CN111724145A - 一种区块链系统分片协议的设计方法 - Google Patents

一种区块链系统分片协议的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种区块链系统分片协议的设计方法，对区块链相关结构和技术及本文使用到的技术进行了描述，并对典型的区块链系统分片协议Elastico、OmniLedger和RapidChain进行比较与分析；通过对分片方案、区块链网络、共识算法及交易处理等方面的研究，设计并实现区块链系统分片协议AcskChain，使用比特币交易数据对AcskChain进行了测试，实验表明，与典型的区块链系统分片协议相比，AcskChain在消息复杂度、吞吐量、出块延迟和存储上均有不同程度的改进。

Description

一种区块链系统分片协议的设计方法
技术领域
本发明属于密码学和数据库领域，涉及一种区块链系统分片协议的设计方法。
背景技术
区块链可以看作是一个分布式的数据库，所有的数据以区块的形式按照时间顺序串联成一个链式结构，每个加入并参与验证的节点保存着完整的区块链数据，节点之间通过共识算法对新添加的数据区块达成一致性意见。
哈希算法又称为散列算法，是将任意长度的输入数据转换为较短的固定长度的输出数据的算法，相应的输出数据被称为哈希结果或者数据摘要。哈希算法具有正向快速性、抗碰撞、不可逆的特点，使用哈希算法可以快速地计算出一个数据的哈希结果，数据的任何微小变动都会导致计算出的结果发生巨大变化，并且只知道哈希结果是无法逆推出原始数据的，因此哈希算法被广泛用于数据校验中。区块链系统中常用的哈希算法是SHA256。
数字签名技术是利用非对称加密算法对数据进行电子签名的技术，签名者使用持有的私钥对数据进行签名，持有对应公钥的人则可以验证数据的有效性、合法性，以比特币为代表的区块链系统主要使用的是ECDSA签名算法。
Boneh等人提出可验证延迟函数(VerifiableDelayFunctions，VDF)，用来解决生成随机结果的公开数据源被恶意操纵的问题。
P2P网络架构中的参与者既是客户端也是服务器，参与者之间可以互相进行资源分享，避免了服务器的转发流程，使得整个网络的运行无需中心化的管理机构。
为了获得系统给予的奖励，区块链网络中的每个节点都试图向链上添加区块，然而如果每个节点都添加区块，那么一笔交易可能被包含在多个区块中，同时每个节点添加的区块也不完全相同，造成节点之间维护的区块链数据不一致，最终导致整个系统失效。为了解决这个问题，区块链系统使用各种共识算法使得网络中互不信任的节点一起工作，并对添加到链上的数据达成一致性意见。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种区块链系统分片协议的设计方法，在探究基于分片技术的区块链系统的实现原理与实现机制的基础之上，通过对分片方案、区块链网络、共识算法及交易处理等方面的研究，设计并实现高效的区块链系统分片协议。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种区块链系统分片协议的设计方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
1)设计AcskChain分片方案，并对传统网络分片方法进行改进；
2)实现交易的定向传播的ShardKad协议，并提出节点信誉度计算方法和基于节点信誉度与延迟的节点列表更新策略；
3)使用CBFT算法，降低共识过程中的消息复杂度并减少共识所需时间；
4)将保证交易提交原子性的三阶段提交协议与CBFT算法相结合，对Atomit进行了性能分析。
而且，所述步骤1)的具体步骤为：基于VDF与VRF的网络分片方法，使用算力资源限制恶意节点的加入，采用具有更多优势的基于账户的交易分片与状态分片方法。
