CN112019380A - 一种基于权益激励的结合Raft和PBFT算法的区块链共识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及区块链共识方法，具体是一种基于权益激励的结合Raft和PBFT算法的区块链共识方法。本发明结合PBFT算法和Raft算法和IRaft算法之后，能有效综合PBFT算法中对作恶节点的鲁棒性和Raft算法对通信质量的容错性，同时也能有效结合了基于权益激励的Raft算法来确定最佳首次领导者，因此能有效地改变Raft算法的效率，使其首次确定领导者的过程中能够更加高效可靠，同时结合这三种方法的有效性能够更加全面的判断区块链是否达成共识。本发明主要结合PBFT算法和Raft算法来完成区块链共识，并结合权益激励机制来加强区块链的共识过程。

Description

一种基于权益激励的结合Raft和PBFT算法的区块链共识方法

技术领域

本发明涉及区块链共识方法，具体是一种基于权益激励的结合Raft和PBFT算法的区块链共识方法。

背景技术

共识机制广泛应用在区块链共识算法研究中，一类方法为通过依据工作量证明进行交易验证和投票，另一类方法为依据共识算法达成大部分的共识。通过以上方法，使得区块链在交易的时候无需信任，也无需中心化的中介做担保。比特币采用工作量证明方法来对参与的节点进行奖励。同时不同的区块链共识算法优缺点不同，其中PBFT算法主要适用于拥有作恶节点的情况，但是需要通信可靠，因此适用范围较窄。同时Raft算法特有的重传机制使其能应该通信错误的情形，同时结合PBFT算法解决恶节点的问题。

1、工作量证明：工作量证明通过不停计算满足下式的比特币：F(Nonce)<Target，其中Nonce是随机元素，Target是目标比特币，找到一个满足要求的Nonce，则为挖到一个区块链，此时需记入区块链。

2、PBFT算法：PBFT(拜占庭容错)：基于拜占庭将军问题，一致性的确保主要分为这三个阶段：预准备(pre-prepare)、准备(prepare)和确认(commit)。PBFT算法在拥有坏节点的分布式系统中，也能达成共识，而Raft算法主要适用于封闭式的无坏节点的分布式系统。

3、Raft算法示意如图1。

发明内容

本发明主要结合PBFT算法和Raft算法来完成区块链共识，并结合权益激励机制来加强区块链的共识过程。

一种基于权益激励的结合Raft和PBFT算法的区块链共识方法，其特征是包括如下步骤：

步骤S1、进行拜占庭容错PBFT；拜占庭容错算法主要应用于低延迟存储系统设计，其通过将一个副本作为主节点，其他副本作为备份节点，用户向主节点发送服务操作请求，主节点将请求广播给其他副本；所有副本执行请求后将结果返回至用户端，用户端需要等待一定数量的用户节点返回相同结果后作为最终的结果；其包括预准备阶段、准备阶段和确认阶段；预准备阶段完成主节点信息的发送和分发，准备阶段完成信息的校验，确认阶段完成一致性，信息的确认；其计算效率依赖于参与协议的节点数量，不适用于节点数量过大的区块链系统，扩展性差；系统节点是固定的，无法应对公有链的开放环境，只适用于联盟链或私有链环境；PBFT算法要求总节点数n>＝3f+1，其中，f代表作恶节点数；系统的失效节点数量不得超过全网节点的1/3，容错率相对较低；

步骤S2、Raft：Raft为用于管理日志一致性的协议，基于此协议，将系统中的角色分为领导者、跟从者和候选者；领导者接受客户端的请求，并向跟从者同步请求日志，当日志同步到大多数节点上后，提醒跟随者提交日志；Raft特有的机制对通信质量提供了更好的保证；

步骤S3、IRaft中文描述：Raft算法采用谁获得最多的票数作为判断是否为领导者的依据，但最先获得最多票数的节点未必为最优领导者的选择，还应该结合工作量的判定作为选举领导者的依据；Iraft算法有效结合了工作量的判定作为选举领导者的依据；

