方式选择出代理节点，开始轮询周期，代理节点负责将区块链网络上的交易信息打包生成系统区块；代理节点对产生的系统区块进行验证，若验证不通过，则剔除负责产生该系统区块的代理节点；若验证通过，当前代理节点则领取奖励，并继续产生系统区块，直至当前轮询周期结束；判断是否需要重新选择代理节点，若需要则重新通过选举的方式选择出代理节点，否则进行下一周期的轮询。本发明引入了选举方案，采用信用评价机制；能够降低区块链分叉的风险，以便达到安全高效进行数据共享的目的。

Description

一种改进的高效共识方法、系统、计算机设备及存储介质

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及区块链共识方法，具体涉及一种改进的高效共识方法、系统、计算机设备及存储介质。

背景技术

区块链技术是一种有效解决多方协作信任问题的技术，它有别于传统的技术，采用了分布式记账的方式存储数据，具有去中必化、去信任、不可篡改、集体维护、可靠数据库的特点。区块链中共识机制是最关键的技术之一，高效的共识机制是区块链技术解决如何在一个缺乏信任、完全自由开放的网络中达成共识的问题的核心要素。为了让区块链能适用于更广泛的领域，PoW(工作量证明)，PoS(基于权益证明)和DPoS(基于授权股权证明)等多种适用于不同应用的共识机制被提出。这些共识机制都能在一定程度上满足区块链数据一致性，在算力消耗、安全性和共识效率等问题各有侧重点。PoW(Proof of Work，工作量证明)共识机制被诸多早期的虚拟货币使用，如比特币、以太坊等。参与PoW的节点通过哈希运算进行算力竞争来争取区块记账权，从而保证系统去中心化可信任的运行，有效地维护了共识秩序，但是本身这个数学问题是无意义的，又有大量节点参与竞争，巨大的算力浪费成为了核心问题。为了解决PoW共识时间长、区块生成速度慢的问题，PoS(Proof of Stake，基于权益证明)的共识机制被提出，该机制以所持股权份额决定挖矿难度，一定程度上减少资源浪费，提高了区块生成速度，然而PoS依然浪费大量算力进行挖矿，仍旧造成大量的资源浪费。

DPoS(Delegated Proof of Stake，基于授权股权证明)旨在解决PoW挖矿浪费算力的问题，该机制废弃了挖矿，采用根据持币多少选举代表。通过由部分代理节点代表所有节点执行进行共识，提高区块生成效率。但是DPoS没有脱离币的束缚，对参与者积极性不易调动、对恶意节点及时处理能力较弱、容易出现币分配不均的等问题，影响了系统的安全性。PoW,PoS和DPoS一般面向公有链进行应用，能在一定程度上保证区块链的可信性，但是都不能同时解决吞吐量、延迟、区块大小等问题，尤其是数据安全对算力依赖性强，很难广泛适用于联盟链应用中。为了让共识机制在联盟链中有好的应用，Ripple Lab基于拜占庭将军问题提出了RPCA(Ripple Protocol Consensus Algorithm)共识机制，提供了一套脱离挖矿机制的共识方法，大力推动联盟链的发展。RPCA提出之后，人们发现联盟链可以使用传统的分布式一致性算法来进行共识，拜占庭容错算法(BFT)就被广泛的应用。拜占庭容错算法(BFT)是分布式系统的经典一致性算法，它更能满足联盟链中业务的需求，其中实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance PBFT)成为联盟区块链中最受关注的公式机制之一。

PBFT由麻省理工的Miguel Castro在1999年提出，是解决存在拜占庭错误节点的分布式系统一致性问题的通用方案。PBFT能大幅提升联盟区块链的共识性能，然而，在节点数为N的网络中，该算法有一致性协议和检查点协议需要进行复杂度为o(n²)的网络信息传输，网络开销也会大幅度增加。由于通信复杂度的原因，PBFT协议在超过一定数量时性能会显著下降，PBFT算法的区块链的系统性能在较大节点数量的联盟链中并不理想。

发明内容

为克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明在联盟区块链常用的共识机制PBFT的基础上，引入了选举方案，采用信用评价机制，设计了一种改进的高效共识机制。本发明的技术方案如下：

