CN111612455A - 一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法及其系统、存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法及其系统、存储介质，该方法包括：构建区块链节点信用模型，通过区块链节点信用模型选出最高信用的节点当选主节点；交易发起者广播交易，将这些交易请求打包成区块；主节点将区块生成提案消息并签名；在从节点接收到提案信息后，对提案合法性进行校验，当校验结果为不合法，进行记录，放弃本次共识并发起视图更换协议；经过验证的从节点进入确认阶段，执行此区块交易，并回复消息给客户端；根据客户端收到的节点回复消息情况，达成共识，各节点执行区块上链。本发明降低了拜占庭节点为主节点的概率，使得视图更换次数大大减少，系统性能得到有效提升。

Description

一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法及其系 统、存储介质

技术领域

本发明属于信息技术领域，涉及无线移动通信网络中高速移动情况下的切换技术，具体涉及一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法及其系统、存储介质。

背景技术

智能电网以自动化的方式来提高电网的高效性、可靠性、经济性，从而优化电网的管理和运营。随着智能测量技术的成熟应用，更加准确、便捷、经济的电力抄表和实时监测抄表大大提高了抄表效率，使得电力公司能更加科学、快速的调整电力供应，优化了供电量与耗电量之间的供求均衡问题，在满足电力用户基本用电的同时，可有效的避免多余发电。但是频繁的用电数据上传会给用户带来严重的个人隐私泄露的问题。智能电表上传的数据可能被不法者利用，可能造成用户用电信息、个人敏感信息及涉及商业机密信息的泄露和篡改，造成用户或电力公司的损失，从而给用户和电力公司带来威胁。

在智能电表环境中的三类主要隐私数据包括：用于对家庭或者用户进行唯一标识的智能电表的身份信息；用于实时向电力公司上传的用户用电量信息，即智能电表实时电量数据；还有就是一定周期需要上传的用户总的用电量信息，即智能电表总电量数据。不法者获取了智能电表的唯一标识以及该智能电表实时上传的用户用电量数据后，就可以对用户进行攻击。对于智能电网中用户的用电信息保护的研究，还处在起步阶段。区块链作为一项新兴技术，是由分布式系统、共识算法、密码学、点对点网络等多种技术深度融合实现的去中心化的分布式账本技术，提供了一个在去信任化的环境中进行信息和价值传递的可信通道。联盟区块链简称联盟链，面向特定群体，只有经过授权的节点才可以加入特定的区块链网络。联盟链中节点需要事先认证注册，共识过程中通常不涉及加密，成员节点间有共同的目标，但在维护交易数据等方面并不完全信任彼此。相对于共有链，联盟链节点间通常有着良好的连接、较高的验证和确认速度、更快的出块时间、较低成本的系统维护费用。结合区块链的最新技术发展，联盟链可实现内部成员共同负责账本维护，同时注册机制可限制参与节点的行为，灵活权限处理，在一定程度上构建出一个去中心、分布式的体系，摆脱了由唯一中心机构带来的单点故障等安全隐患，解决信任问题，可适用于当前金融、供应链、公益等应用场景，特别是在智能电网的用电信息隐私保护中具有非常重要的实践意义。而共识算法作为联盟链中的关键技术，直接影响着联盟链的交易处理能力、可扩展性和安全性。

共识问题一直是分布式领域的重要研究课题，根据选取区块记账权节点方式的不同，大致可以将共识算法分为以下四类：，包括证明类共识算法如工作量证明(Proof ofWork，PoW)和股权证明(Proof of Stake,PoS)、广播选举类共识算法如Raft算法、轮流类共识算法如PBFT、混合类共识算法如PoS+BFT。PoW等算法具有能耗浪费严重、吞吐量低、交易时延长等问题，而PBFT算法作为拜占庭容错算法经典的实现，对联盟链具有重要意义，是联盟链共识算法的核心支撑，许多联盟链共识算法受其启发，针对特定场景进行了改进。