而且，所述步骤2)提出节点信誉度计算方法和基于节点信誉度与延迟的节点列表更新策略，具体步骤为：使用256位的公钥作为节点ID，从右向左截取节点ID可以用来表示委员会数量的最少有效位数长的id映射某一委员会，从而在节点列表中构造一个委员会桶用来保存某一委员会内的节点；同时，在节点列表的其他编号桶中依据节点id的异或结果的最高不同位将节点保存到桶中；此外，构造一个额外的所属委员会桶，用来保存节点同一委员会内的其他节点；通过节点行为计算节点信誉度，并使用节点信誉度判断该节点是否是恶意节点，采用直接信誉度、间接信誉度以及群组信誉度三种度量标准进行节点信誉度的计算。
而且，所述步骤3)使用CBFT算法，降低共识过程中的消息复杂度并减少共识所需时间，具体步骤为：节点使用节点信誉度和延迟更新节点列表，输入节点的ID，节点的综合时期信誉度sRep，节点之间的延迟d，当前的时期信誉度阈值h，桶的容量k，更新前的节点列表dht，通过该算法输出更新后的节点列表dht。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明对区块链相关结构和技术及本文使用到的技术进行了描述，并对典型的区块链系统分片协议Elastico、OmniLedger和RapidChain进行了比较与分析；通过对分片方案、区块链网络、共识算法及交易处理等方面的研究，设计并实现了区块链系统分片协议AcskChain，使用比特币交易数据对AcskChain进行了测试，实验表明，与典型的区块链系统分片协议相比，AcskChain在消息复杂度、吞吐量、出块延迟和存储上均有不同程度的改进。
附图说明
图1为AcskChain的系统架构图；
图2为cskChain的运行流程图；
图3为三阶段提交协议图；
图4为Atomit询问阶段图；
图5为Atomit锁定阶段图；
图6为Atomit提交阶段图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明设计并实现区块链系统分片协议AcskChain，图1为AcskChain系统架构图，图2为AcskChain的运行流程图，设计步骤包括：
步骤S0101：获取系统随机数后计算VDF参数，使用自身公钥作为参数执行VDF和VRF，如果当前时间未超过系统的限制时间，将结果广播给其他节点。
步骤S0102：获取系统随机数然后初始化VDF参数、节点集合和委员会集合，在系统限制时间内接收其他节点的广播消息，接收其他节点的计算结果。然后判断节点是否注册过并验证节点的计算结果，若验证通过，将其加入到节点集合中。接着将节点集合按照result2从小到大排序，最后将节点划分到不同的委员会内。
步骤S0201：直接信誉度由节点之间直接的交互行为计算得到，计算公式为：
Figure BDA0002506709950000031
其中：ai,j表示节点i与节点j的成功交互系数；
βi,j表示节点i与节点j的失败交互系数；
Db表示直接信誉度基数。
成功交互时αi,j＝αi,j+1；
失败交互时，若节点在一段可接受的延迟内回复，则βi,j＝βi,j+1，若节点长时间之后回复甚至不回复，则βi,j＝βi,j+3。
步骤S0202：间接信誉度由两个节点通过中间节点计算得到，计算公式为：
Figure BDA0002506709950000041
其中：节点k是节点i和节点j的共同的中间节点；
φ表示间接信誉度系数。
步骤S0203：群组信誉度由群组对外的交互行为计算得到，计算公式为：
Figure BDA0002506709950000042
其中：μi表示Ci的正确出块次数；
μj表示Cj的正确出块次数；
ωj表示Cj的错误出块次数；
Gb表示群组信誉度基数。
步骤S0204：节点内部信誉度由委员会内其余节点对其共识行为的信誉度评分计算得到，计算公式为：
Figure BDA0002506709950000043
Figure BDA0002506709950000044
其中：gi是节点i的一个时期的内部信誉度计算函数；
gj,i表示节点j在当前时期内以gb为基础值经过多次共识投票后得到的对节点i的内部信誉度评估值；
tRepi,t是节点i在时期t的时期信誉度的计算函数。
