CN112068900A - Bft共识算法热插拔切换系统 - Google Patents

Bft共识算法热插拔切换系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种BFT共识算法热插拔切换系统，包括：共识算法抽象框架模块：对拜占庭容错BFT共识算法流程进行抽象，形成通用框架，包括共识引擎的启动管理、共识流程的管理、超时和异常处理以及参数管理；智能合约存储模块：存储共识算法元信息；共识算法热插拔模块：处理共识算法的热插拔。本发明通过共识算法元信息存储模块，实现在智能合约中存储共识算法相关元信息，如区块链系统当前使用的共识算法的ID等，区块链系统需要热切换共识算法时，系统通过发起针对存储在智能合约中的共识算法ID的更新的投票并达成共识来触发共识算法的热切换。

Description

BFT共识算法热插拔切换系统
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，具体地，涉及BFT共识算法热插拔切换系统。
背景技术
不同的BFT(拜占庭容错)共识算法具有不同的适用场景。在区块链系统中，如果需要支持不同的共识算法，传统的解决方案需要先停止共识节点的运行，再配置加载另一个共识算法。该技术方案能够允许节点在不停机的情况下，动态地切换共识算法，保证上层业务不中断。
传统区块链系统中共识算法的切换，解决方案需要先停止共识节点的运行，再配置加载另一个共识算法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种BFT共识算法热插拔切换系统。
根据本发明提供的一种BFT共识算法热插拔切换系统，包括：
共识算法抽象框架模块：对拜占庭容错BFT共识算法流程进行抽象，形成通用框架，包括共识引擎的启动管理、共识流程的管理、超时和异常处理以及参数管理；
智能合约存储模块：存储共识算法元信息；
共识算法热插拔模块：处理共识算法的热插拔。
优选地，根据共识算法抽象框架模块抽象形成的通用框架，系统中实现不同的共识算法，各共识算法的元信息存储在智能合约存储模块中，这些信息在需要进行共识算法动态切换时被共识算法热插拔模块读取，用于实现切换。
优选地，所述共识算法抽象框架模块包括：
共识引擎启动管理模块、共识流程管理模块、超时和异常处理模块以及参数管理模块。
优选地，所述共识引擎启动管理模块负责管理共识引擎的创建、启动和停止；
所述共识流程管理模块通过对目前拜占庭容错BFT共识算法的概念和算法流程进行考察和分析，总结出该类共识算法的通用共识概念和共识流程，进而抽象出该类共识算法运行流程的通用抽象框架，即统一的程序接口；
所述超时和异常处理模块用于处理共识过程出现超时和异常情况时，使得共识算法进行上下文的切换；
所述参数管理模块用于管理共识算法的相关参数。
优选地，所述识算法的相关参数包括：
共识ID、超时时间设置、当前共识高度和上下文编号、投票信息以及有无锁定相关参数信息
优选地，所述通用抽象框架包括：
区块提议流程、共识投票和处理流程、投票阶段流转和区块确认流程；
区块提议流程包括：指定高度区块的组装，即包含一组交易等、接收和验证被提议的区块；
共识投票和处理流程包括：特定阶段的共识投票、对接收到的投票进行验证和存储；
投票阶段流转和区块确认流程包括：对接收到的共识投票进行计数、投票数量是否达到指定阈值以及达到阈值后如何流转到下一共识阶段的处理。
优选地，所述智能合约存储模块包括共识算法元信息存储模块；
所述共识算法元信息存储模块用于通过智能合约存储共识算法相关元信息；
区块链系统需要热切换共识算法时，系统通过发起针对存储在智能合约中的共识算法ID的更新的投票并达成共识来触发共识算法的热切换。
优选地，所述共识算法相关元信息包括：区块链系统当前使用的共识算法的ID、最新一次切换为当前共识算法的区块高度。
