CN111614468A - 一种区块链共识方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种区块链共识方法及系统，采用双重拜占庭容错算法达成共识机制，参与区块链的任一节点均有权创建一条请求信息，并提交相应的数字协议，然后向其所在私链广播该请求信息，其所处私链中的验证节点基于拜占庭容错算法对该请求信息进行验证，达成共识后将请求信息提交给公链，然后基于随机算法从不同私链中任意选取相应参与节点作为第二层验证节点，组成随机区块网络，对请求信息进行二次验证，若二次验证基于拜占庭容错算法达成共识，则请求被认证。任一验证无法达成共识则请求被驳回，请求信息及数字协议被清除。采用本发明的共识算法即克服了PoW算法计算量大，处理速度慢的缺点，又克服了普通拜占庭容错算法安全边界偏低的缺陷。

Description

一种区块链共识方法及系统

技术领域

本申请涉及区块链技术领域，具体涉及一种区块链共识方法及系统。

背景技术

起源于比特币的区块链技术是分布式数据存储、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，其本质是一种去中心化的数据库，具有不可篡改、全程留痕可追溯、集体维护、公开透明等特点，其丰富的应用场景主要是基于区块链能够解决信息不对称问题，实现多个主体之间的协作信任与一致行动。因此，共识机制是区块链技术的核心。比特币采用PoW(Proof of work)共识算法，参与网络的每一节点均进行工作量计算，并广播和接收全网信息，当共识达成后产生新的区块，并写入信息。PoW的容错性是50％，也就是说只要超过一半的节点是诚实的，就可以保证区块链数据的有效性。但是，PoW算法存在出块慢、吞吐量小及耗电量大等局限。基于此，PoS、BFT等共识算法被提出，用于提高区块链的计算效率。已授权专利CN201610901226.8公开了一种区块链的分组共识方法及系统，其通过指定的交易验证节点及交易打包节点对网络中的交易信息进行验证和封装，避免了PoW算法中所有节点均需参与工作量验证，克服了区块链处理速度慢的缺点。然而，其无法保证其委托的信赖节点不会被攻击或是签名后的广播信息不会被篡改，导致区块链网络陷入拜占庭问题，从而失效或是给出错误的信息。另一已授权专利CN201610752879.4公开了一种应用于区块链的拜占庭容错共识算法，来节省计算资源，避免算力竞争。并且为了克服授权节点发生叛变的问题，其通过不断更新本地共识节点列表的方式保证共识机制的可靠性。然而，其采用普通的拜占庭容错算法，其天然特性导致其安全边界为恶意节点不超过1/3，远低于PoW算法的1/2。当恶意节点数较大时仍存在失效风险。

发明内容

基于现有技术存在的以上问题，本申请提出了一种区块链共识方法及系统，以解决现有技术中存在的缺陷。本发明采用双重拜占庭容错算法达成共识机制，具体通过以下技术方案实现：

一种区块链共识方法，其特征在于，采用双重拜占庭容错算法达成共识机制，所述区块链包括私链和公链，任一参与节点均可在区块链中创建一条请求信息，并提交相应的数字协议，然后向其所在私链广播该请求信息，所在私链的验证节点对该请求信息进行验证，如验证其数字签名是否合法，及操作是否合法，若该请求信息基于拜占庭容错算法无法达成共识，该请求被驳回，请求信息及数字协议被清除；若该请求信息基于拜占庭容错算法达成共识，则被进一步提交到公链，基于随机算法从不同私链中任意选取相应参与节点作为第二层验证节点，组成随机区块网络，对请求信息进行二次验证，二次验证同样对请求信息的数字签名及操作的合法性进行验证，并验证一次验证结果的一致性。若二次验证基于拜占庭容错算法无法达成共识，则请求被驳回，请求信息及数字协议被清除；若二次验证基于拜占庭容错算法达成共识，则请求被认证；

优选的，所述区块链共识方法，当二次验证结果与私链验证节点验证结果不一致时，对冲突信息进行记录，并对相应私链验证节点进行监视，当下一验证周期二次验证结果与相应私链验证节点验证结果不一致时，对相应私链中给出冲突结果的验证节点进行更新替换，确保参与验证的私链验证节点存在风险时被及时更新；

