CN111414420A - 一种改进的pbft区块链共识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于区块链领域，特别涉及一种改进的PBFT区块链共识方法，包括将所有节点分为共识集合和待定集合；对共识集合中的节点进行评分，并通过该评分选择主节点；根据选取的主节点开始视图的共识过程；当共识成功时，主节点历史评分+1，参与共识次数+1；从节点参与共识次数+1；当共识失败时，主节点历史评分‑3；若为从节点怀疑导致视图切换，则该从节点历史共识评分+1且参与共识次数+1；本发明在保证原有安全性的前提下简化共识过程去掉了一次全节点广播，减少了通信资源的消耗；在每次共识之后增加了一次对节点行为的评价，使得效率高的节点大概率被选为主节点，效率低以及作恶的节点更小概率被选为主节点甚至不能参与共识。

Description

一种改进的PBFT区块链共识方法
技术领域
本发明属于区块链领域，特别涉及一种改进的PBFT区块链共识方法。
背景技术
近年来，区块链以其防篡改、去中心化、可审计性、安全性和匿名性等显著特点引起了人们的极大关注，主要应用与金融、保险、物联网、公共服务、数字版权、公益等领域。其融合了p2p网络、密码学、分布式存储、智能合约、共识算法等技术。根据Satoshi Nakamoto在《Bitcoin:A Peer-to-Peer Electronic Cash System》一文中的描述，每条区块链都由若干个区块链接而成，每个区块都由一个块头和若干交易组成。块头中包含了前一个区块的哈希、随机数和梅根树根等。由于每个区块都包含前一个区块的哈希，所以想要成功修改某个区块中就必须修改这个区块以及在这个区块之后生成的所有区块，这大大的增加了攻击者攻击成本。作为区块链中非常重要的技术之一的共识算法在上述区块链的形成过程中起到了关键作用。它指定了生成区块的节点并保证每个节点所维护区块链的一致性且提供拜占庭容错。
相较于其他共识算法，PBFT消耗更少的计算资源、不依赖代币且考虑了拜占庭容错。区块链的许多应用场景如物联网使用的是联盟链，而PBFT算法是现有的联盟链所常用的共识算法。Kai Lei等人在《Reputation-based Byzantine Fault-Tolerance forConsortium Blockchain》一文中指出，一般的PBFT在共识过程中所有节点多次进行了广播消耗了大量的通信资源。节点无法动态的加入系统，当有新节点加入时系统需要重新初始化。且通过过于随意的方式选取了拥有打包区块权力的主节点，这样在恶意节点较多的情况下会造成频繁的视图更改影响共识效率的同时增加系统被攻击的风险。再者，对恶意节点破坏共识的行为原算法没有很好机制去抑制，使得恶意节点始终会频繁影响共识。Yanjun Jiang等人在《High Performance and Scalable Byzantine Fault Tolerance》一文中提出一种基于PBFT的HSBFT算法。该算法减少了通信复杂度并使网络可扩展，节点可自由加入网络。但是该算法没有使拥有打包区块权力的主节点可靠性增加，且没有对效率低或恶意节点做任何处理。
发明内容
为了保证主节点的可靠性，本发明提供一种改进的PBFT区块链共识方法，包括以下步骤：
将所有节点分为共识集合和待定集合；
对共识集合中的节点进行评分，并通过该评分选择主节点；
根据选取的主节点开始视图的共识过程；
当共识成功时，主节点历史评分+1，参与共识次数+1；从节点参与共识次数+1；
当共识失败时，主节点历史评分-3；若为从节点怀疑导致视图切换，则该从节点历史共识评分+1且参与共识次数+1。
进一步的，在进行第一次共识时，节点被随机分配到共识集合和待定集合；在之后的共识过程中，共识集合和待定集合中的节点按照节点的评分从高到低进行排序，当共识集合Ra中的节点的历史共识评分小于0时，将该节点将转移到待定集合Rb末尾中，同时将Rb集合的首节点转移到共识集合Ra中。