Miguel Castro和Barbara Liskov在1999年提出PBFT算法，可以在保证活性和安全性的前提下提供1/3的容错性，将BFT算法复杂度由指数级降低到多项式级，使得BFT算法在实际系统应用中变得可行。随后在此经典的PBFT算法基础上，研究者又做了大量的改进工作，主要包括以Query/Update和Hybrid/Quorum为典型的基于Quorum的算法，以Zyzzava为典型的基于Speculation方法的算法，以及以OBFT(Obfuscated BFT)为典型的基于客户端的算法等，以上算法都在不同侧重点上针对没有错误的场景对PBFT算法进行简化而设计，因此当遇到拜占庭错误时，这类算法的性能一般会有不同程度的下降，甚至很难保证系统的活性。

此外，PBFT算法基于状态机复制(State Machine Replication)原理，主要由一致性协议、视图切换协议和检查点协议组成，在正常情况下系统运行在一致性协议和检查点协议下，当主节点出错时，视图切换协议才会启动，以保证系统有序执行客户端请求。这是针对典型分布式数据库的场景，请求以很高频率输入系统，系统可能在1秒内进行上千次共识过程，一旦发生了超时，系统中的从节点会认为主节点是拜占庭节点，因此在该场景中，必需Commit阶段来提高共识效率。但是在联盟链系统中，通常是几分钟甚至更长时间共识一个区块，如果区块存在问题就直接共识一个区块体为空的默认区块，而不是回滚，所以并不需要Commit阶段。另外，在PBFT算法中，主节点的更换是轮流产生的，这样是有风险的，如果接连的几个当选为主节点的副本节点都是拜占庭的，那么系统的可用性就大大降低。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种面向用电信息保护的基于信用模型的拜占庭容错联盟链共识方法，该方法基于BP(back propagation)神经网络构建节点信用模型，在采用信用模型的基础上，对实用拜占庭容错算法(Practical ByzantineFault Tolerance，PBFT)进行了改进，提出了一种基于信用模型的拜占庭容错共识算法(Credit-based Byzantine Fault Tolerance，CBFT)。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法，包括如下步骤：

S1：通过区块链节点信用模型选出最高信用的节点当选主节点；其中，所述区块链节点信用模型是基于BP神经网络构建而成；

S2：主节点接收交易请求，并将所述交易请求打包为区块；其中，所述交易请求是交易发起者向全网广播带所述发送者的签名的数据；

S3：主节点将所述区块生成提案消息并签名后发送给从节点，其中

在从节点接收到提案信息后，对提案合法性进行校验，当校验结果为不合法，进行记录，放弃本次共识并发起视图更换协议；当校验结果为合法，则

经过验证的从节点向其他从节点广播发送节点信息，同时接收其他节点发来的确认消息，当此节点接收到设定数量的一致确认消息后，该节点进入确认阶段，执行此区块交易，并回复消息给客户端；客户端的上级节点根据客户端收到的节点回复消息情况，达成共识，各节点执行区块上链。本发明的技术方案解决了将联盟链技术应用于智能电网无线通信网中用户用电信息隐私保护时，经典PBFT共识算法遇到拜占庭错误时，其性能一般会有不同程度的下降，甚至很难保证系统的活性的问题，特别是如果接连的几个当选为主节点的副本节点都是拜占庭的，那么系统的可用性就大大降低。

有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

1、本发明提出一种基于信用的主节点选举方式，基于BP神经网络构建区块链节点信用模型，选出最高信用的节点当选主节点，从而降低了拜占庭节点为主节点的概率，使得视图更换次数大大减少，系统性能得到有效提升。