步骤S4、结合PBFT算法和Raft算法和IRaft算法的各自的优点，能够有效且准确的达成共识；

结合PBFT算法和Raft算法和IRaft算法之后，能有效综合PBFT算法中对作恶节点的鲁棒性和Raft算法对通信质量的容错性，同时也能有效结合了基于权益激励的Raft算法来确定最佳首次领导者，因此能有效地改变Raft算法的效率，使其首次确定领导者的过程中能够更加高效可靠，同时结合这三种方法的有效性能够更加全面的判断区块链是否达成共识；

步骤S4.1当S2和S3和S1中的日志达成一致之后，则可以确定达成了共识。

所述步骤S1具体包括如下步骤：

步骤S1S1.1计算每个参与者的工作量。F(Nonce)<Target，其中Nonce是随机元素，Target是目标比特币，找到一个满足要求的Nonce，则为挖到一个区块链，此时需记入区块链；随机产生随机元素Nonce，产生区块链；

步骤S1S1.2收到pre-pre消息，是否接受此消息，只要本机不存在宕机，则均接受；

步骤S1S1.3向其他节点发送pre消息；

步骤S1S1.4判断每个节点是否疏导2f个不同副本的pre消息，若为是则向其他节点进行广播，若否，则继续向其他节点发送pre消息，f为可容忍的拜占庭节点数；

步骤S1S1.5如果一个节点收到2f+1个广播消息，则达成共识，执行请求；否则转到S1.2。

所述步骤S2具体包括如下步骤：

S2.1客户端发送消息开始投票领导者；

S2.2开始投票，每个节点决定rand<1/2作为判断，决定是否将自身所携带的票投给其余节点，也可以投给自己节点，若rand<1/2成立则投给自身，否则投给随机产生的随机节点的整数编号；最快达到1/2票数的节点则确定为领导节点，是否产生领导者，若否，则继续投票；

S2.3选择出领导者之后，则进行向追随者进行发送消息；

S2.4向其余节点复制日志。每次向所有节点分发日志；

S2.4.1领导者将客户端的请求命令作为一条新的条目写入日志；

S2.4.2追随者将收到领导者消息后，将该条目记录到日志并返回回应给领导者；

S2.4.3当该条日志被安全的备份即领导者收到了半数以上的机器回应该条目已记录，则可认为该条目是有效的；

S2.5判断是否达到时间的轮换片，若达到，则继续判断日志是否一致，若否，则继续投票产生领导者。

所述步骤S3具体包括如下步骤：

步骤S3.1计算每个参与者的工作量；F(Nonce)<Target，其中Nonce是随机元素，Target是目标比特币，找到一个满足要求的Nonce，则为挖到一个区块链，此时需记入区块链。随机产生随机元素Nonce，产生区块链；

步骤S3.2将参与节点的工作量标准化之后，

u₁为第一个节点的工作量，标准化共识为：

计算得计算节点的工作量权重；

步骤S3.3对参与节点的工作量权重进行排序，

步骤S3.4选择拥有最大工作量权重的节点为首次领导者；

步骤S3.5向追随者发送消息；

步骤S3.6向其余节点复制日志；每次向所有节点分发日志；

步骤S3.6.1领导者将客户端的请求命令作为一条新的条目写入日志；

步骤S3.6.2追随者将收到领导者消息后，将该条目记录到日志并返回回应给领导者；

步骤S3.6.3当该条日志被安全的备份即领导者收到了半数以上的机器回应该条目已记录，则可认为该条目是有效的；

步骤S3.7判断是否达到时间的轮换片，若达到，则继续判断日志是否一致，若否，则继续投票产生领导者。

本发明创造的有益效果如下：

1、本发明解决了PBFT共识算法对通信错误的无法应对的问题，提高了PBFT算法的鲁棒性。结合Raft共识算法，使得PBFT算法即便在通信出现错误的时候，依然能保证达成共识。