所述区块链共识方法的失效风险为：

其中，N和N’分别为私链和公链网络总节点数，A和A’分别为私链和公链网络遭受攻击节点数，A_c和A_c’分别为私链和公链网络未被攻破节点数，A_F和A_F’分别为私链和公链网络已被攻破节点数，C和C’分别为私链和公链网络安全节点数，其中A＝A_c+A_F，

为紧密系数，R_pi、R_ri分别为私链节点与发出请求的参与节点间的地域相关系数、关系相关系数取值范围为0至1，数值越大相关性越强。紧密系数反映了私链参与节点与发出请求信息节点的紧密关系，地域信息越接近、与请求信息的相关性越强，参与节点越可能与发出请求节点熟识或存在利益关系，也越有可能给出不客观的验证信息。

另外，本发明还提供一种采以上所述共识方法的区块链系统，其特征在于，所述系统包括私链和公链，智能管理器和执行器，所述数字协议包含预先设定的执行程序，当所述请求信息基于权利要求1-3任一所述方法被认证后，由智能管理器读取数字协议，调用相应执行程序，使执行器完成协议内容，并将请求信息及数字协议内容向全网进行广播，所有参与节点接收相应信息，并对自身区块信息进行更新；

优选的，所述系统中执行器只有当智能管理器对其完成认证后才参与到区块链网络中，其余情况下保持断开状态，以避免恶意进攻直接对执行器进行攻击；

优选的，所述系统中参与节点对自身区块信息进行更新时将前一区块链状态信息哈希值封装于当前区块前端，以保证数据的完整性和可追溯性；

优选的，所述系统中哈希值采用SH256算法或SH512算法获得；

优选的，所述系统中执行器为物联网终端设备、智能存储器或其他可执行设备。

这里二次验证节点组成的随机区块网络与私链具有相似的结构和性质，但这些二次验证节点随机选自不同的私链用户组。因此，整个验证过程一次验证为私链用户组内达成共识，二次验证为私链用户组外部随机选取节点达成共识。传统区块链网络通过超过攻击者容量来提高安全等级，也即总节点数越多，安全性越高。如此势必带来安全性与运算效率的冲突。而随机区块网络与传统区块链网络相比其通过增加网络混淆容量来提高安全性，很好的解决了以上冲突问题。本申请提出的双重拜占庭容错共识决策算法相比传统的PoW算法可大大降低网络的运算量，提高网络运行效率，降低交易成本。同时本申请算法基于随机算法从不同私链中选取参与节点作为二层验证节点构成随机区块网络进行二次验证，提高网络的安全边界，克服了传统拜占庭容错算法安全边界低、失效率高的缺陷。

本发明的有益效果如下：

1、节省计算资源。

2、交易延时低，吞吐量高，使区块链网络更加高效。

3、改善了普通拜占庭算法安全边界低的缺陷，提高了网络安全性。

4、在保证良好运行可靠性及运行速率的基础上较传统拜占庭容错算法拓宽了参与节点个数的范围，提供了更好的可扩展性。

附图说明

图1-双重拜占庭容错算法逻辑流程图。

图2-采用双重拜占庭容错算法的随机区块链系统。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

采用双重拜占庭容错共识决策算法的区块链网络结构如图2所示，其工作原理如图1所示。首先，该区块链网络通过双重拜占庭算法达成共识后，由智能管理器调用执行器执数字协议中预先设定的指令。如此可避免PoW算法全网节点参与验证计算，导致成本高、效率低的缺陷。其次，在二次验证时，通过随机算法在不同私链中选取二次验证节点构成随机区块网络，降低验证节点间恶意串通或被攻击而给出错误判断的风险，大大提高了网络系统的安全性和可靠性。

实施例1：

首先，当任一参与节点提交一笔请求信息时，信息被传递到区块链网络，并产生一个新的区块，新区块包含请求信息及数字协议，其中请求信息包含具体的交易内容，如A支付一定的货币给B。相应的数字协议包含交易被认证后参与交易者应执行的操作，如确认A付款给B后，由B向A提供相应商品或作出相应反馈。请求信息在所在私链中进行广播，由验证节点对请求信息进行验证，验证发出请求信息的数字签名是否来自合法的参与节点。进而验证请求操作的合法性。若基于拜占庭容错算法验证节点无法达成共识，则请求信息被驳回，新区块被删除，一个运算周期结束。