2、本发明提出的CBFT算法在基于信用模型以及区块链的链式区块结构的基础上，去除了提交(Commit)阶段，由于无需commit过程，减少了网络开销。

3、本发明提出的CBFT算法采用改进的视图更换协议，确保了系统在主节点失效时依然保持活性。

附图说明

图1为吞吐量测试结果示意图；

图2为CBFT算法和PBFT算法共识时延对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

本发明提供一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法(CBFT)，包括如下步骤：

1)基于BP神经网络构建区块链节点信用评估模型，通过区块链节点信用评估模型选出最高信用的节点当选主节点：

原本的PBFT算法采用轮流当选主节点的方式，这种方式使得恶意主节点当选后引起视图更换从而导致系统性能大大降低，本步骤中通过改变主节点选举方式，来解决这个问题，BP神经网络是一类基于误差反向传播算法的多层神经网络，可以灵活地对样本数据建模并揭示其中隐含的非线性关系，适用于构建节点信用评估模型。

本步骤中区块链节点信用模型包括输入层、输出层和隐藏层，输入层包括8个神经元，输出层包含1个神经元，隐藏层设计为1层，隐藏层神经元个数的确定一般靠经验法或试错法来选取，输入层中8个神经元的输入用于作为节点评估指标，分别代表网络延时时间、节点离线次数、节点离线时间、未参与上链次数、新区块上链时间、节点加入网络时间、是否提供无效区块、节点信用值，具体如下表1所示：

表1节点评估指标

上述评估指标所采用的数据均为非负数，但是因为各评估指标量纲差距大，需要对样本数据进行归一化处理，使其映射到[0,1]区间，再作为BP神经网络模型的输入。

2)交易请求发送阶段：

交易发起者C向全网广播交易，并附上发送者的签名，所有共识节点均独立监听全网的交易数据，验证交易的合法性，若合法则将交易数据缓存起来；当主节点收集到足够的交易请求或到一定的时间间隔以后，将这些交易请求打包成区块。

3)提案阶段：

主节点将新生成的区块生成提案消息并签名，消息格式为<PROPOSE,v,n,p,D(block)>σp，v为视图编号，n为区块请求的编号，p为主节点序号，需要共识的区块哈希后记为摘要D(block)；在从节点接收到提案信息后，对提案合法性进行校验，当发现非法交易、无效区块时，将这种“不诚实行为”记录到节点状态记录表，放弃本次共识并发起视图更换协议；而当从节点经过验证并确认主节点发来的提案信息正确之后，则进入确认阶段。

4)确认阶段：

从节点进入确认阶段之后，向其他从节点广播发送<CONFIRM,v,n,p,D(block),i>σi消息，i为节点自身序号，同时接收其他节点发来的确认消息，检查消息签名、摘要、视图编号是否正确等，如果都通过的话，就缓存下来，当从节点接收到超过来自2f+1不同节点的一致信息后，该节点进入确认阶段，执行此区块交易，并回复<REPLY,v,t,n,c,i,r>σi消息给客户端，其中t是时间戳，n是区块号，c是客户端，i是节点i的编号，r是节点i的回复，σi是节点i对消息的签名。

5)当客户端收到超过f+1个节点的回复消息，并且他们的回复拥有相同的时间戳t和回复r后，共识即达成，各节点执行区块上链。

上述步骤3中为了确保系统在主节点失效时依然保持活性，对原有的视图更换协议进行了改进，其具体流程描述如下：

①当从节点发现检测到超时或者主节点有错误时，向区块链系统网络内所有节点广播视图变更消息，视图更换消息格式为<VIEW-CHANGE,v+1,L,Q，i>σi，L为按照节点信用排名表选出的下一个信用值最高的节点的序号，Q存储了节点i在之前视图中所有已完成PROPOSE的请求集合信息。

②节点收到VIEW-CHANGE消息后，校验消息的签名，视图，新的主节点序号L，Q集合信息等是否合法，都合法时则向新的主节点发送<VIEW-CHANGE-ACK,v+1,i,j,d>σi，如果新的主节点收到了2f+1个VIEW-CHANGE报文，则会由其选出最近检查点，根据Q集合计算区块请求对应的序号n,最后封装到<NEW-VIEW,v+1,V,X>σp消息中去并广播，其中V包含了其他从节点发来的VIEW-CHANGE消息和相对应的VIEW-CHANGE-ACK的消息集合，X标识了所选的检查点和请求值。