2、本发明解决Raft算法无法应对恶节点的问题，作恶节点的存在会影响Raft算法的共识结果，但是PBFT算法能够在存在作恶节点的同时，能够有效地达到区块共。

3、本发明的综合权益激励方法改进Raft算法，达到更优的选择出具有大算力的领导者，避免了宕机等错误出现的几率。能够有效地提升Raft算法的效率。

3、本发明结合PBFT算法和Raft算法和IRaft算法能够更加有效地解决区块链共识算法的各种场景。

4、本发明基于Raft区块链共识方法和PBFT区块链共识方法，结合Raft区块链共识方法仅考虑故障节点，不考虑作恶节点；但是PBFT不仅考虑故障节点还考虑作恶节点，因此结合两种共识算法的区块链共识方法更加可靠和准确；除此之外，不仅采用基于区块链的共识算法还结合权益激励方法来更快更好的达成区块链的共识，避免出错。

附图说明

图1是背景技术中Raft算法示意图。

图2是本发明的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图2，一种基于权益激励的结合Raft和PBFT算法的区块链共识方法，其特征是包括如下步骤：

步骤S1、进行拜占庭容错PBFT；拜占庭容错算法主要应用于低延迟存储系统设计，其通过将一个副本作为主节点，其他副本作为备份节点，用户向主节点发送服务操作请求，主节点将请求广播给其他副本；所有副本执行请求后将结果返回至用户端，用户端需要等待一定数量的用户节点返回相同结果后作为最终的结果；其包括预准备阶段、准备阶段和确认阶段；预准备阶段完成主节点信息的发送和分发，准备阶段完成信息的校验，确认阶段完成一致性，信息的确认；其计算效率依赖于参与协议的节点数量，不适用于节点数量过大的区块链系统，扩展性差；系统节点是固定的，无法应对公有链的开放环境，只适用于联盟链或私有链环境；PBFT算法要求总节点数n>＝3f+1，其中，f代表作恶节点数；系统的失效节点数量不得超过全网节点的1/3，容错率相对较低；

步骤S2、Raft：Raft为用于管理日志一致性的协议，基于此协议，将系统中的角色分为领导者、跟从者和候选者；领导者接受客户端的请求，并向跟从者同步请求日志，当日志同步到大多数节点上后，提醒跟随者提交日志；Raft特有的机制对通信质量提供了更好的保证；

步骤S3、IRaft中文描述：Raft算法采用谁获得最多的票数作为判断是否为领导者的依据，但最先获得最多票数的节点未必为最优领导者的选择，还应该结合工作量的判定作为选举领导者的依据；Iraft算法有效结合了工作量的判定作为选举领导者的依据；

步骤S4、结合PBFT算法和Raft算法和IRaft算法的各自的优点，能够有效且准确的达成共识；

结合PBFT算法和Raft算法和IRaft算法之后，能有效综合PBFT算法中对作恶节点的鲁棒性和Raft算法对通信质量的容错性，同时也能有效结合了基于权益激励的Raft算法来确定最佳首次领导者，因此能有效地改变Raft算法的效率，使其首次确定领导者的过程中能够更加高效可靠，同时结合这三种方法的有效性能够更加全面的判断区块链是否达成共识；

步骤S4.1当S2和S3和S1中的日志达成一致之后，则可以确定达成了共识。

所述步骤S1具体包括如下步骤：

步骤S1S1.1计算每个参与者的工作量。F(Nonce)<Target，其中Nonce是随机元素，Target是目标比特币，找到一个满足要求的Nonce，则为挖到一个区块链，此时需记入区块链；随机产生随机元素Nonce，产生区块链；