实施例2：

首先，采用与实施例1相同的程序发起交易，若基于拜占庭容错算法私链验证节点达成共识，则请求信息通过初步验证，此时验证结果的安全边界为不超过33％的节点遭到攻击或存在恶意串通则验证结果可靠。如网络中存在N个恶意节点，则总节点数大于等于3N+1时才能保证结果的可靠性。为了提高网络的安全性和可靠性，在请求信息通过初步验证后，被提交到公链，基于随机算法在不同私链中选取二次验证节点，组成随机区块网络对请求信息进行二次验证。二次验证时再次验证请求信息数字签名及操作的合法性，以及对一次验证结果的一致性进行验证。若基于拜占庭容错算法二次验证无法达成共识，则请求信息被驳回，新区块被删除。一个运算周期结束。同时，由于二次验证节点基于随机算法在不同私链中选取，因此，二次验证结论的客观性及可靠度较高。当两次验证结果发生冲突时，由于初次验证节点处于同一私链中，地域临近为恶意串通提供可能，同时节点基数少，选中被恶意攻破的节点的概率相对较高，所以初次验证结果错误的概率更高。因此，网络对冲突信息进行记录，并对验证节点的行为进行监视，当下一验证周期初次验证结果再次与二次验证结果发生冲突时，则对私链中给出冲突结果的验证节点进行更新，避免验证节点已被成功攻破的现象发生。

实施例3：

首先，采用与实施例1相同的程序发起交易，若基于拜占庭容错算法私链验证节点达成共识，则请求信息通过初步验证，此时验证结果的安全边界为不超过33％的节点遭到攻击或存在恶意串通则验证结果可靠。如网络中存在N个恶意节点，则总节点数大于等于3N+1时才能保证结果的可靠性。为了提高网络的安全性和可靠性，在请求信息通过初步验证后，被提交到公链，基于随机算法在不同私链中选取二次验证节点，组成随机区块网络对请求信息进行二次验证。若基于拜占庭容错算法二次验证同样达成共识，则交易被认证。智能管理器检查请求信息是否被验证节点验证并达成共识。确认请求信息被验证并达成共识后，智能管理器调用执行器，执行数字协议中预设的指令。新区块被纳入区块链，并将相应信息向全网进行广播，全网节点接收信息，并进行数据更新。全网节点进行数据更新时采用SH256或SH512算法将前一区块链状态信息哈希值封装于当前区块前端，以保证数据的完整性和可追溯性。

来自网络的恶意进攻可能来自两个途径，其一是冒充或篡改相应节点信息，伪造数字签名；其二是直接对终端设备发起进攻。因此，对应恶意进攻的两种途径，这里智能管理器主要有两方面职责：一、确认请求信息是否经验证节点验证并达成共识。因为，如果恶意用户攻击并篡改请求信息，导致未被验证的指令传递给执行器，执行器将会基于错误条件执行命令，导致错误交易的出现。因此，智能管理器在确认验证节点对请求信息进行验证并达成共识后才调用执行器执行数字协议。二、智能管理器确保执行器只被智能管理器调用，即执行器的运行需经智能管理器授权，在其余条件下断开执行器的连接或是阻止直接发送到执行器的指令。

基于双重拜占庭容错共识决策算法进行交易认证的失效风险为：

其中，N和N’分别为私链和公链网络总节点数，A和A’分别为私链和公链网络遭受攻击节点数，A_c和A_c’分别为私链和公链网络未被攻破节点数，A_F和A_F’分别为私链和公链网络已被攻破节点数，C和C’分别为私链和公链网络安全节点数，其中A＝A_c+A_F，

为紧密系数，R_pi、R_ri分别为私链节点与发出请求的参与节点间的地域相关系数、关系相关系数取值范围为0至1，数值越大相关性越强。紧密系数反映了私链参与节点与发出请求信息节点的紧密关系，地域信息越接近、与请求信息的相关性越强，参与节点越可能与发出请求节点熟识或存在利益关系，也越有可能给出不客观的验证信息。

成功率S＝1-f_d，我们模拟计算了不同参与节点及不同恶意节点的网络条件下验证失效的概率，以下表1给出了不同网络参数下进行验证的计算结果。

表1不同网络参数下成功率模拟结果

A<sub>C</sub>	N＝100，A＝20	N＝500，A＝20
			3	89.895％	98.798％
6	95.364％	99.245％
			9	98.251	99.753％

