CN111563278B - 一种改进的股权授权证明方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改进的股权授权证明共识方法，包括：选举步骤、记账与验证步骤、信用分数更新步骤、收益分配步骤。在出块奖励中划分分配收益，提高了股东节点的投票积极性，避免了出块奖励仅有出块节点独享的缺陷；将节点投票时间跨度与节点收益分配的比例因子呈反比，有利于促进节点在投票开启后快速投票；通过对见证人节点作恶时的信用分数施加减分处罚，以提高见证人节点持续作恶时的信用成本，促使见证人节点正确行使权力；选举步骤中选出备用见证人节点，在记账与验证步骤中当系统中的某见证人节点发生故障或产生作恶行为时，系统有权剥夺其见证人权利，然后从备用见证人节点中选出分数最高的节点作为替代者，为系统的安全运行提供了有效保障。

Description

一种改进的股权授权证明方法

技术领域

本发明涉及区块链共识技术，涉及股权授权证明(Delegated Proof of Stake，DPoS)技术。

背景技术

区块链的本质是去中心化的分布式数据库，分布式数据库的核心是数据一致性，即在分布式网络中通过可靠的共识机制解决系统中由哪个节点发起提案以及其余节点如何就该提案达成一致的问题。根据分布式网络中节点的身份特性和关系属性，可将共识机制分为可信节点之间的共识和不可信节点之间的共识。前者已被深入研究，现在流行的分布式系统中，以Paxos和Raft及其变种算法最为著名。后者随着区块链技术的出现，开始被大量应用，其中POW(Proof of Work，工作量证明)、PoS(Proof of Stake，股权证明)、DPoS和PBFT(Practical Byzantine Fault Tolenrance,拜占庭容错)等共识算法应用最为广泛，其中DPoS因其高效率和低能耗的优点被作为新一代区块链的共识机制。

DPoS是在PoS基础上产生的，在PoS机制下，持有通证数少的人很少有机会当选记账者(见证人)。为了能够获得记账权，他们便商量采用DPoS机制，即通过投票选举的方式，选出生产者，代表他们(股东节点)履行权利和义务。在DPoS中，投票产生的有资格生成区块并且签名广播的即为见证人。见证人实质上是DPoS委托股权证明共识机制中的记账者。区块链网络中的所以参与节点投票选出约定数量的见证人节点，投票选出见证人节点的参与节点作为该见证人节点的股东节点。选举出来的见证人节点轮流进行记账从而获得分红，并将获得记账总收入的一部分作为报酬分给它的股东节点。投票的权重和分配的收益，都是按照持有的加密通证数量占总量的百分比来计算的。

目前的DPoS共识机制虽然能够满足区块链运行的需要，但其具有两个较为明显的缺点。一方面由于股东节点是否投票对自身不会产生任何影响，导致股东节点投票积极性不高，从而发生互投和贿投等选票中心化的现象，破坏系统的公平性；另一方面由于见证人节点的更新只能在下一选举周期中进行，因此作恶的见证人节点会有剔除不及时情况，发生作恶行为的见证人节点可能会对系统做出持续性的破坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过能激励股东节点积极投票和快速剔除作恶见证人节点的股权授权证明共识方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种改进的股权授权证明共识方法，包括步骤：

选举步骤：每一个选举周期，区块链系统中参与节点投票选举见证人节点，记录每个参与节点的投票时间跨度，选择总分数最高的前M1个参与节点作为见证人节点，再在剩下的参与节点中选择总分数最高的前M2个参与节点作为备用见证人节点；M1、M2分别为预设的见证人节点数、备用见证人节点数；总分数由信用分数和选票分数撮合生成，选票分数与当前得到的投票数正相关，信用分数用于反映参与节点在进行以往记账和验证过程中的信用状态；

记账与验证步骤：见证人节点轮流进行记账，每一个记账周期中明确一个记账节点，其他M1-1个节点作为验证节点；记账节点根据收集的交易生成区块并且签名广播，验证节点对生成的区块进行验证，并反馈验证结果；一个记账周期内，当出现见证人节点信用分数未达到要求的情况，当前总分数最高的备用见证人节点对该见证人节点进行替换；