③从节点收到视图v+1新主节点发来的new-view消息后，校验消息签名以及是否重复处理过该报文，重新根据V集合和X集合，为每个序号n赋值区块摘要，同时验证自己分配的结果跟主节点发送的NEWVIEW报文中的分配结果是否一致(验证消息摘要)，一致时则同步当前节点的数据状态到检查点的时间点位置，然后遍历X集合生成报文信息。

本实施例还提供一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识系统，该系统包括网络接口、存储器和处理器；其中，网络接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，实现信号的接收和发送；存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；处理器，用于在运行计算机程序指令时，执行上述共识方法的步骤。

本实施例还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有计算机程序，在处理器执行所述计算机程序时可实现以上所描述的方法。所述计算机可读介质可以被认为是有形的且非暂时性的。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器电路(例如闪存电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩膜只读存储器电路)、易失性存储器电路(例如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁存储介质(例如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)和光存储介质(例如CD、DVD或蓝光光盘)等。计算机程序包括存储在至少一个非暂时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括或依赖于存储的数据。计算机程序可以包括与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定设备交互的设备驱动程序、一个或多个操作系统、用户应用程序、后台服务、后台应用程序等。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

基于上述方案，本实施例中采用Hyperledger Fabric作为区块链框架，采用CBFT算法作为其共识算法，并将该系统与采用PBFT共识算法的Hyperledger Fabric v0.6开源框架进行比较，其具体对比结果如下：

(1)吞吐量测试

交易吞吐量是区块链网络在定义的时间内提交有效交易的速率。它以每秒交易数(transaction per second,TPS)表示，可用下式表示：TPS＝TΔtΔt

其中TΔt表示出块时间内的交易总量，Δt表示出块时间。对在模型的仿真实验分析中，考虑在单点的测量数据，区块容量大小会影响吞吐量，区块越大需要的网络带宽越大，时延相应也会增加，因此为了控制变量便于对照，将一个区块中MaxMessages项设置为20，分别测试了在4、5、6个共识节点下，CBFT共识算法与PBFT共识算法的三组对照实验。多次测试取平均值，得出统计结果，具体如图1所示。

由图1可以看出，随着节点数增加，CBFT和PBFT这两种算法的吞吐量都随之减少，但是CBFT的吞吐量更高，而且随节点数增加吞吐量减少速度比PBFT小。这是因为信用模型的采用减少了视图更换的次数，因此操作回滚等引起的通信消耗和时延减少，区块链系统的吞吐量增加。

(2)时延测试

区块链系统中的时延测试通常指的是一笔交易从提出到确认提交的时间间隔，在本实施例的性能测试中，为与PBFT的性能做对比，因此简化为共识时延测试，即区块提案广播到区块共识完成的时间，共识时延是测量共识算法运行速度的重要指标，时延越小，交易越快得到确认。其表达式为：Tdelay＝Tconform-Tpropose

其中，Tconform为区块共识完成时间，Tpropose为主节点开始广播提案时间，多次测试取平均值，得到CBFT共识算法与PBFT共识算法的共识时延对比统计结果，具体如图2所示。

由图2可以得出，因为信用模型的采用，CBFT共识算法和PBFT共识算法相比，视图更换的次数减少，因此其引起的操作回滚等引起的通信消耗和时延减少，区块链系统的时延减少。

(3)安全性分析

实验表明，CBFT共识算法在经典PBFT算法基础上减少了通信开销，增加吞吐量，减少了区块共识时延的基础上，保证了区块链这一分布式系统的一致性和安全性，并且与PBFT算法一样提供f＝n-13的容错性。