本发明的一种改进的高效共识方法，所述方法包括：

通过选举的方式选择出代理节点，开始轮询周期，代理节点负责将区块链网络上的交易信息打包生成系统区块；代理节点对产生的系统区块进行验证，若验证不通过，则剔除负责产生该系统区块的当值代理节点；若验证通过，当前代理节点则领取奖励，并继续产生系统区块，直至当前轮询周期结束；判断是否需要重新选择代理节点，若需要则重新通过选举的方式选择出代理节点，否则进行下一周期的轮询。

基于与本发明的同一构思，本发明还提出了一种改进的高效共识系统，所述系统包括：

选举模块，通过选举的方式选择出代理节点；

打包模块，将交易信息打包生成系统区块；

验证模块，用于验证系统区块，剔除验证不通过的代理节点，验证通过的代理节点则领取验证通过时的奖励；

轮询模块，用于调整轮询周期触发所述打包模块或触发所述选举模块。

进一步的，本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行程序时实现本发明所提出的一种改进的高效共识方法。

进一步的，本发明的一种计算机可读介质设备，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明所提出的一种改进的高效共识方法。

本发明的有益效果：

本发明利用PBFT改变区块的验证和持久化过程；通过全节点投票的方式完成对区块的验证，本发明不再采用单一的签名验证；当新区块产生时，节点经过类似于PBFT的验证流程来获取投票，当票数超过一定数量后，才进行最后的区块执行阶段。通过本方案，可降低一般的投票算法中代理节点的权力，降低区块链分叉的风险，以便达到安全高效进行数据共享的目的。

附图说明

图1是本发明实施例中选择代理节点的流程图；

图2是本发明实施例中代理节点打包生成系统区块的流程图；

图3是本发明代理节点对产生的系统区块进行验证的流程图；

图4是本发明实施例中一种改进的高效共识方法的整体流程图；

图5是本发明中存在恶意节点时的共识流程图；

图6是本发明实施例提供的一种改进的高效共识系统框图；

图7是本发明实施例提供的选举模块框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明实施例中所称的节点，可以理解为响应外界特定触发条件，并按一定规则做状态转换的抽象机器，可以是手机、平板电脑、掌上电脑、个人PC电脑、服务器等等可以安装应用软件且能够联网的设备。

如图1所示，在一个实施例中，本发明中通过选举的方式选择出代理节点可以包括：

S11：将区块链网络中的区块节点按照所持有股份比例进行投票；

S12：判断已投票节点的股份占比是否已经超过第一阈值，若没有到达第一阈值则返回步骤S11重新进行投票；

第一阈值的设定是为了保证后面的选举过程能够照顾到大部分节点的利益。

第一阈值可以通过如下方式设定：第一阈值可以是至少为全网股份的50％，即当前已投票的节点的股份占比是否已经超过全网股份的50％，若超过，则返回步骤S11重新进行投票，直至投票的节点的股份占比超过50％；能够保证当前投票的股份额过半，按照少数服从多数的原则，从而达成共识；当然，第一阈值的选择还可以为55％、52％等。

S13：统计投票结果，排序筛选出可能的候选节点，并选出票数超过当选节点第二阈值的节点集；其中第二阈值是成为代理节点所需的最低得票数；

第二阈值的设定是为了防止某次选举结果分布不均匀造成可信度较低的节点当选为代理节点。

第二阈值可以通过如下方式设定：

假定区块链网络中的总的区块节点数为m个，那么第二阈值可以设置为2/3*m+1，也即是只要超过三分之二的区块节点对某一区块节点投票，那么该区块节点就有机会成为代理节点。