步骤S0205：如果单纯使用一个时期的节点的时期信誉度，则恶意节点可能会交替性的在每个时期执行诚实行为或恶意行为，为此需要设置时期窗口值Δt，通过综合计算几个时期内的时期信誉度对节点进行评价；考虑到距离当前越近的时期的时期信誉度越能代表节点当前的状态，引入时间衰减函数进行综合时期信誉度计算，计算公式为：
Figure BDA0002506709950000045
Figure BDA0002506709950000051
sRepi是节点i的综合时期信誉度计算函数；
λ表示调整综合时期信誉度相对大小的系统参数；
tnow表示当前时期；
Δt表示计算综合时期信誉度所需的时期数，第一个时期的编号为1。
repi,j是节点i对节点j进行节点信誉度评估的计算函数；
dRepi,j表示节点i对节点j的直接信誉度评估；
sRepj表示节点j的综合时期信誉度评估；
iRepi,j表示节点i对节点j的间接信誉度评估；
λ1和λ2表示节点信誉度计算系数。
步骤S0301：协作拜占庭容错算法计算某节点的得分，获取节点最少有效位数长的id，然后找到该节点对应的桶。如果该节点已经在桶中，判断节点得分是否为0，若为0，说明该节点行为不好，将其从桶中去除掉，若不为0，更新该节点得分。如果该节点不在桶中，判断节点得分是否为0，若为0，不使用其更新节点列表，若不为0且桶不满，直接将节点加入进去，若不为0且桶满，找到桶中得分最小的节点，保留这两个节点中得分较高的一个。
步骤S0401：三阶段提交协议描述了委员会间的跨片交易处理流程，CBFT算法描述了委员会内的共识流程，本发明将三阶段提交协议与CBFT算法相结合，提出交易处理模型Atomit，既保证了交易提交的原子性，又减轻了委员会内交易处理节点的压力，有助于整个系统可扩展性的提升；三阶段提交协议的处理流程如图3所示，分为询问阶段、锁定阶段和提交阶段三个阶段；图4至图6描述了使用Atomit处理一笔跨片交易的完整流程，每个委员会内包含一个领导者、一个协作者以及若干普通节点，一笔跨片交易涉及到一个处理委员会及若干个输入委员会。
在基于分片技术的区块链可扩展性研究中，本发明通过实验与对比论证了AcskChain的优越性。通过实验效果可知，与几种典型的分片协议对比，AcskChain在消息复杂度、吞吐量、出块延迟和存储上均有着不同程度的改进。
在基于分片技术的区块链可扩展性研究的实验中，首先通过网络分片对比实验表明了基于VDF与VRF的网络分片方法具有更强的公平性和稳定性。实验时使用ECDSA算法的公钥生成各个节点的ID作为分片实验的一个参数，主要记录每次实验时节点的最短耗时及最长耗时，并计算出节点的平均耗时，最后通过耗时方差比较两种网络分片方法的稳定性。
随后通过交易传播对比实验表明了ShardKad协议在交易传播上具有更低的网络开销和时间开销。整个网络中共8192个节点，分为512个委员会，每个委员会包含16个节点。每个节点使用ECDSA算法生成的公钥作为节点ID，为模拟稳定的网络延迟，使用节点ID的前7位异或结果作为节点间的通信延迟，因此延迟范围在0到127ms。节点在收到交易后选择α个节点发送交易，每次实验发送10000笔交易，最后对实验结果取均值。
接下来通过节点列表优化实验验证了节点列表优化策略对交易传播成功率和交易传播速度的改善效果。其中直接信誉度基数DT＝100，间接信誉度计算系数φ＝1，委员会内部信誉度基数gT＝100，群组信誉度基GT＝512，节点信誉度计算系数λ1＝0.5、λ2＝0.5，综合时期信誉度阈值h为所有节点的综合时期信誉度阈值的1/4位置处的节点的综合时期信誉度，即有3/4的节点综合时期信誉度不小于h。恶意节点和崩溃节点平均分配到每个委员会内，恶意节点和崩溃节点在总节点数中的占比分别依次设置为33％、25％和20％。
最后对AcskChain的性能进行了测试，表明了AcskChain的优秀性能。本实验使用系统吞吐量和平均出块延迟进行系统性能评价。吞吐量代表了区块链系统处理交易的能力，通过统计一段时间内系统处理的交易数量，就可以计算出区块链系统的吞吐量。从一个区块被确认，到其之后的区块被确认，中间经过的延迟时间就是出块延迟，通过统计一段时间内系统的出块数量，就可以计算出平均出块延迟。系统吞吐量的计算公式为：