优选地，所述共识算法热插拔处理模块接收到共识算法元信息存储模块中共识算法ID更新而触发的共识算法热切换的事件时，将系统中使用的代表当前共识算法的对象实例进行更新，切换为共识引擎启动管理模块所创建和管理的、新的共识算法ID所代表的共识算法实例，完成区块链系统的共识算法的热插拔。
优选地，所述超时和异常处理模块包括：超时处理模块、上下文切换模块和上下文初始化模块；
超时处理模块用于处理共识算法投票超时的情况，触发对上下文切换模块的调用；
上下文切换模块用于处理上下文切换流程的发起和执行，包括发送、接收和处理上下文切换的投票；
上下文初始化模块用于对完成切换后的上下文的初始化。
本方案中的共识流程管理模块需要通过对目前主流和常见的BFT(拜占庭容错)共识算法的概念和算法流程进行深入的考察和分析，从而能够总结出该类共识算法的通用共识概念和共识流程，进而抽象出该类共识算法运行流程的通用抽象框架，也就是统一的程序接口。每一个具体的BFT(拜占庭容错)共识算法都实现了所有的流程相应的接口。通过面向接口来加载和使用共识算法，使得从使用层面屏蔽了共识算法的实现细节，也使得区块链系统能够在不停止节点的情况下进行共识算法的热插拔。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明能够使得区块链系统通过智能合约的调用，触发并且实现共识算法的热插拔，而无需事先停止区块链节点的运行。
1)通过共识流程管理模块抽象出该类共识算法运行流程的通用抽象框架和统一的程序接口，使得根据这些统一的程序接口，能够实现不同的BFT(拜占庭容错)共识算法
2)通过共识算法元信息存储模块，实现在智能合约中存储共识算法相关元信息，如区块链系统当前使用的共识算法的ID等。区块链系统需要热切换共识算法时，系统通过发起针对存储在智能合约中的共识算法ID的更新的投票并达成共识来触发共识算法的热切换。
3)通过共识算法热插拔处理模块，实现对热切换到的目标共识算法的实例的加载，完成共识算法的热切换。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的基于智能合约的BFT(拜占庭容错)共识算法热插拔切换方案示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。
优选例1：
1.1、描述系统框架结构：
如图1所示，一种基于智能合约的BFT(拜占庭容错)共识算法热插拔切换方案，包括BFT(拜占庭容错)共识算法抽象框架模块、智能合约存储模块和共识算法热插拔模块。
所述共识算法抽象框架模块包括共识引擎启动管理模块、共识流程管理模块、超时和异常处理模块以及参数管理模块。
所述智能合约存储模块包含共识算法元信息存储模块。
所述共识算法热插拔模块包含共识算法热插拔处理模块。
1.2、基于系统框架结构中的各个模块，描述整个系统的工作流程，体现各模块之间的配合关系：(对其中至少一个模块的结构或工作流程的步骤进行深入细化描述，以体现该结构、步骤设计是要付出创造性劳动的，以提高授权概率)
所述共识引擎启动管理模块负责管理共识引擎的创建、启动和停止。
所述共识流程管理模块通过对目前主流和常见的BFT(拜占庭容错)共识算法的概念和算法流程进行考察和分析，总结出该类共识算法的通用共识概念和共识流程，进而抽象出该类共识算法运行流程的通用抽象框架，也就是统一的程序接口。
按如下方式抽象出BFT(拜占庭容错)共识算法的通用概念和流程框架：
a)区块提议(Propose)
b)处理区块提议(HandleProposal)
c)区块提议有效时相应处理(OnValidProposal)
d)对提议区块投票(Vote)
e)处理投票(HandleVote)
f)接收的投票有效时相应处理(OnValidVote)
g)接收的投票达到阈值时相应处理(EnoughVotes)
h)迭代判断是否进行下一阶段投票还是区块确认(NextVoteOrCommit)
i)区块确认(Commit)
a)-i)的流程，其抽象出了该类共识算法的共通流程。