S14：判断节点集的大小是否超过系统规定的代理节点个数n；若超过则按照得票顺序选择前n个候选节点成为最终的代理节点；否则返回步骤S11重新进行投票。

如图2所示，在一个实施例中，代理节点负责将区块链网络上的交易信息打包生成系统区块可以包括：

S21：代理节点监听区块链网络上的交易信息，并对接收到的交易信息进行预验证；如果预验证通过的话，则存储到本地缓存等待打包；

S22：判断在当前的时间段是否由本代理节点负责生成区块节点；若由本代理节点负责生成区块节点则进入步骤S23，否则进入步骤S24；

S23：将本地缓存的交易信息打包，根据Merkel树生成区块摘要，广播通知其它代理节点进行区块的验证阶段；若生成区块，则进入步骤S24，否则进入步骤S25；

S24：对收到的区块信息进行验证，若验证不通过则进入步骤S25，否则进入步骤S26；

S25：判断是否剔除负责生成区块的当值代理节点，剔除该代理节点后，则重新进行选举；

S26：当值代理节点对验证后的区块信息进行打包，并领取奖励；判断当前代理节点是否还需要继续打包区块。能够在网络时延比较大的情况下保证系统的共识性能。

其中，所述步骤S21的预验证过程包括：

代理节点从交易请求信息中获取交易双方的地址，将获取的地址与区块链网络中的有效地址进行匹配，判断交易节点的合法性，若合法，则预验证通过，并存储到本地缓存等待打包，否则拒绝对该交易请求信息进行处理。

在一个实施例中，步骤S22中判断在当前的时间段是否由本代理节点负责生成区块节点。

具体的，该代理节点寻找负责打包区块的代理节点，该代理节点的序号为i＝hmod n；其中h为待打包节点的高度，n表示选择出的代理节点个数。

在一个实施例中，步骤S23也可以根据其他方式生成区块摘要；将交易信息打包后以及生成区块摘要后，需要通知其他代理节点即将进行区块的验证。

在一个实施例中，步骤S24中验证的信息包括请求来源是否有效(请求节点在BP集合中，且为当值节点)、区块中交易是否均有效、区块摘要是否合适、是否有超过第三阈值个代理节点同意该区块等；优选的，第三阈值一般为足够多的代理节点，具体可以为超过区块链网络中总的区块节点数的四分之三等。

在另一个实施例中，如图3所示，所述代理节点对产生的系统区块进行验证的过程包括：

S241：当值的代理节点负责打包区块，并将该区块广播到所有代理节点；

S242：其他代理节点接收到当值代理节点发送的区块后进行校验，如果通过则广播发送prepare<h,d,s>消息，其中h为区块高度，d为区块摘要，s为本代理节点签名；

S243：代理节点收到prepare消息后，对消息进行验证，若通过，代理节点则开始在内存中累加消息数量；设f为系统的容错能力，当收到超过f不同代理节点prepare消息后，该代理节点会广播一个commit<h,d,s>消息；

S244：每个节点收到超过2f+1个不同节点的commit消息后，就认定当前节点已达成共识，将其加载到区块链数据库中；

S245：每个代理节点在收到第一个高度为h的区块时启动一个定时器，当定时器到期后，若未达成一致，则放弃本次共识，认为当值节点的区块生成失败。

在一个实施例中，步骤S25判断是否剔除当前负责生成区块的当值代理节点，剔除该代理节点后，则重新进行选举包括若某代理节点没有尽到职责，则对其进行惩罚，一般的惩罚主要是删除该代理节点。

在一个优选实施例中，在删除该代理节点的同时，可以在下一轮选举的计算过程中，将该代理节点的所持有股份比例降低。

在一个实施例中，关于轮询周期，需要判定当前轮询是否结束，从而判断是否应该发起新的投票流程的判断；避免某个节点、某组节点一直负责打包区块的情况发生。

在一个完整的实施例中，如图4所示，在程序的开始过程，从拥有股份的普通区块节点进行投票，判断其总票数是否超过第一阈值tm，若超过第一阈值，则对筛选节点排序，并选出票数超过第二阈值的节点集；判断该节点集中节点的个数是否小于系统所规定的代理节点个数n，若未超过，则继续更新该节点集，若超过则打乱该节点集中各个节点的顺序，按照新的轮询周期，利用节点集中代理节点生成区块，判断当前区块是否成功生成，若未生成，则删除该区块，继续更新节点集，否则让其他代理节点采用PBFT方式验证，若验证成功，该代理节点获取奖励，并确认是否继续打包区块；若该代理节点不再打包区块，则判定轮询周期是否结束，若未结束，则下一代理节点继续打包区块；若结束，则需要判定是否需要重新选择代理节点，若不需要，则开启新的轮询周期，否则重新选举代理节点。