Figure BDA0002506709950000061
其中：ti表示监测的起始时间；
tj表示监测的终止时间；
Count(Txin(ti,tj))表示从ti到tj这段时间内系统处理的交易数量。
平均出块延迟的计算公式为：
Figure BDA0002506709950000062
其中：ti表示监测的起始时间；
tj表示监测的终止时间；
Count(Blockin(ti,tj))表示从ti到tj这段时间内系统的出块数量。
表1展示了AcskChain和几个典型分片协议的对比结果，其中u是委员会节点数，b是子区块大小，n是节点总数，观察表中数据可以看出：在消息复杂度上，Elastico和Omniledger使用Gossip协议，因此复杂度最高；RapidChain使用同步拜占庭共识算法和Kademlia协议，因此复杂度较低；AcksChain使用线性的CBFT算法和ShardKad协议，因此复杂度最低。在吞吐量和延迟上，Elastico由于使用了非全连接的PBFT算法，因而其共识所需时间较长，导致较低的吞吐量和较高的出块延迟；Omniledge使用了“信任但验证”机制，小额交易可以在较低延迟内确认，而大额交易只能在一个高延迟时间后确认，最终吞吐量较低RapidChain使用了同步共识，因此具有较高的吞吐量和较低的出块延迟；由于使用基于账户的交易分片方法，因而AcskChai的跨片交易相对较少，并且因为AcskChai使用了线性CBFT算法，所以相比之下具有最高的吞吐量和最低的出块延迟。在存储上，Elastico未实现状态分片，因此性能最差，Omniledger、RapidChain和AcskChain实现了状态分片，因此存储性能较优，而RapidChain由于进行跨片交易拆分，因而其实际存储消耗大于理论存储消耗。
表1分片协议对比表
Figure BDA0002506709950000071
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (4)

1.一种区块链系统分片协议的设计方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
1)设计AcskChain分片方案，并对传统网络分片方法进行改进；
2)实现交易的定向传播的ShardKad协议，并提出节点信誉度计算方法和基于节点信誉度与延迟的节点列表更新策略；
3)使用CBFT算法，降低共识过程中的消息复杂度并减少共识所需时间；
4)将保证交易提交原子性的三阶段提交协议与CBFT算法相结合，对Atomit进行了性能分析。
2.根据权利要求1所述的区块链系统分片协议的设计方法，其特征在于：所述步骤1)的具体步骤为：基于VDF与VRF的网络分片方法，使用算力资源限制恶意节点的加入，采用具有更多优势的基于账户的交易分片与状态分片方法。
3.根据权利要求1所述的区块链系统分片协议的设计方法，其特征在于：所述步骤2)提出节点信誉度计算方法和基于节点信誉度与延迟的节点列表更新策略，具体步骤为：使用256位的公钥作为节点ID，从右向左截取节点ID可以用来表示委员会数量的最少有效位数长的id映射某一委员会，从而在节点列表中构造一个委员会桶用来保存某一委员会内的节点；同时，在节点列表的其他编号桶中依据节点id的异或结果的最高不同位将节点保存到桶中；此外，构造一个额外的所属委员会桶，用来保存节点同一委员会内的其他节点；通过节点行为计算节点信誉度，并使用节点信誉度判断该节点是否是恶意节点，采用直接信誉度、间接信誉度以及群组信誉度三种度量标准进行节点信誉度的计算。
4.根据权利要求1所述的区块链系统分片协议的设计方法，其特征在于：所述步骤3)使用CBFT算法，降低共识过程中的消息复杂度并减少共识所需时间，具体步骤为：节点使用节点信誉度和延迟更新节点列表，输入节点的ID，节点的综合时期信誉度sRep，节点之间的延迟d，当前的时期信誉度阈值h，桶的容量k，更新前的节点列表dht，通过该算法输出更新后的节点列表dht。
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