CN111371877A

CN111371877A - 一种异构联盟链的共识方法

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Publication number: CN111371877A
Application number: CN202010128491.3A
Authority: CN
Inventors: 黄冬艳; 任英琦; 王波; 付中卫; 冯彤; 陈斌; 李浪; 肖培剑
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2040-02-28
Also published as: CN111371877B

Abstract

本发明公开一种异构联盟链的共识方法，在PBFT算法的基础上，结合RAFT算法，并使用了分层的结构，不仅有效降低节点之间数据传输的通信开销，使其更适合应用于设备数量大，通信复杂的工业物联网中；而且能够使区块链中参与共识的节点数量得到扩展，增加了可扩展性；此外，增加监督机制和重启机制，从而增加了容错率，保持了安全性，以满足医疗领域下的信息交互需求。

Description

一种异构联盟链的共识方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种异构联盟链的共识方法。

背景技术

如何保障医疗数据的安全性和隐私性是医疗行业的核心问题。医疗数据的储存与分享涉及政府、研究院、制药厂和保险公司等多个行业，其信息交互愈发体现异构性、复杂性、保密性。传统保密接入技术无法满足其信息交互平台安全、花销小、可扩展性好的需要。

区块链因其去中心化、无法篡改、低成本和能进行多签名复杂权限的管理能力，成为了医疗数据存储与分享的最佳方案，但是并非所有的区块链方案都适合应用于医疗领域。公有链(例如POW)允许任意成员加入，但是其通过某概念证明的方式，往往需要在资源上有很大的消耗。私有链(例如RAFT)只允许认证的成员加入，但是其共识方式过于集中，不够安全。联盟链(例如PBFT)只允许认证的成员加入，但是权限设计要求更复杂，算法可扩展性不强。

发明内容

本发明主要解决现有区块链技术在医疗领域中，存储数据私密性要求高、数据分享时开销大和可扩展性要求高等问题，提供一种异构联盟链的共识方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种异构联盟链的共识方法，具体包括步骤如下：

步骤1、根据初始网络环境中的节点数量进行初始分组，其每个分组的成员包括A个普通节点和V个监督节点；每个监督节点同时处于两个不同的分组，且一个分组的监督节点所在分组各不相同；

步骤2、初始分组完成后，先随机选出每个分组的领导者；所有选出的领导者构成委员会的成员；

步骤3、客户向随机向网络其中一个节点发送请求消息，此时该节点所在分组中的领导者即为主节点，并进入委员会共识；

步骤4、主节点向委员会的所有成员广播预准备消息，当委员会成员收到预准备消息后，则该成员向委员会的其他成员广播准备消息；

步骤5、当委员会中的某一个成员收到的准备消息的数目大于等于2f后，则该成员向委员会的其他成员广播提交消息；

步骤6、当委员会内的任意一个成员收到的提交消息的数目大于等于2f个时，则委员会共识完成，并进入组内共识；

步骤7、领导者将日志消息同步到其所在分组内的其他成员；

步骤8、当分组内的其他成员收到领导者的日志消息后，则向领导者返回第一回复消息；

步骤9、当监督节点收到2个领导者发送的日志消息后，则对这2个日志消息进行比较：若2个日志消息一致，则不进行操作；若2个日志消息不一致，则监督节点发送报警消息；

步骤10、当领导者收到的第一回复消息的数目大于(A+V)/2时，则向分组内的其他成员广播提交消息；

步骤11、当分组内的其他成员收到领导者的提交消息后，则将日志消息写入自己的状态机中，并向领导者返回第二回复消息；

步骤12、当领导者收到的第二回复消息的数目大于(A+V)/2时，则组内共识完成；

其中f为设定的容错节点个数。

上述方案中，每个分组的监督节点的个数为2f个，其中f为设定的容错节点个数。

上述步骤1中，每个分组的监督节点通过抽签随机从分组成员中选取。

上述方案中，当在分组中的领导者宕机时，分组内的成员就开始计时；竞选时钟率先耗尽的成员向分组中的其他成员发送投票请求，并将自己的状态变更为候选者，如果超过半数的成员跟随者投了票，则候选者自动变成领导者，开始在分组内广播该日志。

上述方法还进一步包括如下步骤：

步骤13、根据看门狗时钟的设定，周期性地重启。

与现有技术相比，本发明在PBFT算法的基础上，结合RAFT算法，并使用了分层的结构，不仅有效降低节点之间数据传输的通信开销，使其更适合应用于设备数量大，通信复杂的工业物联网中；而且能够使区块链中参与共识的节点数量得到扩展，增加了可扩展性；此外，增加监督机制和重启机制，从而增加了容错率，保持了安全性，以满足医疗领域下的信息交互需求。