信用分数更新步骤：区块链系统中参与节点在初始阶段有一个起始信用分数，之后根据每一次参与记账或验证的对系统的影响来更新信用分数；当参与记账或验证的对系统的影响被判定为作恶时，会被减少信用分数，否则将被增加信用分数；判定为作恶的情况：记账节点生成的区块未被2/3以上的验证节点验证合格的、验证节点对生成的区块的验证结果与系统内2/3以上的验证节点的验证结果不一致的；

收益分配步骤：每一次记账成功后，记账节点进行出块奖励计算，出块奖励分为见证人节点的基本奖励与股东节点的收益，记账节点按照出块奖励计算结果向其股东节点分配收益；出块奖励计算中，将股东节点的投票时间跨度作为该股东节点的所占分配收益的比例因子；所述投票时间跨度为投票开启时间到投票完成时间的时间长度；投票时间跨度越大，收益分配的比例因子越小，收益越少。

进一步的，收益分配步骤中记账节点通过计算沙普利值来完成对其投票的股东节点的收益计算；沙普利值根据股东节点的投票贡献计算得到。

进一步的，区块链系统中第i个参与节点的收益分配的比例因子的计算方式是：

其中，为第i个参与节点的投票时间跨度。

进一步的，信用分数更新步骤中信用分数达到上限后会回到初始高值，所述初始高值为判定信用分数为高时的最小值。

本发明的有益效果是：

(1)通过在出块奖励中划分分配收益，提高了股东节点的投票积极性，避免了出块奖励仅有出块节点独享的缺陷；进一步的，分配收益参考使用沙普利值计算，沙普利值计算反映了每个股东节点的投票贡献，进一步提高了股东节点的投票积极性；

(2)将节点投票时间跨度与节点收益分配的比例因子呈反比，有利于促进节点在投票开启后快速投票。进一步的，将比例因子中的时间跨度取根号修正，避免了部分节点因投票不及时而造成的收益过分少的局面，以免矫枉过正。

(3)通过对见证人节点作恶时的信用分数施加指数式减分处罚，以提高见证人节点持续作恶时的信用成本，促使见证人节点正确行使权力。

(4)备用见证人节点负责保障共识机制的完整性，当系统中的某见证人节点发生故障或产生作恶行为时，系统有权剥夺其见证人权利，然后从备用见证人节点中选出分数最高的节点作为替代者，为系统的安全运行提供了有效保障。

进一步的，当某节点的信用分数达到上限后时，将该节点的信用分数重置为初始高值，有利于提高其他优秀节点当选见证人节点的可能性，以提高系统的公平性。

附图说明

图1是实施例的公平分配机制下股东节点在收益比例因子作用下的实际收益比例图。

图2是实施例提供的信用奖惩机制下节点的信用状态转换图。

图3是实施例提供的分数撮合机制下不同信用状态的节点在相同选票分数下的总得分图。

图4是实施例提供的快速替换机制下作恶见证人节点替换示意图。

具体实施方式

实施例通过引入了公平分配、信用奖惩、分数撮合和快速替换四种机制，来实现股东节点积极投票和作恶见证人节点快速的股权授权证明机制。

公平分配机制，通过沙普利值计算来分配系统的区块奖励，做到每个参与的节点都能获得收益，同时将股东节点的投票时间点作为一个参考因素，从而鼓励股东节点积极快速投票。

信用奖惩机制，每个节点都会有一个起始信用分数，根据节点行为对系统产生的影响对节点进行信用分数的奖惩，节点信用分数的变化会引起节点信用状态的转换。

分数撮合机制，某个节点能否当选见证人节点由该节点在选举阶段的总分数决定，而总分由节点的信用分数和选票分数撮合后产生，根据节点的信用状态，制定不同的撮合比例，目的是使信用分数高的节点更容易当选。

快速替换机制，为了防止作恶的见证人节点对系统造成持续性的破坏，选举见证人节点的同时确定一定数量的备用见证人节点，当见证人节点信用状态进入最坏的状态时，备用见证人节点按分数高低依次进行替换。

公平分配机制针对股权授权证明机制中挖矿收益由见证人节点独有而造成系统节点参与投票的积极性低的问题，基于博弈论中计算沙普利值的原理对收益分配方式进行改进，使得收益分配更加公平合理，促使各股东节点积极投票，以赚取更多的收益。具体步骤如下：

