CN111447071B - 一种分布式共识算法及分布式系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式共识算法及分布式系统，算法包括步骤：S1、确定网络中投票节点总共有多少，由每个节点维护一个投票委员会名单；S2、一部分有提案权的节点将提案发给所有投票节点；S3、投票节点比较各种提案，选出可以投票的提案，用自己的私钥签名后，发给提案节点；S4、提案节点自己统计出自己的得票率，广播给整个网络；S5、每个节点分别根据维护的投票节点数量，判断得票率，确定是否接受这个状态。本发明的分布式共识算法中，不需要很多点对点通讯，也不需要一个独立的第三方计票员，由节点自己给自己计票，投票过程简洁高效，可以避免像比特币一样经过漫长的等待才能最终确定交易，适用于各种需要达成分布式一致的场景。

Description

一种分布式共识算法及分布式系统

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，更具体地说，涉及一种分布式共识算法及分布式系统。

背景技术

在分布式系统中，多个主机通过异步通信方式组成网络集群。在这样的一个异步系统中，需要主机之间进行状态复制，以保证每个主机达成一致的状态共识。

所谓共识，简单理解就是指大家都达成一致的意思。分布式一致性问题，简单的说，就是在一个或多个进程提议了一个值应当是什么后，使系统中所有进程对这个值达成一致意见。这样的协定问题在分布式系统中很常用，比如：

1、领导者选举（leader election）：进程对leader达成一致；

2、互斥（mutual exclusion）：进程对进入临界区的进程达成一致；

3、原子广播（atomic broadcast）：进程对消息传递（delivery）顺序达成一致。

对于这些问题有一些特定的算法，但是，分布式一致性问题试图探讨这些问题的一个更一般的形式，如果能够解决分布式一致性问题，则以上的问题都可以解决。

然而，异步系统中，可能出现无法通信的故障主机，而主机的性能可能下降，网络可能拥塞，这些可能导致错误信息在系统内传播。因此需要在默认不可靠的异步网络中定义容错协议，以确保各主机达成安全可靠的状态共识。

如果在一个不出现故障的系统中，很容易解决分布式一致性问题。但是实际分布式系统一般是基于消息传递的异步分布式系统，进程可能会慢、被杀死或者重启，消息可能会延迟、丢失、重复、乱序等。

在一个可能发生上述异常的分布式系统中如何就某个值达成一致，形成一致的决议，保证不论发生以上任何异常，都不会破坏决议的一致性，这些正是一致性算法要解决的问题。

区块链架构是一种分布式的架构，其部署模式有公共链、联盟链、私有链三种，对应的是去中心化分布式系统、部分去中心化分布式系统和弱中心分布式系统。在区块链系统中，每个节点必须要做的事情就是让自己的账本跟其他节点的账本保持一致。

在区块链网络中，由于应用场景的不同，所设计的目标各异，不同的区块链系统采用了不同的共识算法。

目前区块链中几种常见的共识机制有：PBFT，Raft，PoW，PoS，DPoS，Ripple。一般来说，在私有链和联盟链情况下，对一致性、正确性有很强的要求，一般来说要采用强一致性的共识算法。而在公有链情况下，对一致性和正确性通常没法做到百分之百，通常采用最终一致性（Eventual Consistency）的共识算法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种分布式共识算法及分布式系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