附图说明

图1为一种异构联盟链的共识方法的流程图；

图2为本共识算法与经典PBFT算法的通信开销对比图；

图3为本共识算法最大容恶意错误节点数与同等节点数量的PBFT的容错率对比图；

图4为本共识算法最小容恶意错误节点数与同等节点数量的PBFT的容错率对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。

一种异构联盟链的共识方法，如图1所示，其具体步骤描述如下：

(1)分组：

步骤1、根据初始网络环境中的节点数量进行初始分组，其每个分组的成员包括A个普通节点和V个监督节点。

算法根据初始网络环境中的节点数量，进行分组，分组的初始划分是参考OmniLedger的抗偏性分布式随机数进行分片。一个分组的分组成员中有A+V个成员。事实上，由于每个监督节点同时处于两个不同的分组，且一个分组的监督节点所在分组各不相同，因此每个分组实际成员数为M＝A+V/2，整个网络的实际成员总数就为N＝(3f+1)×M+3f+1。其中f为PBFT(PracticalByzantineFaultTolerance，实用拜占庭容错算法)容错节点。

由于监督节点监督两个领导者，因此不能被领导者事先知道身份，以防止恶意的领导者发送不同的信息给不同的监督节点。为此，本发明采用可验证的随机函数进行抽签随机选取。根据抽签结果落入哪个区间进行判定是否成为监督节点，以及监督自己组之外的哪一个组。由于抽签结果满足二项分布，因此在理想条件下，每个监督节点监督的分组不同。监督节点所监督的分组一旦确定，不可更换，若在一个重启周期内，一个监督节点向多个不同分组领导者发送告警消息，则会被认为是恶意监督节点。其中f为设定的容错节点个数。

(2)领导者选举：

步骤2、初始分组完成后，先随机选出每个分组的领导者。所有选出的领导者构成委员会的成员。

在异构联盟链中，所有领导者的集合我们称为委员会。委员会采用PBFT共识，节点数量实际应该满足的条件为N≥3f+1，本文为了描述及分析简便，设定委员会内成员的个数是3f+1。领导者的初始选取是根据一个可信的随机信标提供的随机值选出。在分组中，一旦领导者宕机，分组成员与监督节点就开始计时。竞选时钟率先耗尽的节点向分组中的其他节点发送投票请求，并将自己的状态变更为候选者。如果超过半数的跟随者投了票，则候选者自动变成领导者，开始在分组内多播日志。

为了去除异构共识的耦合性，委员会PBFT共识与组内RAFT共识互补干扰。即委员会节点进行PBFT共识阶段不与组内成员数据通信，只保留RAFT基本heartbeat通信，待PBFT共识完成后，节点将收到的Commit数据信息通过Raft共识同步到组内其他节点中去。

(3)主节点选举：

步骤3、客户向随机向网络其中一个节点发送请求消息，此时该节点所在分组中的领导者即为主节点，并进入委员会共识。

在委员会中，领导者节点根据当前主节点操作状态判断其是否宕机，若宕机则发动视图变更。委员会里的其他领导者收到视图变更消息，并确认消息来源的安全性，便进行应答。领导者节点成为新的主节点，开始广播日志。

(4)委员会共识：

步骤4、主节点向委员会的所有成员广播预准备消息，当委员会成员收到预准备消息后，则该成员向委员会的其他成员广播准备消息。

步骤5、针对委员会的某一个成员，当委员会中的某一个成员收到的准备消息的数目大于等于2f后，则该成员向委员会的其他成员广播提交消息。

步骤6、针对委员会的所有成员，当委员会内的任意一个成员收到的提交消息的数目大于等于2f个时，则委员会共识完成，并进入组内共识。

(5)组内共识

组内共识时，对于每个分组，分别执行以下步骤：

步骤7、领导者将日志消息同步到其所在分组内的其他成员。

步骤8、当分组内的其他成员收到领导者的日志消息后，则向领导者返回第一回复消息。

步骤9、进行监督。当监督节点收到2个领导者发送的日志消息后，则对这2个日志消息进行比较：若2个日志消息一致，则不进行操作。若2个日志消息不一致，则监督节点发送报警消息。该报警消息根据需要，可以向用户、2个领导者或系统后台单独给出，只要能给出警告，然后系统能知晓并针对警告做出处理即可。

由于恶意领导者不知道监督节点的身份，会将其看作普通节点对待，所以监督者会收到两个不同的领导者的共识消息，如果出现不一致，即一个是正确的一个是错误的(暂时考虑恶意势力只有一股的情况)，但监督节点不知道哪个是正确的，于是监督节点就对两个领导者都发送警告。这样必然有一个诚实的领导者会收到警告。那么在恶意节点相互串联的情况下，可以有效保证系统的安全性最佳的监督节点数为V＝2f个。