进一步的，从第二次共识开始，将所有节点分为共识集合和待定集合时，需要满足：
|Ra|＝3f+1；
|Rb|＝f；
其中，|Ra|表示共识集合Ra中节点的数量；|Rb|表示待定集合Rb中节点的数量；f表示参与共识的集合Ra中允许失效的最大节点数。
进一步的，对共识集合中的节点进行评分包括：
Figure BDA0002413966940000031
其中，Si表示节点i的总评分即评估结果；R表示所有节点组成的集合，|R|表示总节点数；di表示节点i的历史共识评分；ei表示节点剩余电量的百分比；ci和C分别表示节点成功参与共识的次数与总共识次数；k1、k2、k3分别表示相应的权重系数。
进一步的，通过节点的评分选择主节点包括通过节点的评分对节点进行排序，使得节点序号越小节点评分越大、排序越靠前，且排序越靠前的节点被选为主节点的概率越大，被选出的主节点序号表示为：
Figure BDA0002413966940000032
其中，p表示最终选出的主节点序号；unifrnd(0,|Ra|-1)表示在0到|Ra|-1之间产生一个随机数，|Ra|表示共识集合Ra中节点的数量；floor()表示对括号中的数进行向下取整。
进一步的，根据选取的主节点开始视图的共识过程包括：
主节点将交易打包成区块后生成预准备消息并向从节点广播；
从节点收到预准备消息后确认消息的正确性，若消息没有被篡改且消息中的区块和交易也没有被篡改，则向其他节点包括主节点和从节点广播准备消息；
若消息或消息中的区块和交易被篡改向客户端发送视图变更消息；
客户端收到不同节点发送的2f+1个相同的视图变更消息后重新进行共识；
若节点收到不同节点发送的2f+1个与预准备消息一样的准备消息后，向客户端回复执行成功消息；
此时，主节点将交易打包的区块加入到每个节点中。
本发明一方面在保证原有安全性的前提下简化共识过程去掉了一次全节点广播，减少了通信资源的消耗，另一方面在每次共识之后增加了一次对节点行为的评价，使得效率高的节点得到奖励可以大概率被选为主节点，效率低以及作恶的节点收到处罚且有更小的概率被选为主节点甚至不能参与共识；总而言之，本发明不仅极大地减少了视图切换次数，而且减少了共识所需要的时间和系统带宽的消耗。
附图说明
图1为本发明一种改进的PBFT区块链共识方法的节点历史共识评分小于0时节点位置变化图；
图2为本发明一种改进的PBFT区块链共识方法中节点被选为主节点的概率图；
图3为本发明一种改进的PBFT区块链共识方法的评分排序机制流程图；
图4为本发明一种改进的PBFT区块链共识方法与现有PBFT区块链共识方法在视图切换次数方面的对比图；
图5为本发明一种在时延方面的对比图；
图6为本发明一种改进的PBFT区块链共识方法与现有PBFT区块链共识方法在在带宽方面的对比图。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种改进的PBFT区块链共识方法与现有PBFT区块链共识方法，包括以下步骤：
将所有节点分为共识集合和待定集合；
对共识集合中的节点进行评分，并通过该评分选择主节点；
根据选取的主节点开始视图的共识过程；
当共识成功时，主节点历史评分+1，参与共识次数+1；从节点参与共识次数+1；
当共识失败时，主节点历史评分-3；若为从节点怀疑导致视图切换，则该从节点历史共识评分+1且参与共识次数+1。
在本实施例中，在进行第一次共识时，节点被随机分配到共识集合和待定集合；在之后的共识过程中，共识集合和待定集合中的节点按照节点的评分从高到低进行排序，当共识集合Ra中的节点的历史共识评分小于0时，将该节点将转移到待定集合Rb末尾，同时将Rb集合的首节点转移到共识集合Ra中；从第二次共识开始，将所有节点分为共识集合和待定集合时，需要满足：
|Ra|＝3f+1；
|Rb|＝f；
