CN111475821A - 基于文件存储证明的区块链共识机制方法 - Google Patents

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Abstract

基于文件存储证明的区块链共识机制方法，属于区块链共识技术领域，该方法包括如下步骤：首先领导者节点根据文件列表构造测试试题形成测试试卷，并将其分发给跟随者节点，跟随者节点把测试试卷分发给存储节点，存储节点回答测试试题并把答案发送回跟随者节点，跟随者节点再把答案转发给领导者节点，领导者节点汇总答案并从中选择最大相同的一组答案作为标准答案进行共识，最后通过共识后生成区块录入区块链。本发明提供的方法实现了验证者在没有任何有关文件信息的情况下，验证证明者拥有该文件信息，从而达成共识。本方法作为一种新型的文件存储共识算法，具有效率高，安全性好等优点。

Description

基于文件存储证明的区块链共识机制方法
技术领域
本发明涉及区块链共识技术领域，具体来说涉及一种基于文件存储证明的区块链共识机制方法。
背景技术
区块链技术是一种集成了分布式存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式，是一种去中心化，信息不可篡改、不可伪造、可追溯，由多个节点共同维护，基于密码学原理而不是基于信任的技术。区块链没有中心化机构，各个节点的一致性是通过区块链的核心技术共识机制来保证的。共识机制就是多方参与者对于网络的状态，即某些数据、行为、流程达成一致的过程，共识机制负责安全地更新分布式网络中的数据状态。目前主流的共识机制有工作量证明机制(POW)，权益证明机制(POS)，股份授权证明机制(DPOS)，实用拜占庭容错机制(PBFT)，Pool验证池等，但是目前的共识机制大都存在过度消耗能源、效率低以及适应性差等缺点。
发明内容
为了解决当前共识机制存在的过度消耗能源、效率低以及适应性差等不足，本发明的目的是提出了一种基于文件存储证明的区块链共识机制方法，共识过程简单高效，能够有效解决文件信息上链，安全性高，消耗能源少。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于文件存储证明的区块链共识机制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将区块链的共识节点信息和文件列表存储于区块链系统上，所述共识节点包括领导者节点、跟随者节点和存储节点，所述文件列表包含所有文件存储信息，领导者节点能够通过检索获取到所述文件列表；
步骤2：领导者节点根据步骤1中所述的文件列表构造若干个用于验证存储节点是否存储有待验证文件的测试试题形成测试试卷，并采用公钥加密的方式将测试试卷发送给跟随者节点，等待跟随者节点给出答案；所述测试试题为在待验证文件中随机指定数据块给出其对应的哈希值；
步骤3：跟随者节点接收领导者节点发送的测试试卷，通过私钥解密获取测试试题，每个跟随者节点持有一张包含部分文件存储信息的子文件列表，且所有跟随者节点持有的子文件列表合在一起组成步骤1所述的文件列表，各个跟随者节点根据自己所持有的子文件列表采用公钥加密的方式向其所属待验证文件存储信息的存储节点分发领导者节点构造的测试试卷；
步骤4：存储节点之间信息完全独立且随机，存储节点接收到测试试卷后，通过私钥解密获取测试试题，根据自身存储的待验证文件，给出测试试卷中所有测试试题的答案，并将答案通过公钥加密的方式发送给发给跟随者节点；
步骤5：跟随者节点将收到的答案发送至领导者节点，领导者节点汇总答案进行共识处理，具体共识过程是：每个测试试题在n个回答者的答案里面找出一组相同答案最多且数目至少超过回答者一半的答案作为标准答案，n为回答问题的存储节点的个数，回答者即为给出答案的存储节点，根据标准答案来判断每个存储节点提供的答案是否正确，存储节点回答的所有答案都正确即为通过共识，证明该存储节点存储了待验证文件，按照奖励机制进行奖励；同时对未通过共识的存储节点按照惩罚机制进行惩罚；
步骤6：领导者节点打包出块奖励信息以及存储节点奖惩信息，共识后录入区块链系统生成新的区块。
进一步，步骤2中，所述测试试卷中若干个用于验证存储节点是否存储待验证文件的测试试题分别为Qk1,Qk2,...,Qki,...,Qkm,其中m≥1，k1,k2,...,ki,...,km,为一系列小于d的随机数，d为待验证文件的长度，其中Qki表示待验证文件从第ki个字符开始，长度为S的文件内容，要求跟随者节点回答出其所对应的哈希值H(Qki)。
进一步，步骤5中，未找到标准答案时，则全部回答者给与相应的惩罚。
作为本发明的一种优选技术方案，所述领导者节点是在所述跟随者节点中选举出具有领导者身份的节点；具体领导者节点的选举过程如下：预先给每个跟随者节点分配一个唯一的编号，区块链系统中生成一个可用的随机数，所述随机数与跟随者节点的编号相同时，跟随者节点转换为领导者节点。