构造一种分布式共识算法，应用于分布式网络，其中，包括以下步骤：

S1、确定网络中总共有多少个投票节点，每个投票节点维护一个投票委员会名单；

S2、一部分有提案权的节点A生成待投票的提案，并将提案发给其他所有投票节点B；

S3、投票节点B比较各种提案，选出可以投票的提案，用自己的私钥签名后，发给提案节点A；

S4、提案节点A自己统计出自己的得票率，将统计结果广播给整个网络；

S5、每个节点分别根据维护的投票节点数量，判断得票率，确定是否接受这个状态。

本发明所述的分布式共识算法，其中，所述步骤S3具体包括以下步骤：

网络中的投票节点B计算接收到的多个提案的优先级，找出优先级最高的提案；

投票节点B用自己的私钥对优先级最高的提案的哈希值签名，并将签名结果和自己的公钥一起发送给提案节点A。

本发明所述的分布式共识算法，其中，所述步骤S4中，提案节点A自己统计出自己的得票率，具体包括：

提案节点A计算对所述提案进行签名的投票节点B的数量，判断该数量是否达到预设的数值；

如果签名的投票节点B数量达到预设的数值，则投票完成。

本发明所述的分布式共识算法，其中，所述分布式网络为区块链网络；

所述步骤S1和S2中，节点通过竞选的方式获得投票权和提案权。

本发明所述的分布式共识算法，其中，所述竞选包括以下步骤：

节点对上一个区块的哈希值加上轮次信息，再用自己的私钥进行加密，并将加密结果取哈希值；

判断所得到的哈希值从任意位置开始的连续0或者1的个数是否满足设定的要求；

如果满足，则认为当前节点获得提案资格；

当前节点向网络中的其他节点发送中签广播。

本发明所述的分布式共识算法，其中，所述步骤S3中，所述投票节点B计算接收到的多个提案的优先级的方法是：

对所述提案取哈希值，所得哈希值的从任意位置开始的连续0或者1的个数越多，同时所述提案区块的轮次值更低，则优先级越高。

本发明还提供了一种分布式系统，包含多个节点，其中，采用如前面任一项所述的分布式共识算法。

本发明的有益效果在于：该算法不需要很多点对点通讯，也不需要一个独立的第三方计票员，由节点自己给自己计票，投票过程简洁高效，可以避免像比特币一样经过漫长的等待才能最终确定交易，非常适合推广应用于各种需要达成分布式一致的场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：

图1是本发明较佳实施例的分布式共识算法流程图一；

图2是本发明较佳实施例的分布式系统网络架构图；

图3是本发明较佳实施例的分布式共识算法流程图二；

图4是本发明较佳实施例的分布式共识算法流程图三。

实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有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。

在本发明的较佳实施例中，涉及一种分布式共识算法，应用于分布式网络，如图1所示，包括以下步骤：

S1、确定网络中总共有多少个投票节点，每个投票节点维护一个投票委员会名单；

S2、一部分有提案权的节点A生成待投票的提案，并将提案发给其他所有投票节点B；

S3、投票节点B比较各种提案，选出可以投票的提案，用自己的私钥签名后，发给提案节点A；

S4、提案节点A自己统计出自己的得票率，将统计结果广播给整个网络；

S5、每个节点分别根据维护的投票节点数量，判断得票率，确定是否接受这个状态。

上述网络可以是任何一种分布式网络系统，网络中的节点是其中的具有计算功能的各个终端。投票节点是指有投票权利的计算终端，提案节点是指可以进行意见提出、生成提案数据块或者其他可生成网络所需的数据块的计算终端。提案，可以是任意数据，再用私钥对这个哈希值签名，就成了提案。

在上述分布式共识算法中，由于不需要很多点对点通讯，也不需要一个独立的第三方计票员，由节点自己给自己计票，投票过程简洁高效，可以避免像比特币一样经过漫长的等待才能最终确定交易，非常适合推广应用于各种需要达成分布式一致的场景。

如图2所示，上述实施例中，有提案权的节点10可以同时是具有投票权的投票节点20。

上述步骤S3中，投票节点比较各种提案的方法可以是网络中各节点预先达成一致的任意比较算法。

优选地，上述比较算法包括以下步骤：

网络中的投票节点B计算接收到的多个提案的优先级，找出优先级最高的提案；

投票节点B用自己的私钥对优先级最高的提案的哈希值签名，并将签名结果和自己的公钥一起发送给提案节点A。

上述步骤S4中，提案节点A自己统计出自己的得票率具体包括：

提案节点A计算对提案进行签名的投票节点B的数量，判断该数量是否达到预设的数值；

如果签名的投票节点B数量达到预设的数值，则投票完成。

例如，所有节点通过某些竞争机制，判断自己是否获得提案权和投票权，通过点对点通讯，整个网络中的每个节点都可以知道哪些节点具有提案权和投票权。假定一共有整个网络中一共有50个具有提案权和投票权的节点。

