CN112104685A - 一种基于区块链的联盟链底层系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及区块链技术领域，具体地说，涉及一种基于区块链的联盟链底层系统。其包括动态节点系统、混合共识系统、跨共识引擎系统及投票提案治理系统。结合联盟链动态节点系统，能够确保参与联盟链共建节点的灵活可控性，保证联盟链整体运营的安全及稳定；借助跨共识引擎系统，可解决区块链网络在运行状态下共识算法的灵活切换，规避因中断区块链网络切换造成技术风险和业务冲击，满足用户在区块链技术关于性能、权限、安全、隐私、可靠性、可扩展性等多方面的应用需求，实现基于区块链技术的联盟链网络的灵活构建及运行，赋能分布式商业。

Description

一种基于区块链的联盟链底层系统
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，具体地说，涉及一种基于区块链的联盟链底层系统。
背景技术
联盟链通常是由若干个机构共同参与管理的区块链，每个机构都运行着一个或多个节点，其中的数据只允许系统内不同的机构进行读写和发送交易，并且共同来记录交易数据。参与到区块链系统中的每个节点都是经过许可的，未经许可的节点是不可以接入到系统中。
联盟链采用授权联盟链方式运行，其中主要包含三大主体：第一类为创始委员会，第二类为参与出块的联盟节点群组，第三类为联盟链见证者。
但是在区块链主网运行中，当有出块节点申请加入或退出时，为了保证区块链网络各节点出块的一致性和稳定性，则需要将当前运行网络做停机操作，通过离线配置节点信息，再次重启网络后生效。但在这个变更过程中，因为必须中断运行网络，停止业务运营，对于绝大多数业务场景都是不可接受的。因此，如何确保网络的可用性、可伸缩性和高性能是商业区块链网络面临的最大挑战。
同时，在特殊场景下，如何防范和应对作恶节点，降低作恶节点对整体网络带来的冲击，节点治理委员会希望通过预制治理机制，可在不影响整体网络运行的前提下，通过提案投票方式主动将作恶节点剔除出网络，以确保商用区块链网络的稳定性及安全性。
此外，在区块链多元化应用场景的演变中，单一特性的共识算法无法全面支撑商用应用场景的各个阶段。特别在新一代区块链共识机制设计过程中，则更需要结合实际应用场景的诉求，有的放矢的选择去中心化、低能耗、安全可靠、高效率的共识算法设计原则。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于区块链的联盟链底层系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于区块链的联盟链底层系统，包括混合共识系统、动态节点系统、跨共识引擎系统以及投票提案治理系统。
所述动态节点系统用于允许区块链网络上的出块节点数量的动态变化，不再受主网启动初期设定的节点数量限制，而是使得区块链网络可根据不同的业务需求对出块节点进行灵活调整；
所述动态节点系统的流程为由节点或者委员会申请提案，经由委员会进行审核批准，委员会会针对提交者的信息进行严格的审核，只有经过审核的节点才动态添加到联盟链网络成为出块节点。
所述跨共识引擎系统可实现在区块链网络运行中，当业务场景发生变化时需要切换城其他共识算法时，则可通过跨共识引擎系统快速稳定的切换共识算法，支持共识算法包含POW-C、POS、DPOS、POA等主流共识算法；
所述跨共识引擎预制POW、POS、DPOS三类主流共识算法，支持定制共识算法切换的插拔。当切换共识提案投票通过后，在指定的区块高度做主网共识算法的切换，以及节点在新共识算法下顺利出块，全网节点同步数据；
所述混合共识系统采用基于DPOS+BFT的混合共识算法，该混合共识机制在基于委托权益证明前提下，实现网络出块时间短、效率高；同时支持拜占庭容错，提升共识算法的鲁棒性，达到共识算法在安全和性能上平衡；
所述混合共识系统包括DPOS+PBFT(PracticalBFT实用拜占庭算法)和DPOS+RBFT(RobustBFT鲁棒性拜占庭算法)。
为适配不同的业务应用场景对出块时间和网络运行的安全性考虑，联盟链底层系统已预制三类混合共识算法：