步骤S1S1.2收到pre-pre消息，是否接受此消息，只要本机不存在宕机，则均接受；

步骤S1S1.3向其他节点发送pre消息；

步骤S1S1.4判断每个节点是否疏导2f个不同副本的pre消息，若为是则向其他节点进行广播，若否，则继续向其他节点发送pre消息，f为可容忍的拜占庭节点数；

步骤S1S1.5如果一个节点收到2f+1个广播消息，则达成共识，执行请求；否则转到S1.2。

所述步骤S2具体包括如下步骤：

S2.1客户端发送消息开始投票领导者；

S2.2开始投票，每个节点决定rand<1/2作为判断，决定是否将自身所携带的票投给其余节点，也可以投给自己节点，若rand<1/2成立则投给自身，否则投给随机产生的随机节点的整数编号；最快达到1/2票数的节点则确定为领导节点，是否产生领导者，若否，则继续投票；

S2.3选择出领导者之后，则进行向追随者进行发送消息；

S2.4向其余节点复制日志。每次向所有节点分发日志；

S2.4.1领导者将客户端的请求命令作为一条新的条目写入日志；

S2.4.2追随者将收到领导者消息后，将该条目记录到日志并返回回应给领导者；

S2.4.3当该条日志被安全的备份即领导者收到了半数以上的机器回应该条目已记录，则可认为该条目是有效的；

S2.5判断是否达到时间的轮换片，若达到，则继续判断日志是否一致，若否，则继续投票产生领导者。

所述步骤S 3具体包括如下步骤：

步骤S3.1计算每个参与者的工作量；F(Nonce)<Target，其中Nonce是随机元素，Target是目标比特币，找到一个满足要求的Nonce，则为挖到一个区块链，此时需记入区块链。随机产生随机元素Nonce，产生区块链；

步骤S3.2将参与节点的工作量标准化之后，

u₁为第一个节点的工作量，标准化共识为：

计算得计算节点的工作量权重；

步骤S3.3对参与节点的工作量权重进行排序，

步骤S3.4选择拥有最大工作量权重的节点为首次领导者；

步骤S3.5向追随者发送消息；

步骤S3.6向其余节点复制日志；每次向所有节点分发日志；

步骤S3.6.1领导者将客户端的请求命令作为一条新的条目写入日志；

步骤S3.6.2追随者将收到领导者消息后，将该条目记录到日志并返回回应给领导者；

步骤S3.6.3当该条日志被安全的备份即领导者收到了半数以上的机器回应该条目已记录，则可认为该条目是有效的；

步骤S3.7判断是否达到时间的轮换片，若达到，则继续判断日志是否一致，若否，则继续投票产生领导者。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于权益激励的结合Raft和PBFT算法的区块链共识方法，其特征是包括如下步骤：

步骤S1、进行拜占庭容错PBFT；拜占庭容错算法主要应用于低延迟存储系统设计，其通过将一个副本作为主节点，其他副本作为备份节点，用户向主节点发送服务操作请求，主节点将请求广播给其他副本；所有副本执行请求后将结果返回至用户端，用户端需要等待一定数量的用户节点返回相同结果后作为最终的结果；其包括预准备阶段、准备阶段和确认阶段；预准备阶段完成主节点信息的发送和分发，准备阶段完成信息的校验，确认阶段完成一致性，信息的确认；其计算效率依赖于参与协议的节点数量，不适用于节点数量过大的区块链系统，扩展性差；系统节点是固定的，无法应对公有链的开放环境，只适用于联盟链或私有链环境；PBFT算法要求总节点数n>＝3f+1，其中，f代表作恶节点数；系统的失效节点数量不得超过全网节点的1/3，容错率相对较低；

步骤S2、Raft：Raft为用于管理日志一致性的协议，基于此协议，将系统中的角色分为领导者、跟从者和候选者；领导者接受客户端的请求，并向跟从者同步请求日志，当日志同步到大多数节点上后，提醒跟随者提交日志；Raft特有的机制对通信质量提供了更好的保证；

步骤S3、IRaft中文描述：Raft算法采用谁获得最多的票数作为判断是否为领导者的依据，但最先获得最多票数的节点未必为最优领导者的选择，还应该结合工作量的判定作为选举领导者的依据；Iraft算法有效结合了工作量的判定作为选举领导者的依据；