在进行区块链网络搭建时可根据相应计算确定适当的网络结构以满足网络安全性的要求。

对比例1：

单层普通拜占庭容错共识决策算法具体实施方式。采用普通拜占庭容错共识决策算法的区块链网络结构如图2中私链区块所示。首先，当任一参与节点提交一笔请求信息时，信息被传递到区块链网络，并产生一个新的区块，新区块包含请求信息及数字协议，其中请求信息在所在私链中进行广播，由验证节点对请求信息数字签名及操作合法性进行验证。若基于拜占庭容错算法验证节点无法达成共识，则请求信息被驳回，新区块被删除；一个运算周期结束。若基于拜占庭容错算法验证节点达成共识，则请求信息通过验证。智能管理器检查请求信息是否被验证节点验证并达成共识。确认请求信息被验证并达成共识后，智能管理器调用执行器，执行数字协议中预设的指令。新区块被纳入区块链，全网节点进行数据更新。全网节点进行数据更新时采用SH256或SH512算法将前一区块链状态信息哈希值封装于当前区块前端，以保证数据的完整性和可追溯性。

此处，拜占庭容错算法的验证过程的极限情况为全网节点参与投票，但恶意节点会给出错误信息，善意节点投票具有随机性。因此，假定总节点数为M，恶意节点数为E，善意节点数为N，则M＝E+N。设定验证阀值为X，满足正确验证的标准为X<N，且X>N/2+E。为了满足X在数值范围内有取值空间，联立以上方程式可以得出E<1/3P。即受限于普通拜占庭容错算法的固有性质，验证结果的安全边界为33％的节点遭到攻击或存在恶意串通。如网络中存在E个恶意节点，则总节点数大于等于3E+1时才能保证结果的可靠性。

应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本申请所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请所述的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种区块链共识方法，其特征在于，采用双重拜占庭容错算法达成共识机制，所述区块链包括私链和公链，任一参与节点均可在区块链中创建一条请求信息，并提交相应的数字协议，然后向其所在私链广播该请求信息，所在私链的验证节点对该请求信息进行验证，若该请求信息基于拜占庭容错算法无法达成共识，该请求被驳回，请求信息及数字协议被清除；若该请求信息基于拜占庭容错算法达成共识，则被进一步提交到公链，基于随机算法从不同私链中任意选取相应参与节点作为第二层验证节点，组成随机区块网络，对请求信息进行二次验证，若二次验证基于拜占庭容错算法无法达成共识，则请求被驳回，请求信息及数字协议被清除；若二次验证基于拜占庭容错算法达成共识，则请求被认证。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当二次验证结果与私链验证节点验证结果不一致时，对冲突信息进行记录，并对相应私链验证节点进行监视，当下一验证周期二次验证结果与相应私链验证节点验证结果不一致时，对相应私链中给出冲突结果的验证节点进行更新替换，确保参与验证的私链验证节点存在风险时被及时更新。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法的失效风险为：

其中，N和N’分别为私链和公链网络总节点数，A和A’分别为私链和公链网络遭受攻击节点数，A_c和A_c’分别为私链和公链网络未被攻破节点数，A_F和A_F’分别为私链和公链网络已被攻破节点数，C和C’分别为私链和公链网络安全节点数，其中A＝A_c+A_F，A’＝A_c’+A_F’

为紧密系数，R_pi、R_ri分别为私链节点与发出请求的参与节点间的地域相关系数、关系相关系数取值范围为0至1，数值越大相关性越强。

4.一种采用权利要求1-3任一所述共识方法的区块链系统，其特征在于，所述系统包括私链和公链，智能管理器和执行器，所述数字协议包含预先设定的执行程序，当所述请求信息基于权利要求1-3任一所述方法被认证后，由智能管理器读取数字协议，调用相应执行程序，使执行器完成协议内容，并将请求信息及数字协议内容向全网进行广播，所有参与节点接收相应信息，并对自身区块信息进行更新。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述执行器只有当智能管理器对其完成认证后才参与到区块链网络中，其余情况下保持断开状态，以避免恶意进攻直接对执行器进行攻击。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述参与节点对自身区块信息进行更新时将前一区块链状态信息哈希值封装于当前区块前端，以保证数据的完整性和可追溯性。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述哈希值采用SH256算法或SH512算法获得。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述执行器为物联网终端设备、智能存储器或其他可执行设备。

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