(1)根据股东节点的投票贡献计算各股东节点的沙普利值：

其中，ψ_i(N,v)为根据第i个参与节点的投票贡献计算得到的该节点的沙普利值，N表示区块链系统中所有参与节点的集合，{i}表示当前计算的第i个参与节点，\{i}表示去掉第i个参与节点，S表示在集合N中去掉第i个参与节点的集合中选择出投票出当前记账节点的全部股东节点的集合，|A|表示集合A中节点的个数，！表示阶乘，v(A)表示集合A的选出当前记账节点的投票贡献，当第i个参与节点不是股东节点时v(S∪{i})与v(S)的值相等，沙普利值为0；

(2)考虑时间因素，计算股东节点的收益比例因子。假设以24小时为一个选举周期，节点i投票时间跨度为：

其中，为节点i的投票时间，T_start为投票开启的时间。节点i的收益比例因子为：

考虑到部分节点因为投票不及时而导致收益过少的情况，对收益比例因子进行修正，以免矫枉过正，修正后的收益比例因子为：

图1是股东节点在两种收益比例因子作用下的实际收益比例，从图中可以看出，再修正后的收益比例因子作用下，股东节点的收益比例会随投票时间的跨度增大而逐渐减小，同时收益减小的幅度也在逐步降低，避免了部分节点因投票不及时而造成的收益过分少的局面。

(3)将系统的出矿奖励G分为两部分G_base和G_alloc，前者作为见证人节点的基本奖励，后者按照为节点投票的收益：

其中，α、β分别为记账节点的基本奖励G_base与全部股东节点的总收益G_alloc；根据式(1)、(3)和(4)，股东节点i的收益为：

根据式(4)和(5)，一个见证人节点的最终的出矿奖励为：

G_witness＝G_base+G_alloc-∑_i∈N G_i (7)

信用奖惩机制针对股东节点投票不积极以及作恶节点持续生成无效区块、篡改区块信息或其它作恶行为的情况，引入信用奖惩机制，对系统做出有益行为的节点予以奖励，对系统造成损害的节点予以惩罚，以促进系统的良性健康发展。

首先介绍信用分数和信用状态，信用分数采用百分制，每个节点的初始分数为50分，依据节点的表现对节点的信用分数进行调整，根据不同的分数段对节点的信用状态进行划分，以供股东节点进行投票参考。各信用状态对应的含义如下：

1)Recommend：节点在行使见证人权利或投票权利时表现优异，信用分数区间处于[85，100]，股东节点投票时应当优先考虑。

2)Good：节点在行使见证人权利或投票权利时表现良好，信用分数区间处于[50，85)，股东节点投票时应当予以考虑。

3)Poor：节点在行使见证人权利过程中存在少量作恶行为，信用分数区间处于[15，50)，股东节点投票时应当避免考虑。

4)Deprecated：节点在行使见证人权利时存在大量作恶行为，信用分数区间处于[0，15)，股东节点投票时应当不予考虑。

根据节点在行使权利后造成的不同结果，节点的信用分数变化情况如下：

(1)作为网络中的参与节点是否参与投票：

可选的，为了促进参与节点尽快选举也可以把投票时间跨度大于预设时间长度作为减分的情况。或者，针对一个或设定的L个选举周期内与未参与选举的节点进行不同分数的扣分惩罚。或者，对不积极选举的节点维持原分，对参与选举的节点进行适量加分。只要能够促进节点参与选举的通过改变分数来实施的奖惩手段均适用。

(2)作为见证人节点是否正确行使权利：

实施例通过对见证人节点作恶时的信用分数施加指数式的处罚，以提高见证人节点持续作恶时的信用成本，促使见证人节点正确行使权力。见证人节点是否正确行使权利的情况为：记账节点生成的区块被2/3以上的验证节点验证合格、验证节点对生成的区块的验证结果与系统内2/3以上的验证节点的验证结果不一致。

(3)某见证人节点正确行使权利时，作为股东节点选举阶段的选票是否为该节点：

(4)某见证人节点发生作恶行为时，作为股东节点选举阶段选票是否为该节点：

(5)节点的信用分数超出100分的上限：

C_i＝85 (12)