每一个具体的BFT(拜占庭容错)共识算法都实现了所有的流程相应的接口。通过面向接口来加载和使用共识算法，使得从使用层面屏蔽了共识算法的实现细节。流程的通用抽象框架包括区块提议流程、共识投票和处理流程、投票阶段流转和区块确认流程。这些流程是不同的BFT(拜占庭容错)共识算法都具有的，但是具体的流程细节，即算法逻辑不同。区块提议流程包含指定高度区块的组装，即包含一组交易等、接收和验证被提议的区块等。不同的BFT(拜占庭容错)共识算法中，其选择区块提议者的策略、区块包含的特定数据和签名，以及区块验证方式会存在差别。共识投票和处理流程包含特定阶段的共识投票、对接收到的投票进行验证和存储等。投票阶段流转和区块确认流程包含对接收到的共识投票进行计数、投票数量是否达到指定阈值以及达到阈值后如何流转到下一共识阶段的处理等。不同的BFT(拜占庭容错)共识算法的投票阶段数可能不相同，因此在某一阶段的投票结束后，根据具体共识算法的不同，将开始进行下一阶段的投票，或者完成投票过程，进入区块确认的阶段。
所述BFT(拜占庭容错)共识算法指一种类型的共识算法的统称，对该类共识算法来说，容错率为小于1/3，也就是能够允许的拜占庭共识节点的占系统中所有的共识节点总数的比例小于1/3。共识算法的运行流程中，通常由某个节点提议待共识的区块，所有节点对区块进行若干阶段的投票，每一阶段的投票都需要收集指定阈值比例的投票。全部投票正常完成后，完成区块的共识，此时区块成为被确认的区块，之后不可逆转，也就是说这种共识算法达成的共识具有最终确定性。
所述超时和异常处理模块用于处理共识过程出现超时，即在预先设置的时间内未能正常流转到下一个共识阶段，例如没有接收到足够多的投票导致未能进入到下一投票阶段或者对区块进行确认提交等的情况，以及共识过程出现的其他异常情况。出现超时和异常情况时，该模块将使得共识算法进行上下文的切换，不同的BFT(拜占庭容错)共识算法的上下文名称不同(例如PBFT中称为view，而PlatONE的共识算法中称为round等)，切换逻辑也不同，该模块对此进行了共通流程的抽象；所述抽象具体如下：
a)发送上下文切换投票(RoundChange)
b)处理上下文切换投票(handleRoundChange)
c)收到有效的上下文切换投票时的相应处理(OnValidRoundChange)
d)接收的上下文投票达到阈值时相应处理(EnoughRoundChange)
e)切换到新的上下文时的相应处理(NewRound)
所述参数管理模块用于管理共识算法的相关参数，如共识ID、超时时间设置、当前共识高度和上下文编号、投票信息以及有无锁定等相关参数信息等。
所述共识算法元信息存储模块用于通过智能合约存储共识算法相关元信息，如区块链系统当前使用的共识算法的ID、最新一次切换为当前共识算法的区块高度等信息。区块链系统需要热切换共识算法时，系统通过发起针对存储在智能合约中的共识算法ID的更新的投票并达成共识来触发共识算法的热切换。
所述共识算法热插拔处理模块接收到共识算法元信息存储模块中共识算法ID更新而触发的共识算法热切换的事件时，将系统中使用的代表当前共识算法的对象实例进行更新，切换为共识引擎启动管理模块所创建和管理的、新的共识算法ID所代表的共识算法实例，完成区块链系统的共识算法的热插拔。同时通知到共识算法元信息存储模块，完成相应元信息的更新，包括最新一次切换为当前共识算法的区块高度等信息等。
所述超时和异常处理模块包括超时处理模块、上下文切换模块和上下文初始化模块；
超时处理模块用于处理共识算法投票超时的情况，触发对上下文切换模块的调用；
上下文切换模块用于处理上下文切换流程的发起和执行，包括发送、接收和处理上下文切换的投票；
上下文初始化模块用于对完成切换后的上下文的初始化。
优选例2：
不同的BFT(拜占庭容错)共识算法按照其特征和投票流程逻辑等的不同而有不同的适用场景。
例如PlatONE目前的共识算法中，节点之间相互发送和收集共识投票，而在HotStuff共识算法中，由Leader节点收集各节点的投票，后者虽然消息复杂度更低，但需要各节点间相互直接连接，而这对前者来说不是必需的。