其中，|Ra|表示共识集合Ra中节点的数量；|Rb|表示待定集合Rb中节点的数量；f表示参与共识的集合Ra中允许失效的最大节点数。
在计算共识集合中各个节点的评分时，主要根据历史共识评分、节点剩余电量的百分比、节点成功参与共识的次数对节点评分进行打分，节点的评分表示为：
Figure BDA0002413966940000051
其中，Si表示节点i的总评分即评估结果；R表示所有节点组成的集合，|R|表示总节点数；di表示节点i的历史共识评分；ei表示节点剩余电量的百分比；ci和C分别表示节点成功参与共识的次数与总共识次数；k1、k2、k3分别表示历史共识评分、节点剩余电量的百分比、节点成功参与共识的次数对节点评分的权重。
对于历史共识评分、节点剩余电量的百分比、节点成功参与共识的次数对节点评分的权重选择，可以根据重复性试验中历史共识评分、节点剩余电量的百分比、节点成功参与共识的次数对节点评分对主节点为恶意节点或者故障节点的影响进行取值。
本实施例给出一种可选的实施方案，本实施例取7种情况进行重复性试验，包括：k3＝0.2k1＝0.5、k2＝0.3、k3＝0.2；k1＝0.5、k2＝0.2、k3＝0.3；k1＝0.3、k2＝0.5、k3＝0.2；k1＝0.3、k2＝0.2、k3＝0.5；k1＝0.2、k2＝0.3、k3＝0.5；k1＝0.2、k2＝0.5、k3＝0.3；k1＝k2＝k3。实验中固定几个节点作为恶意节点和失效节点，恶意节点和实效节点的总数量为f，选出主节点为恶意节点和失效节点次数最少的一组权重，在本实施例中，当k1＝0.5、k2＝0.3、k3＝0.2时，选取的主节点为恶意节点和失效节点次数最少。
以下结合具体实例和附图对本发明实施方式作具体描述。
假设系统有10个节点，节点集为R:{A,B,C,D,E,F,G,H,I,J}，它们被分为两个集合Ra:{A,B,C,D,E,F,G,H}，Rb:{I,J}(集合中的顺序为总评分排序)。它们的历史共识评分依次为：12、9、10、8、6、7、10、-1、6、6。
节点H的历史共识评分小于0，如图1，应该从集合Ra转移到集合Rb，而集合Rb中应该将排在最前列的节点I转移到集合Ra。节点H的历史共识评分也将初始化为6。
根据总评分，假设共识集合Ra及其节点排序为{A,B,E,C,D,E,F,I,G}。
如图2所示，每个节点被选为主节点的概率满足：
PA＞PB＞PC＞PD＞PE＞PF＞PI＞PG
假设I被选为主节点，那么以I领导的视图开始进行共识。
如图3，共识结果以及各节点的行为将对其评分产生影响，这是对优质节点的奖励与恶意节点的惩罚措施。其具体步骤如下：
共识成功：节点I历史共识评分+1，参与共识次数+1；节点A、B、C、D、E、F、G参与共识共识次数+1。
共识失败：节点I历史共识评分-3；若是由于节点A成功怀疑主节点I作恶导致视图切换，则节点A历史共识评分+1，参与共识次数+1。
如图4所示，该实验图体现了改进前后算法进行的视图更改次数对比。横坐标表示进行共识的次数，纵坐标表示一共产生的视图切换次数。可以清楚的看出，随着共识次数的不断增多，原算法视图切换次数不断增加，而改进后的算法几乎不会进行视图切换。改进后算法所选取的主节点较原算法更加可靠，共识效率得到明显的提升。
接下来比较原算法和改进后算法的时延。如图5所示，计算了系统在不同节点下共识的时延，横坐标为参与共识的总节点数，纵坐标为共识时延。可以清楚的看出，共识时延随节点数增加而而增加。但改进后的算法相较于原算法，共识一次消耗的时间明显更短，提升了系统共识的效率。
最后来比较一下原算法和改进后算法带宽的消耗。如图6所示，计算了系统在不同节点数目下的带宽消耗，横坐标为参与共识的总节点数，纵坐标为消耗的带宽。可以清楚的看出，消耗的带宽随节点数增加而增加。但改进后的算法相较于原算法，消耗带宽逐渐越来越少，减少了通信资源的占用。