CBFT算法共识过程中若系统中拜占庭节点个数少于1/3，测试了主节点传播恶意请求或者主节点宕机的情况下，系统发生视图变更重新选择下一个信用值最大的节点，仍可以保证系统安全性和活性的前提下完成共识，而当超过1/3的情况时，则超出了系统所能承受的最大拜占庭节点数量，无法完成共识。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：通过区块链节点信用模型选出最高信用的节点当选主节点；其中，所述区块链节点信用模型是基于BP神经网络构建而成；

S2：主节点接收交易请求，并将所述交易请求打包为区块；其中，所述交易请求是交易发起者向全网广播带所述发送者的签名的数据；

S3：主节点将所述区块生成提案消息并签名后发送给从节点，其中

在从节点接收到提案信息后，对提案合法性进行校验，当校验结果为不合法，进行记录，放弃本次共识并发起视图更换协议；当校验结果为合法，则

经过验证的从节点向其他从节点广播发送节点信息，同时接收其他节点发来的确认消息，当此节点接收到设定数量的一致确认消息后，该节点进入确认阶段，执行此区块交易，并回复消息给客户端；客户端的上级节点根据客户端收到的节点回复消息情况，达成共识，各节点执行区块上链。

2.根据权利要求1所述的一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法，其特征在于，所述步骤S3中视图更换协议的具体流程为：

A)主节点向区块链系统网络内所有节点广播视图变更消息；

B)从节点收到变更消息后，校验消息是否合法，如果信息合法则向新的主节点发送报文，新的主节点为能够合法加入的节点，如果新的主节点收到了设定数量的报文，则会由其选出最近的检查点，计算区块请求对应的序号，封装广播；

C)从节点收到新主节点发来的消息后，校验消息签名以及是否重复处理过该报文，为每个序号赋值区块摘要，同时验证分配的结果跟主节点发送的报文中的分配结果是否一致，如果一致，则同步当前节点的数据状态到检查点的时间点位置，生成报文信息。

3.根据权利要求1所述的一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法，其特征在于，所述步骤S1中的区块链节点信用模型包括输入层、输出层和隐藏层，所述输入层包括8个神经元，所述输出层包含1个神经元。

4.根据权利要求3所述的一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法，其特征在于，所述输入层中8个神经元的输入用于作为节点评估指标，分别代表网络延时时间、节点离线次数、节点离线时间、未参与上链次数、新区块上链时间、节点加入网络时间、是否提供无效区块、节点信用值。

5.根据权利要求1所述的一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法，其特征在于，所述步骤S3中提案消息的格式为<PROPOSE,v,n,p,D(block)＞σp，其中v为视图编号，n为区块请求的编号，p为主节点序号，需要共识的区块哈希后记为摘要D(block)。

6.根据权利要求1所述的一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法，其特征在于，所述步骤S3中节点信息格式为<CONFIRM,v,n,p,D(block),i>σi，i为节点自身序号；给客户端的回复消息格式为<REPLY,v,t,n,c,i,r>σi，其中t是时间戳，n是区块号，c是客户端，i是节点i的编号，r是节点i的回复，σi是节点i对消息的签名。

7.根据权利要求6所述的一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法，其特征在于，所述步骤S3中达成共识的条件为客户端收到超过设定数量的节点回复消息，并且这些回复信息拥有相同的时间戳t和回复r。

8.一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识系统，其特征在于：所述系统包括网络接口、存储器和处理器；其中，

所述网络接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，实现信号的接收和发送；

所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；

所述处理器，用于在运行所述计算机程序指令时，执行权利要求1～7中任一项所述的一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法的步骤。

9.一种计算机存储介质，其特征在于：所述计算机存储介质存储有一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法的程序，所述一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法的程序被至少一个处理器执行时实现权利要求1～7中任一项所述的一种面向用电信息保护的拜占庭容错联盟链共识方法的步骤。

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