步骤10、当领导者收到的第一回复消息的数目大于(A+V)/2时，则向分组内的其他成员广播提交消息。

步骤11、当分组内的其他成员收到领导者的提交消息后，则将日志消息写入自己的状态机中，并向领导者返回第二回复消息。

步骤12、当领导者收到的第二回复消息的数目大于(A+V)/2时，则组内共识完成。

(6)定时重启

步骤13、系统根据看门狗时钟的设定，周期性地重启。

为了防止一个分组的恶意监督节点给不同的f+1个领导者发送警告，而使得这个分组的诚实领导者被恶意删除后，这个分组的恶意监督节点又冒充另一个分组的监督节点删除另一个诚实领导者。为此，收到告警消息的领导者就会把这个消息放在它的监督者数据集中。但是，这样就会引起一个问题，即监督者的身份暴露，恶意领导者发送虚假信息时会刻意绕过这些监督节点。但是由于重启机制的存在，这些数据会定时被清理。而且我们默认重启后的监督节点为诚实状态，因此不必再防止恶意监督节点窜通作恶。重启后的领导者也为诚实状态，因此不会故意记下监督节点，进行欺骗。

系统每重启一次，加入等待的新增节点，节点加入系统时都默认为普通节点。之后加入的节点需要到主节点处登记，未收到主节点的命令时处于待机状态，只接收消息而不参与共识。当系统每重启时，再根据节点情况进行分组的调整与节点身份的确认。领导者和监督者必须在重启阶段才能退出。在下个重启周期到来之前，若网络中的待机节点数达到A＝1.5f，V＝2f的要求，则开始选举出一个领导者，整个分组加入共识。若在下个重启周期到来之前网络中待机节点数未达到要求，则将新增待机节点以普通节点的身份依次补充到各个分组中去。节点加入时，最大可凑齐A＝2f才可开始共识；退出时则只要不到A＝f即可。

本发明的性能分析：

(1)通信开销

图2为同等节点数量的PBFT算法与本算法的通信开销对比图。由图2可见，本算法与同等节点数量的PBFT算法对比，开销要更小，更适合应用于设备数量大，通信复杂的工业物联网中。我们假设消息内容m为256bits，消息摘要d为128bits。然后我们假设回复消息r为80bits，心跳包单向大小为64bits。

(2)容错率

假设一个分组恰好不能进行RAFT共识时，除了相互属于的特殊监督节点还需要的恶意节点数量为z＝x-f。此时假设分组中的监督成员节点遭到恶意攻击，且其中f个监督节点所在分组相互属于彼此的分组。由于一个分组中的监督节点所监督的分组必须各不相同，因此在考虑最小错误容忍时，错误监督节点的作用就与错误普通节点作用一样。若错误节点不够分组51％的，则由监督节点或普通节点进行补全。由于一个分组中只要超过51％的节点变成恶意节点，整个分组便会沦陷，因此最大容忍错误节点数为：

发生这种情况的概率为：

与同等节点数量的PBFT的容错率对比见参照附图3。

假设一个分组恰好不能进行RAFT共识时，恶意的节点数量为x＝51％(A+V)。一个分组恰好可以维持RAFT共识时y＝49％(A+V)。

此时假设分组中的普通成员节点全部遭到恶意攻击，由于一个分组中只要超过51％的节点变成恶意节点，整个分组便会沦陷，因此最小容忍错误节点数为：

E_raftmax＝f*x+(2f+1)*y

发生这种情况的概率为：

与同等节点数量的PBFT的容错率对比见参照附图4。

由图3和4可见，本算法与同等节点数量的PBFT算法对比，容错性明显提升。

(3)可扩展性

本算法与PBFT算法对比，更具有可扩展性。在实际应用中，由于算法本身的特点限制，单纯的使用PBFT共识算法是很难取得大规模应用的。而我们在PBFT算法的基础上，结合RAFT算法，并使用了分层的结构，增加了可扩展性。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其他实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims

1.一种异构联盟链的共识方法，其特征是，具体包括步骤如下：

步骤7、领导者将日志消息同步到其所在分组内的其他成员；

其中f为设定的容错节点个数。

2.根据权利要求1所述的一种异构联盟链的共识方法，其特征是，步骤1中，每个分组的监督节点的个数为2f个，其中f为设定的容错节点个数。

3.根据权利要求1或2所述的一种异构联盟链的共识方法，其特征是，步骤1中，步骤1中，每个分组的监督节点通过抽签随机从分组成员中选取。

4.根据权利要求1所述的一种异构联盟链的共识方法，其特征是，当在分组中的领导者宕机时，分组内的成员就开始计时；竞选时钟率先耗尽的成员向分组中的其他成员发送投票请求，并将自己的状态变更为候选者，如果超过半数的成员跟随者投了票，则候选者自动变成领导者，开始在分组内广播该日志。

5.根据权利要求1所述的一种异构联盟链的共识方法，其特征是，还进一步包括如下步骤：

步骤13、根据看门狗时钟的设定，周期性地重启。