另外，当代理节点中间出现恶意节点后，可通过本发明的共识方法将其发现，恶意节点主要包含三种情况：仅有当值节点为恶意节点，恶意节点均是非当值节点，不止一个恶意节点且当值节点为恶意节点。恶意节点发现的具体过程为：当恶意节点存在时，本发明所基于的网络具有纠错能力，当值节点为恶意节点时算法的共识流程如图5所示：

情况1：仅有当值节点为恶意节点时，假设网络中有4个代理节点，其中A节点为恶意节点，由于4>3*1，网络具有纠错能力。假设A节点进行分叉攻击，分别生成数据为a和b的数据包分别发向其它代理节点。其它节点经过判断后发现数据为a的个数大于数据为b的个数。所以正确节点会采纳数据为a的区块作为最后commit消息。通过commit广播后，所有节点都会采纳数据为a的区块，A节点的分叉攻击失败；

情况2：恶意节点均在是非当值节点时，假设4个节点中有一个为恶意节点，满足系统的容错能力。由于每个代理节点的私钥自己保存，恶意节点无法仿造其它节点生成区块，所以对于非当值的恶意节点来说，当其收到其它代理节点生成的区块后唯一能做的就是不对其进行处理，以混淆网络的共识状态。在这种情况下，网络的共识结果也不会收到影响。

情况3：不止一个恶意节点且当值节点为恶意节点时，其本质在prepare阶段均起到一样的效果，并不会影响最终的共识。当然，上述情况均没有考虑网络中存在延迟或者存在代理节点失效的情况。

在一个实施例中，本实施例提供一种改进的高效共识系统，如图6所示，所述系统包括：

选举模块，通过选举的方式选择出代理节点；

打包模块，将交易信息打包生成系统区块；

验证模块，用于验证系统区块，剔除验证不通过的代理节点，验证通过的代理节点则领取验证通过时的奖励；

轮询模块，用于调整轮询周期触发所述打包模块或触发所述选举模块。

在一个实施例中，如图7所示，所述选举模块包括投票单元、有效性裁决单元、重启单元、统计单元以及选择单元；

所述投票单元用于支持各个区块节点进行投票；

所述有效性裁决单元用于裁定选举中区块节点的有效性以及代理节点个数的有效性；

所述重启单元用于根据有效性裁决单元的无效性裁决，重启投票单元；

所述统计单元用于统计各个节点的投票结果；

所述选择单元用于根据有效性裁决单元的有效性裁决从投票结果中选择出代理节点。

在一个实施例中，所述验证模块包括广播单元、接收单元、校验单元、计数器以及数据传输单元；

所述广播单元用于将被打包的区块通过广播的方式发送至其余节点以及将校验结果通过广播的方式发送至该代理节点；

所述接收单元用于接收当值代理节点发送的区块；

所述校验单元用于对接收到的区块进行校验，并获取校验结果；

所述计数器用于累计代理节点所收到的广播信息；

所述数据传输单元用于将达成共识的区块传输到区块链数据库中。

在一个优选实施例中，所述验证模块还包括定时器，用于判定在一个定时周期内，区块是否成功生成。

另外，在一个实施例中，本发明提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行程序时实现本发明一种改进的高效共识方法。

一种计算机可读介质设备，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明提供的一种改进的高效共识方法。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改进的高效共识方法，其特征在于，所述方法包括：

通过选举的方式选择出代理节点，开始轮询周期，代理节点负责将区块链网络上的交易信息打包生成系统区块；代理节点对产生的系统区块进行验证，若验证不通过，则剔除负责产生该系统区块的代理节点；若验证通过，当前代理节点则领取奖励，并继续产生系统区块，直至当前轮询周期结束；判断是否需要重新选择代理节点，若需要则重新通过选举的方式选择出代理节点，否则进行下一周期的轮询。