对于以上五种情况，情况(1)和情况(4)中对节点的信用分数进行扣除，直至信用分数为50分的初始信用分数，若节点的信用状态处于Good以下，则不参与考虑；情况(2)中通过对见证人节点作恶时的信用分数施加指数式的处罚，以提高节点持续作恶时的信用成本，促使见证人节点正确行使权利；情况(3)则是为了促使股东节点审慎投票，以减少股东节点不投或乱投的情况发生，信用状态较差的节点也可以通过正确投票重新回到正常信用状态序列；情况(5)中当节点的信用分数超出上限，则将信用分数重置为85分，这样能够保证其它优秀节点能够有机会成为见证人节点，以提高系统的公平性。

节点的信用状态转化如图2，当节点处于Recommend状态时，若节点发生作恶行为或者其信用分数达到上限，则节点进入Good状态；当节点处于Good状态时，若节点正确出块或者正确投票，则可以进入Recommend状态，若节点发生作恶行为，则可能进入Poor状态，若节点持续发生作恶行为，则有可能直接进入Deprecated状态；当节点处于Poor状态时，若节点有幸当选为见证人节点并正确出块或者通过正确投票的方式增加信用分数，则有可能进入Good状态，若节点成为见证人节点后继续作恶，则会进入Deprecated状态；当节点处于Deprecated状态时，理论上节点可以通过不断地正确投票的方式重返Poor状态。

接下来对本申请提供的分数撮合机制进行介绍，分数撮合机制是为了促使信用分数高的节点更容易当选见证人节点，而信用分数低的节点则很难成为见证人节点，以保证系统的安全运行。具体的实施步骤如下：

(1)首先将各节点的得票数化为百分制，节点i的百分制得票数为：

其中，T表示投票节点的集合，为节点i的实际得票数，n_witness表示要选出的见证人节点的数量，/>为节点i的百分制得票数。

(2)将节点i的百分制得票数和信用分数按比例撮合后，就是节点i的最终得分，公式表示如下：

从式(14)可知，λ的取值将很大程度上决定节点的得分高低，为了降低有作恶行为的节点再次当选见证人节点的可能性，以及提高表现优良的节点成为见证人节点的可能性，根据节点所处的信用状态进行如表1的划分，表1中不同信用状态下的λ值应满足式(15)的约束。

λ_Recommend>λ_Good>0.5>λ_Poor>λ_Deprecated (15)

表1根据信用状态划分的λ值

节点信用状态	λ
		Recommend	λRecommend
Good	λGood
		Poor	λPoor
Deprecated	λDeprecated

由表1可以看出，信用状态好的节点在进行分数撮合时，信用分数项所占比重大，因此要成为见证人节点所需票数较少；而信用状态差的节点在进行分数撮合是，百分制得票数项所占比重大，因此要成为见证人节点所需票数多。如图3，考虑四种信用状态的节点，信用分数分别为90、70、40和15，取四种信用状态下的λ值分别为0.7、0.6、0.4和0.3，从图中可以看出，进行分数撮合后，在相同的选票分数下，信用状态好的节点总分数更高，当选为见证人节点的可能性更大。

接下来对本申请提供的快速替换机制进行介绍，考虑到系统的安全稳定运行，当某见证人节点信用分数低于15分，即该见证人节点的信用状态为Deprecated时，应当立即剥夺其见证人权利，而不是等待下一选举周期通过投票对其进行淘汰，以免其对系统造成更严重的损害。发生作恶行为的见证人节点的快速替换机制如图4，具体的实施步骤如下：

(1)根据式(14)计算出各节点的选举得分，然后根据得分由高到低形成选举优先级队列Que_election，若出现选举分数相同的情况，则信用分数高的节点排在前面：

式(16)中，n_total表示所有节点数量。

(2)根据式(16)选出n_witness个见证人节点组成见证人节点队列Que_witness，并选出n_backup个备用见证人节点组成备用见证人节点优先级队列Que_backup：

(3)当见证人队列中的M_i成员因持续作恶导致信用状态进入Depracated时，系统将该见证人节点直接淘汰出见证人队列，并将备用见证人节点优先级队列中队头的成员作为新的见证人节点加入到见证人队列中，组成新的见证人节点队列：

式(18)中，n_backup-front表示当前备用见证人节点优先级队列中队首成员的下标。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种改进的股权授权证明共识方法，其特征在于，包括步骤：