因此使用本技术方案的联盟链可以极大地方便业务层按需进行共识算法的切换，从而在不同的业务场景下实现灵活的切换，更好地助力业务的运营。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种BFT共识算法热插拔切换系统，其特征在于，包括：
共识算法抽象框架模块：对拜占庭容错BFT共识算法流程进行抽象，形成通用框架，包括共识引擎的启动管理、共识流程的管理、超时和异常处理以及参数管理；
智能合约存储模块：存储共识算法元信息；
共识算法热插拔模块：处理共识算法的热插拔。
2.根据权利要求1所述的BFT共识算法热插拔切换系统，其特征在于，根据共识算法抽象框架模块抽象形成的通用框架，系统中实现不同的共识算法，各共识算法的元信息存储在智能合约存储模块中，这些信息在需要进行共识算法动态切换时被共识算法热插拔模块读取，用于实现切换。
3.根据权利要求1所述的BFT共识算法热插拔切换系统，其特征在于，所述共识算法抽象框架模块包括：
共识引擎启动管理模块、共识流程管理模块、超时和异常处理模块以及参数管理模块。
4.根据权利要求3所述的BFT共识算法热插拔切换系统，其特征在于，所述共识引擎启动管理模块负责管理共识引擎的创建、启动和停止；
所述共识流程管理模块通过对目前拜占庭容错BFT共识算法的概念和算法流程进行考察和分析，总结出该类共识算法的通用共识概念和共识流程，进而抽象出该类共识算法运行流程的通用抽象框架，即统一的程序接口；
所述超时和异常处理模块用于处理共识过程出现超时和异常情况时，使得共识算法进行上下文的切换；
所述参数管理模块用于管理共识算法的相关参数。
5.根据权利要求4所述的BFT共识算法热插拔切换系统，其特征在于，所述识算法的相关参数包括：
共识ID、超时时间设置、当前共识高度和上下文编号、投票信息以及有无锁定相关参数信息
6.根据权利要求3所述的BFT共识算法热插拔切换系统，其特征在于，所述通用抽象框架包括：
区块提议流程、共识投票和处理流程、投票阶段流转和区块确认流程；
区块提议流程包括：指定高度区块的组装，即包含一组交易等、接收和验证被提议的区块；
共识投票和处理流程包括：特定阶段的共识投票、对接收到的投票进行验证和存储；
投票阶段流转和区块确认流程包括：对接收到的共识投票进行计数、投票数量是否达到指定阈值以及达到阈值后如何流转到下一共识阶段的处理。
7.根据权利要求1所述的BFT共识算法热插拔切换系统，其特征在于，所述智能合约存储模块包括共识算法元信息存储模块；
所述共识算法元信息存储模块用于通过智能合约存储共识算法相关元信息；
区块链系统需要热切换共识算法时，系统通过发起针对存储在智能合约中的共识算法ID的更新的投票并达成共识来触发共识算法的热切换。
8.根据权利要求7所述的BFT共识算法热插拔切换系统，其特征在于，所述共识算法相关元信息包括：区块链系统当前使用的共识算法的ID、最新一次切换为当前共识算法的区块高度。
9.根据权利要求1所述的BFT共识算法热插拔切换系统，其特征在于，所述共识算法热插拔处理模块接收到共识算法元信息存储模块中共识算法ID更新而触发的共识算法热切换的事件时，将系统中使用的代表当前共识算法的对象实例进行更新，切换为共识引擎启动管理模块所创建和管理的、新的共识算法ID所代表的共识算法实例，完成区块链系统的共识算法的热插拔。
10.根据权利要求1所述的BFT共识算法热插拔切换系统，其特征在于，所述超时和异常处理模块包括：超时处理模块、上下文切换模块和上下文初始化模块；
超时处理模块用于处理共识算法投票超时的情况，触发对上下文切换模块的调用；
上下文切换模块用于处理上下文切换流程的发起和执行，包括发送、接收和处理上下文切换的投票；
上下文初始化模块用于对完成切换后的上下文的初始化。
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