那么当节点A得到超过30个节点B的签名后，就可以确定自己得到了超过半数的选票，它将被30个节点B签名的提案发给整个网络，整个网络知道，一共只有50个有提案权的节点，而A得到了30票，那么A一定是得到了大部分有投票权的节点的选票。

在一个具体的实施例中，上述分布式网络为区块链网络。

在当前区块链网络中，通过竞选产生多个具有投票权和提案权（即记账权）的节点，且每个节点都有一个自己维护的投票委员会名单，记载所在网络共有多少投票节点。其中，竞选的方式可以是现有的任何一种。

如图3和图4所示，更优选的竞选算法包括以下步骤：

节点对上一个区块的哈希值加上轮次信息，再用自己的私钥进行加密，并将加密结果取哈希值；

判断所得到的哈希值从任意位置开始的连续0或者1的个数数量是否满足设定的要求；

如果满足，则认为当前节点获得提案资格；

当前节点向网络中的其他节点发送中签广播。

用私钥对上一个区块的哈希值签名，然后再取哈希值(256位)，接下来判断前导0（或从任意位置开始的连续0或者1）的个数。只需要一点简单的数学推导，就可以得到我们需要的结果，其依据如下：如果要求1个前导0，其他位任意，概率为，0.5。如果要求两个前导0，概率为0.25。以此类推，容易得到，要求n个前导0，概率按以下公式（1）可获得：

（1）。

例如，如果要求有20个前导0，则概率为1/1048576。我们可以根据这个规则，来选取潜在的记账节点，即可以根据整个系统中节点总数，调节前导0个数，来决定有多少人将获得记账资格。

如果我们的系统一共有100万个一级节点，如果我们要求有20个前导0，则潜在的记账节点约有1个，依此类推：

如果我们只要求有19个前导0，则潜在记账节点约有2个；

如果我们只要求有18个前导0，则潜在记账节点约有4个；

如果我们只要求有17个前导0，则潜在记账节点约有8个；

……

这个过程中，用私钥对前一个区块的哈希值签名也是重要的步骤。用私钥对整个区块签名显然是不现实的。仅仅用私钥对哈希值签名，就可以产生一个只有这个节点能够拥有的，同时又和前一个区块相关的数据。这可以把这个节点的信息可靠的加入到历史区块中，极大的降低被伪造的可能性。

用私钥对哈希值加密之后，得到的是非定长数据。对这个数据再次取哈希值，可以把非定长数据再次变成定长数据，简化我们的数学计算，形成简单、一致的抽签规则。

由于抽签算法是概率性的，有可能无法产生合法的候选人。此时每个候选人可以加入轮次值，再重新签名求哈希值，直到自己得到资格，或者收到更佳的竞选结果。

根据上述抽签算法，上述步骤S3中，投票节点B计算接收到的多个提案的优先级的方法是：

对提案取哈希值，所得哈希值从任意位置开始的连续0或者1的个数来确定优先级，同时提案区块的轮次值更低，则优先级越高。

优选地，上述步骤S2中，提案节点A将提案发给其他所有投票节点B之前，先由自己或网络中其他节点对提案进行签名操作，即封印操作。

具体地，签名操作包括：

提案节点A或网络中其他节点用自己的私钥对提案的哈希值进行加密，再取加密结果的哈希值；

判断所得到的哈希值从任意位置开始的连续0或者1的个数是否满足设定的要求；

如果满足，则签名完成。

上述各实施例中的共识算法可应用于任何分布式网络。

在进一步的实施例中，上述分布式网络为二级架构的区块链网络。

其中，上述二级架构的区块链网络中包含用于负责记账和/或通讯的一级节点，和用于负责见证和检验一级节点记账结果的二级节点；提案节点A是网络中的一级节点，网络中其他节点是二级节点。