选举步骤：每一个选举周期，区块链系统中参与节点投票选举见证人节点，记录每个参与节点的投票时间跨度与投票贡献，选择总分数最高的前M1个参与节点作为见证人节点，再在剩下的参与节点中选择总分数最高的前M2个参与节点作为备用见证人节点；M1、M2分别为预设的见证人节点数、备用见证人节点数；总分数由信用分数和选票分数撮合生成，选票分数与当前得到的投票数正相关，信用分数用于反映参与节点在进行以往记账和验证过程中的信用状态；

记账与验证步骤：见证人节点轮流进行记账，每一个记账周期中明确一个记账节点，其他M1-1个节点作为验证节点；记账节点根据收集的交易生成区块并且签名广播，验证节点对生成的区块进行验证，并反馈验证结果；一个记账周期内，当出现见证人节点信用分数未达到要求的情况，当前总分数最高的备用见证人节点对该见证人节点进行替换；

信用分数更新步骤：区块链系统中参与节点在初始阶段有一个起始信用分数，之后根据每一次参与记账或验证的对系统的影响来更新信用分数；当参与记账或验证的对系统的影响被判定为作恶时，会被减少信用分数，否则将被增加信用分数；判定为作恶的情况：记账节点生成的区块未被2/3以上的验证节点验证合格的、验证节点对生成的区块的验证结果与系统内2/3以上的验证节点的验证结果不一致的；

收益分配步骤：每一次记账成功后，记账节点进行出块奖励计算，出块奖励分为见证人节点的基本奖励与股东节点的收益，记账节点按照出块奖励计算结果向其股东节点分配收益；出块奖励计算中，将股东节点的投票时间跨度作为该股东节点的所占分配收益的比例因子；所述投票时间跨度为投票开启时间到投票完成时间的时间长度；投票时间跨度越大，收益分配的比例因子越小，收益越少；

收益分配步骤中记账节点通过计算沙普利值来完成对其投票的股东节点的出块奖励计算：

；

表示区块链系统中第i个参与节点的出块奖励，/>为区块链系统中第i个参与节点的收益分配的比例因子，/>为所有对当前记账节点投票的股东节点总共的分配收益，为根据第i个参与节点的投票贡献计算得到的该节点的沙普利值，当第i个参与节点的投票对象不是当前记账节点时，其沙普利值为０；

根据第i个参与节点的贡献计算得到的该节点的沙普利值的具体方法是：

其中，表示区块链系统中所有参与节点的集合，/>表示当前计算的第i个参与节点，表示去掉第i个参与节点，/>表示在集合/>中去掉第i个参与节点的集合中选择出投票出当前记账节点的全部股东节点的集合，/>表示集合Ａ中节点的个数，表示阶乘，/>表示集合Ａ的选出当前记账节点的投票贡献；

区块链系统中第i个参与节点的收益分配的比例因子的计算方式是：

其中，为第i个参与节点的投票时间跨度；

出块奖励分为两部分/>和/>，前者作为见证人节点的基本奖励，后者按照为节点投票的收益：

其中，分别为记账节点的基本奖励/>与全部股东节点的总收益/>；

一个见证人节点的最终的出块奖励为：

；

信用分数和信用状态，信用分数采用百分制，每个节点的初始分数为50分，依据节点的表现对节点的信用分数进行调整，根据不同的分数段对节点的信用状态进行划分，以供股东节点进行投票参考；各信用状态对应的含义如下：

Recommend：节点在行使见证人权利或投票权利时表现优异，信用分数区间处于，股东节点投票时应当优先考虑；

Good：节点在行使见证人权利或投票权利时表现良好，信用分数区间处于，股东节点投票时应当予以考虑；

Poor：节点在行使见证人权利过程中存在少量作恶行为，信用分数区间处于，股东节点投票时应当避免考虑；

Deprecated：节点在行使见证人权利时存在大量作恶行为，信用分数区间处于，股东节点投票时应当不予考虑；

根据节点在行使权利后造成的不同结果，节点的信用分数变化情况如下：

（1）作为网络中的参与节点是否参与投票：

（2）作为见证人节点是否正确行使权利：

见证人节点是否正确行使权利的情况为：记账节点生成的区块被2/3以上的验证节点验证合格、验证节点对生成的区块的验证结果与系统内2/3以上的验证节点的验证结果不一致；

（3）某见证人节点正确行使权利时，作为股东节点选举阶段的选票是否为该节点：

（4）某见证人节点发生作恶行为时，作为股东节点选举阶段选票是否为该节点：

（5）节点的信用分数超出100分的上限：

。