2.根据权利要求1所述的一种改进的高效共识方法，其特征在于，所述通过选举的方式选择出代理节点包括：

S11：将区块链网络中的区块节点按照所持有股份比例进行投票；

S12：判断已投票节点的股份占比是否已经超过第一阈值，若没有到达第一阈值则返回步骤S11重新进行投票；

S13：统计投票结果，排序筛选出可能的候选节点，并选出票数超过当选节点第二阈值的节点集；其中第二阈值是成为代理节点所需的最低得票数；

S14：判断节点集的大小是否超过系统规定的代理节点个数n；若超过则按照得票顺序选择前n个候选节点成为最终的代理节点；否则返回步骤S11重新进行投票。

3.根据权利要求1所述的一种改进的高效共识方法，其特征在于，所述代理节点负责打包生成系统区块包括：

S21：代理节点监听区块链网络上的交易信息，并对接收到的交易信息进行预验证；如果预验证通过的话，则存储到本地缓存等待打包；

S22：判断在当前的时间段是否由本代理节点负责生成区块节点；若由本代理节点负责生成区块节点则进入步骤S23，否则进入步骤S24；

S23：将本地缓存的交易信息打包，根据Merkel树生成区块摘要，广播通知其它代理节点进行区块的验证阶段；若生成区块，则进入步骤S24，否则进入步骤S25；

S24：对收到的区块信息进行验证，若验证不通过则进入步骤S25，否则进入步骤S26；

S25：判断是否剔除负责生成区块的当值代理节点，剔除该代理节点后，则重新进行选举；

S26：当值代理节点对验证后的区块信息进行打包，并领取奖励；判断当前代理节点是否还需要继续打包区块。

4.根据权利要求3所述的一种改进的高效共识方法，其特征在于，所述步骤S22的判断方式包括寻找负责打包区块的代理节点，该代理节点的序号为i＝h mod n，其中h为待打包节点的高度，n表示选择出的代理节点个数；i表示节点集中的排序。

5.根据权利要求3所述的一种改进的高效共识方法，其特征在于，所述步骤S24中验证的信息包括请求来源是否有效，即请求验证的节点是否在BP集合中，且为当值节点、区块中交易是否有效、区块摘要是否合适、是否有超过第三阈值个代理节点同意该区块，其中，该第三阈值至少为系统的容错能力的两倍。

6.根据权利要求1或3或5所述的一种改进的高效共识方法，其特征在于，所述代理节点对产生的系统区块进行验证的过程包括：

S241：当值的代理节点负责打包区块，并将该区块广播到所有代理节点；

S242：其他代理节点接收到当值代理节点发送的区块后进行校验，如果通过则广播发送prepare<h,d,s>消息，其中h为区块高度，d为区块摘要，s为本代理节点签名；

S243：代理节点收到prepare消息后，对消息进行验证，若通过，代理节点则开始在内存中累加消息数量；设f为系统的容错能力，当收到超过f不同代理节点prepare消息后，该代理节点会广播一个commit<h,d,s>消息；

S244：每个节点收到超过2f+1个不同节点的commit消息后，就认定当前节点已达成共识，将其加载到区块链数据库中；

S245：每个代理节点在收到第一个高度为h的区块时启动一个定时器，当定时器到期后，若未达成一致，则放弃本次共识，认为当值节点的区块生成失败。

7.一种改进的高效共识系统，其特征在于，所述系统包括：

选举模块，通过选举的方式选择出代理节点；

打包模块，将交易信息打包生成系统区块；

验证模块，用于验证系统区块，剔除验证不通过的代理节点，验证通过的代理节点则领取验证通过时的奖励；

轮询模块，用于调整轮询周期触发所述打包模块或触发所述选举模块。

8.根据权利要求7所述的一种改进的高效共识系统，其特征在于，所述选举模块包括投票单元、有效性裁决单元、重启单元、统计单元以及选择单元；

所述投票单元用于支持各个区块节点进行投票；

所述有效性裁决单元用于裁定选举中区块节点的有效性以及代理节点个数的有效性；

所述重启单元用于根据有效性裁决单元的无效性裁决，重启投票单元；

所述统计单元用于统计各个区块节点的投票结果；

所述选择单元用于根据有效性裁决单元的有效性裁决从投票结果中选择出代理节点。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行程序时实现如权利要求1～6任一所述的方法。

10.一种计算机可读介质设备，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～6任一所述的方法。

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