在一个具体的二级架构区块链网络实施例中，分布式共识算法，即投票过程，步骤如下：

具有记账资格的区块节点A生成第一备选状态区块；

区块节点B用自己的私钥对该第一备选状态区块的哈希值进行加密，再取加密结果的哈希值；

判断所得到的哈希值从任意位置开始的连续0或者1的个数是否满足设定的要求；

如果满足，则对第一备选状态区块的第一次封印（签名）完成，完成了第一次封印的区块即可发送至网络中其他记账候选节点进行投票；

将经过第一次封印后的第一备选状态区块作为第二备选状态区块发送至网络中其他记账候选节点；

票选委员会收到诸多第二备选状态的区块之后，计算各个区块的优先级，将自己的选票投给得票最多的那一个区块，并将自己对该区块的哈希值的签名发回给拥有第二备选状态的区块的记账人；

拥有第二备选状态区块的记账人自己统计它收到了多少选票（即签名），因为它知道全网有多少备选记账人，所以它知道得到多少签名，自己就能进入第三状态，记账人得到多于票选委员会总数2/3选票的时候，就可以对全网宣称区块的完成。

记账节点的区块进入第三备选状态之后，立即将这个区块广播出去。所有的一级节点都知道谁是备选记账人，所以所有的一级节点都能判断出一个区块是否真的能够进入第三备选状态。

在本发明另一实施例中，涉及一种采用如前面任一实施例所述的分布式共识算法的分布式系统。如图2所示，该分布式系统网络中，包含多个计算节点。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种分布式共识算法，应用于分布式网络，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定网络中总共有多少个投票节点，每个投票节点维护一个投票委员会名单；

S2、一部分有提案权的节点A生成待投票的提案，并将提案发给其他所有投票节点B；

S3、投票节点B比较各种提案，选出可以投票的提案，用自己的私钥签名后，发给提案节点A；

S4、提案节点A自己统计出自己的得票率，将统计结果广播给整个网络；

S5、所有节点分别根据维护的投票节点数量，判断得票率，确定是否接受这个状态。

2.根据权利要求1所述的分布式共识算法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

网络中的投票节点B计算接收到的多个提案的优先级，找出优先级最高的提案；

投票节点B用自己的私钥对优先级最高的提案的哈希值签名，并将签名结果和自己的公钥一起发送给提案节点A。

3.根据权利要求1所述的分布式共识算法，其特征在于，所述步骤S4中，提案节点A自己统计出自己的得票率，具体包括：

提案节点A计算对所述提案进行签名的投票节点B的数量，判断该数量是否达到预设的数值；

如果签名的投票节点B数量达到预设的数值，则投票完成。

4.根据权利要求1或2所述的分布式共识算法，其特征在于，所述分布式网络为区块链网络；

所述步骤S1和S2中，节点通过竞选的方式获得投票权和提案权。

5.根据权利要求4所述的分布式共识算法，其特征在于，所述竞选包括以下步骤：

节点对上一个区块的哈希值加上轮次信息，再用自己的私钥进行加密，并将加密结果取哈希值；

判断所得到的哈希值从任意位置开始的连续0或者1的个数是否满足设定的要求；

如果满足，则认为当前节点获得提案资格；

当前节点向网络中的其他节点发送中签广播。

6.根据权利要求4所述的分布式共识算法，其特征在于，所述步骤S3中，所述投票节点B计算接收到的多个提案的优先级的方法是：

对所述提案取哈希值，所得哈希值的从任意位置开始的连续0或者1的个数越多，同时所述提案区块的轮次值更低，则优先级越高。

7.一种分布式系统，包含多个节点，其特征在于，采用如权利要求1-6中任一项所述的分布式共识算法。