在任一时刻所述领导者节点发生故障或轮值时间已满，自动在跟随者节点中重新选举产生一个新的领导者节点，原领导者节点恢复为跟随者节点。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：提出了一种基于文件存储证明的区块链共识机制方法，解决了证明者在不向验证者泄露任何有关文件信息的情况下，证明自己拥有该文件信息。本发明对文件的存储采取加密并分散的方式，避免出现单点故障问题，而且要求证明者之间彼此都是独立且随机的，使得证明者之间无法相互串通或者串通代价过大，能够有效预防证明者节点联合起来对系统进行篡改和破坏，从而保证了区块链系统的安全性。本发明共识过程简单且高效，不同于工作量证明需要消耗非常多的能源，而且不是很环保。
附图说明
图1为本发明所述基于文件存储证明的区块链共识机制方法的工作原理示意图。
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，下面结合具体实施例，并参照图1，对本发明作进一步的详细说明。
一种基于文件存储证明的区块链共识机制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将区块链的共识节点信息和文件列表存储于区块链系统上，所述共识节点包括领导者节点、跟随者节点和存储节点，领导者节点用于创建文件存储证明测试试题形成测试试卷，以判断存储节点文件存储证明是否成立，并生成新的区块；所述领导者节点是在所述跟随者节点中选举出具有领导者身份的节点；具体领导者节点的选举过程如下：预先给每个跟随者节点分配一个唯一的编号，区块链系统中生成一个可用的随机数，所述随机数与跟随者节点的编号相同时，跟随者节点转换为领导者节点；在任一时刻所述领导者节点发生故障或轮值时间已满，自动在跟随者节点中重新选举产生一个新的领导者节点，原领导者节点恢复为跟随者节点；所述文件列表包含所有文件存储信息，领导者节点能够通过检索获取到所述文件列表；
步骤2：领导者节点根据步骤1中所述的文件列表构造一组用于验证存储节点是否存储待验证文件的测试试题，分别为Qk1,Qk2,...,Qki,...,Qkm,其中m≥1，k1,k2,...,ki,...,km,为一系列小于d的随机数，d为待验证文件的长度，其中Qki表示待验证文件从第ki个字符开始，长度为S的文件内容，要求跟随者节点回答出其所对应的哈希值H(Qki)，并将所述测试试题形成测试试卷，采用公钥加密的方式将测试试卷发送给跟随者节点，等待跟随者节点给出答案；
步骤3：跟随者节点接收领导者节点发送的测试试卷，通过私钥解密获取测试试题，每个跟随者节点持有一张包含部分文件存储信息的子文件列表，且所有跟随者节点持有的子文件列表合在一起组成步骤1所述的文件列表，各个跟随者节点根据自己所持有的子文件列表采用公钥加密的方式向其所属待验证文件存储信息的存储节点分发领导者节点构造的测试试卷；
步骤4：存储节点之间信息完全独立且随机，存储节点接收到测试试卷后，通过私钥解密获取测试试题，根据自身存储的待验证文件，给出测试试卷中所有测试试题的答案，并将答案通过公钥加密的方式发送给发给跟随者节点；
步骤5：跟随者节点将收到的答案发送至领导者节点，领导者节点汇总答案进行共识处理，具体共识过程是：每个测试试题在n个回答者的答案里面找出一组相同答案最多且数目至少超过回答者一半的答案作为标准答案，如若找不到则全部回答者给与相应的惩罚，n为回答问题的存储节点的个数，回答者即为给出答案的存储节点，根据标准答案来判断每个存储节点提供的答案是否正确，存储节点回答的所有答案都正确即为通过共识，证明该存储节点存储了待验证文件，按照奖励机制进行奖励；同时对未通过共识的存储节点按照惩罚机制进行惩罚，以此来约束存储节点进行作恶；
步骤6：领导者节点打包出块奖励信息以及存储节点奖惩信息，共识后录入区块链系统生成新的区块。
本发明中同一份文件会存储在多个存储节点中，而且存储节点彼此之间是相互独立且随机的。
为了激励领导者节点正常出块和存储节点存储完整文件，给予领导者节点出块奖励以及在存储节点证明了自己已存储相关待验证文件后，给予存储节点一定的奖励；领导者节点打包出块奖励信息以及存储节点奖惩信息生成新的区块。
本发明为了保证节点之间彼此通信安全，不同节点在发送测试试题及答案时均采用公私钥加密的模式，即使用对方的公钥加密所需要发送的信息生成密文，收到消息的一方采用自己的私钥解密密文得到原始信息。
本发明在验证文件共识时，为了避免系统瞬间通信压力过大，采用“周期分解模式”进行验证，会在一个大周期内验证完所有文件，其中验证系统内全部文件所用的时间称为一个大周期，把大周期分解为若干部分，每部分验证部分文件，要求存储节点证明自己存储了所需验证的文件，最终完成所有验证。本发明要求每个周期内验证的文件是完全随机的，以防止存储节点作弊。
综上，本发明公开了基于文件存储证明的区块链共识机制方法，解决的是验证者(领导者节点)在没有任何有关文件信息的情况下，验证证明者(存储节点)拥有该文件信息，从而达成共识。该共识机制方法包括如下步骤：首先领导者节点根据文件列表构造测试试题形成测试试卷，并将其分发给跟随者节点，跟随者节点把测试试卷分发给存储节点，存储节点回答测试试题并把答案发送回跟随者节点，跟随者节点再把答案转发给领导者节点，领导者节点汇总答案并从中选择最大相同的一组答案作为标准答案进行共识，最后通过共识后生成区块写入区块链。本方法作为一种新型的文件存储共识算法，具有效率高，安全性好等优点。