步骤S4、结合PBFT算法和Raft算法和IRaft算法的各自的优点，能够有效且准确的达成共识；

结合PBFT算法和Raft算法和IRaft算法之后，能有效综合PBFT算法中对作恶节点的鲁棒性和Raft算法对通信质量的容错性，同时也能有效结合了基于权益激励的Raft算法来确定最佳首次领导者，因此能有效地改变Raft算法的效率，使其首次确定领导者的过程中能够更加高效可靠，同时结合这三种方法的有效性能够更加全面的判断区块链是否达成共识；

步骤S4.1当S2和S3和S1中的日志达成一致之后，则可以确定达成了共识。

2.根据权利要求1所述的一种基于权益激励的结合Raft和PBFT算法的区块链共识方法，其特征是所述步骤S1具体包括如下步骤：

步骤S1S1.1计算每个参与者的工作量。F(Nonce)<Target，其中Nonce是随机元素，Target是目标比特币，找到一个满足要求的Nonce，则为挖到一个区块链，此时需记入区块链；随机产生随机元素Nonce，产生区块链；

步骤S1S1.2收到pre-pre消息，是否接受此消息，只要本机不存在宕机，则均接受；

步骤S1S1.3向其他节点发送pre消息；

步骤S1S1.4判断每个节点是否疏导2f个不同副本的pre消息，若为是则向其他节点进行广播，若否，则继续向其他节点发送pre消息，f为可容忍的拜占庭节点数；

步骤S1S1.5如果一个节点收到2f+1个广播消息，则达成共识，执行请求；否则转到S1.2。

3.根据权利要求1所述的一种基于权益激励的结合Raft和PBFT算法的区块链共识方法，其特征是所述步骤S2具体包括如下步骤：

S2.1客户端发送消息开始投票领导者；

S2.2开始投票，每个节点决定rand<1/2作为判断，决定是否将自身所携带的票投给其余节点，也可以投给自己节点，若rand<1/2成立则投给自身，否则投给随机产生的随机节点的整数编号；最快达到1/2票数的节点则确定为领导节点，是否产生领导者，若否，则继续投票；

S2.3选择出领导者之后，则进行向追随者进行发送消息；

S2.4向其余节点复制日志。每次向所有节点分发日志；

S2.4.1领导者将客户端的请求命令作为一条新的条目写入日志；

S2.4.2追随者将收到领导者消息后，将该条目记录到日志并返回回应给领导者；

S2.4.3当该条日志被安全的备份即领导者收到了半数以上的机器回应该条目已记录，则可认为该条目是有效的；

S2.5判断是否达到时间的轮换片，若达到，则继续判断日志是否一致，若否，则继续投票产生领导者。

4.根据权利要求1所述的一种基于权益激励的结合Raft和PBFT算法的区块链共识方法，其特征是所述步骤S3具体包括如下步骤：

步骤S3.1计算每个参与者的工作量；F(Nonce)<Target，其中Nonce是随机元素，Target是目标比特币，找到一个满足要求的Nonce，则为挖到一个区块链，此时需记入区块链。随机产生随机元素Nonce，产生区块链；

步骤S3.2将参与节点的工作量标准化之后，

u₁为第一个节点的工作量，标准化共识为：

计算得计算节点的工作量权重；

步骤S3.3对参与节点的工作量权重进行排序，

步骤S3.4选择拥有最大工作量权重的节点为首次领导者；

步骤S3.5向追随者发送消息；

步骤S3.6向其余节点复制日志；每次向所有节点分发日志；

步骤S3.6.1领导者将客户端的请求命令作为一条新的条目写入日志；

步骤S3.6.2追随者将收到领导者消息后，将该条目记录到日志并返回回应给领导者；

步骤S3.6.3当该条日志被安全的备份即领导者收到了半数以上的机器回应该条目已记录，则可认为该条目是有效的；

步骤S3.7判断是否达到时间的轮换片，若达到，则继续判断日志是否一致，若否，则继续投票产生领导者。

Images