仿真结果可以看出，改进的PBFT区块链共识方法，减少了共识时延和消耗的带宽。、
与传统PBFT算法相比，本发明舍弃了原算法的Commit阶段，这样减少了一次对全节点的广播，从而减少了网络带宽的消耗。由于节点是在收到了来自不同节点的2f+1个与预准备消息一样的准备消息后向客户端回复请求，所以在最多存在f个失效节点的情况下任然能保证系统可靠性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种改进的PBFT区块链共识方法，其特征在于，具体包括一下步骤：
将所有节点分为共识集合和待定集合；
对共识集合中的节点进行评分，并通过该评分选择主节点；
根据选取的主节点开始视图的共识过程；
当共识成功时，主节点历史评分+1，参与共识次数+1；从节点参与共识次数+1；
当共识失败时，主节点历史评分-3；若为从节点怀疑导致视图切换，则该从节点历史共识评分+1且参与共识次数+1。
2.根据权利要求1所述的一种改进的PBFT区块链共识方法，其特征在于，在进行第一次共识时，节点被随机分配到共识集合和待定集合；在之后的共识过程中，共识集合和待定集合中的节点按照节点的评分从高到低进行排序，当共识集合Ra中的节点的历史共识评分小于0时，将该节点将转移到待定集合Rb末尾，同时将Rb集合的首节点转移到共识集合Ra中。
3.根据权利要求2所述的一种改进的PBFT区块链共识方法，其特征在于，从第二次共识开始，将所有节点分为共识集合和待定集合时，需要满足：
|Ra|＝3f+1；
|Rb|＝f；
其中，|Ra|表示共识集合Ra中节点的数量；|Rb|表示待定集合Rb中节点的数量；f表示参与共识的集合Ra中允许失效的最大节点数。
4.根据权利要求1所述的一种改进的PBFT区块链共识方法，其特征在于，对共识集合中的节点进行评分包括：
Figure FDA0002413966930000011
其中，Si表示节点i的总评分即评估结果；R表示所有节点组成的集合，|R|表示总节点数；di表示节点i的历史共识评分；ei表示节点剩余电量的百分比；ci和C分别表示节点成功参与共识的次数与总共识次数；k1、k2、k3分别表示历史共识评分、节点剩余电量的百分比、节点成功参与共识的次数对节点评分的权重。
5.根据权利要求4所述的一种改进的PBFT区块链共识方法，其特征在于，历史共识评分、节点剩余电量的百分比、节点成功参与共识的次数对节点评分的权重分别为k1＝0.5、k2＝0.3、k3＝0.2。
6.根据权利要求1所述的一种改进的PBFT区块链共识方法，其特征在于，通过节点的评分选择主节点包括通过节点的评分对节点进行排序，使得节点序号越小节点评分越大、排序越靠前，且排序越靠前的节点被选为主节点的概率越大，被选出的主节点序号表示为：
Figure FDA0002413966930000021
其中，p表示最终选出的主节点序号；unifrnd(0,|Ra|-1)表示在0到|Ra|-1之间产生一个随机数，|Ra|表示共识集合Ra中节点的数量；floor()表示对括号中的数进行向下取整。
7.根据权利要求1所述的一种改进的PBFT区块链共识方法，其特征在于，根据选取的主节点开始视图的共识过程包括：
主节点将交易打包成区块后生成预准备消息并向从节点广播；
从节点收到预准备消息后确认消息的正确性，若消息没有被篡改且消息中的区块和交易也没有被篡改，则向其他节点包括主节点和从节点广播准备消息；
若消息或消息中的区块和交易被篡改向客户端发送视图变更消息；
客户端收到不同节点发送的2f+1个相同的视图变更消息后重新进行共识；
若节点收到不同节点发送的2f+1个与预准备消息一样的准备消息后，向客户端回复执行成功消息；
此时，主节点将交易打包的区块加入到每个节点中；
其中，参与共识的集合Ra中允许失效的最大节点数。
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