Claims (5)

1.一种基于文件存储证明的区块链共识机制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将区块链的共识节点信息和文件列表存储于区块链系统上，所述共识节点包括领导者节点、跟随者节点和存储节点，所述文件列表包含所有文件存储信息，领导者节点能够通过检索获取到所述文件列表；
步骤2：领导者节点根据步骤1中所述的文件列表构造若干个用于验证存储节点是否存储有待验证文件的测试试题形成测试试卷，并采用公钥加密的方式将测试试卷发送给跟随者节点，等待跟随者节点给出答案；所述测试试题为在待验证文件中随机指定数据块给出其对应的哈希值；
步骤3：跟随者节点接收领导者节点发送的测试试卷，通过私钥解密获取测试试题，每个跟随者节点持有一张包含部分文件存储信息的子文件列表，且所有跟随者节点持有的子文件列表合在一起组成步骤1所述的文件列表，各个跟随者节点根据自己所持有的子文件列表采用公钥加密的方式向其所属待验证文件存储信息的存储节点分发领导者节点构造的测试试卷；
步骤4：存储节点之间信息完全独立且随机，存储节点接收到测试试卷后，通过私钥解密获取测试试题，根据自身存储的待验证文件，给出测试试卷中所有测试试题的答案，并将答案通过公钥加密的方式发送给跟随者节点；
步骤5：跟随者节点将收到的答案发送至领导者节点，领导者节点汇总答案进行共识处理，具体共识过程是：每个测试试题在n个回答者的答案里面找出一组相同答案最多且数目至少超过回答者一半的答案作为标准答案，n为回答问题的存储节点的个数，回答者即为给出答案的存储节点，根据标准答案来判断每个存储节点提供的答案是否正确，存储节点回答的所有答案都正确即为通过共识，证明该存储节点存储了待验证文件，按照奖励机制进行奖励；同时对未通过共识的存储节点按照惩罚机制进行惩罚；
步骤6：领导者节点打包出块奖励信息以及存储节点奖惩信息，共识后录入区块链系统生成新的区块。
2.根据权利要求1所述的基于文件存储证明的区块链共识机制方法，其特征在于：步骤2中，所述测试试卷中若干个用于验证存储节点是否存储待验证文件的测试试题分别为Qk1,Qk2,...,Qki,...,Qkm,其中m≥1，k1,k2,...,ki,...,km,为一系列小于d的随机数，d为待验证文件的长度，其中Qki表示待验证文件从第ki个字符开始，长度为S的文件内容，要求跟随者节点回答出其所对应的哈希值H(Qki)。
3.根据权利要求1所述的基于文件存储证明的区块链共识机制方法，其特征在于：步骤5中，未找到标准答案时，则全部回答者给与相应的惩罚。
4.根据权利要求1所述的基于文件存储证明的区块链共识机制方法，其特征在于：所述领导者节点是在所述跟随者节点中选举出具有领导者身份的节点；具体领导者节点的选举过程如下：预先给每个跟随者节点分配一个唯一的编号，区块链系统中生成一个可用的随机数，所述随机数与跟随者节点的编号相同时，跟随者节点转换为领导者节点。
5.根据权利要求4所述的基于文件存储证明的区块链共识机制方法，其特征在于：在任一时刻所述领导者节点发生故障或轮值时间已满，自动在跟随者节点中重新选举产生一个新的领导者节点，原领导者节点恢复为跟随者节点。
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