共识编号0：DPoS+PBFT(2/3+1)
共识编号1：DPoS+PBFT(1/2+1)
共识编号2：DPoS+PBFT(1/3+1)。
所述投票提案治理系统，提案可由待加入节点或节点治理委员会申请，经由验证节点对提案进行公开投票。验证节点在提案请求中明确的具体时间段内可投“赞成票”、“反对票”、“强烈反对票”或“弃权票”。提案结果无论通过或拒接都将按智能合约预制规则执行。
所述在联盟链网络中，需抵押通证获取相应的提案投票权。并且在抵押通证兑换票数时，联盟链规避了采用一对一的映射方式。而是考虑到网络治理的公平性和避免投票权的绝对集中化，将票数换算时设置为曲率逐渐增大。
在底层代码部分，修改了出块节点排程相关机制，节点数量是动态不固定的，所以修改了共识基数计数的机制(即修改现在的一系列硬编码为21相关数值，调整为系统计数值)，此外还更行了广播机制，新增节点缓冲机制(即新增节点同步出块一定周期后独立出块)，节点移除接管机制(新排程被2/3节点接收后，排除制定节点)；
由于BFT机制在节点数量过小的时候容易受到攻击，但是在节点数量过大的情况下和导致通信消耗过大，魔橙动态节点技术针对节点数量不确定的因素，对节点增加了权重的设计，这样即增加了系统的安全与稳定，同时在性能方面也有一定的优化。
作为优选，所述跨共识引擎系统的流程为：在启动块链网络前，如果在区块链网络运行中，当业务场景发生变化时需要切换其他共识算法，则可通过跨共识引擎系统快速稳定的切换至其他共识算法。
作为优选，所述跨共识引擎系统预制两类共识载入机制；
场景一：对已预制共识算法，如PoW,PoS,DPoS等，当提案投票通过后，在指定的区块高度做主网共识算法的切换，以及节点在新共识算法下顺利出块，全网节点同步数据；
场景二：如果节点没有预制所要加载共识算法，全网运行中的部分出块节点依次退出，下线节点分批对新算法进行加载，直到全网所有节点全部加载新共识算法；
当达到设定的切换区块高度时，已加载完成新共识算法的节点，同步切换至新共识算法参与全网节点出块；
没有完成新共识算法加载的节点，自动离线再次尝试加载新共识算法。在部分节点未成功加载新共识算法前，不再参与全网出块。最终，未有效升级新算法的节点将标记为失效节点，不可参与节点出块。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、该基于区块链的联盟链底层系统中的混合共识系统具有以下效果：
(1)、混合共识系统结合授权股权证明DPoS，在保证网路安全的前提下更快的确认速度，整个网路的能耗进一步降低，网路运行成本最低。
(2)、共识节点将结果与证明打包到区块中，其他节点只需验证证明确定区块的合法性，可以大大减少区块验证时间，提高交易性能。
(3)、混合共识系统在性能和健壮性上得到了极大的提升，为有效服务于企业级应用的区块链网路提供了共识基石。
2、该基于区块链的联盟链底层系统中的动态节点系统具有以下效果：
(1)、允许区块链网络上的出块节点数量动态变化，不再受主网启动初期设定的节点数量限制，而是使得区块链网络可根据不同的业务需求对出块节点数量进行灵活调整。
(2)、保证原有区块链网络的平稳运行，降低开销和规避潜在变动可能引发的风险。
(3)、维护全网节点利益，减少超级节点之间的恶意竞争与垄断的可能。
3、该基于区块链的联盟链底层系统中的跨共识引擎系统具有以下效果：
(1)、可解决主网运行中演算法不可轻易动态切换的问题，实现高效且低风险的共识算法切换。
(2)、通过实现区块链网路共识机制的快速插拔，极大降低区块链商用网路在初期共识选型上的风险。
(3)、可面向商用级应用网路提供高效灵活，低成本的共识解决方案。
4、该基于区块链的联盟链底层系统中的投票提案治理系统具有以下效果：
(1)、实现联盟链的链上治理更加稳定、正规和简洁。
(2)、全节点自行决定是否参与升级或网络变更，调动全网治理积极性。
(3)、提案的通过与否都将按预制的智能合约执行，确保提案执行的公开公证。
附图说明
图1为本发明的整体系统框图；
图2为本发明的动态节点系统流程框图；
图3为本发明的跨共识引擎系统流程图；
图4为本发明的PBFT协议通信模式图；
图5为本发明的跨共识引擎系统的预制两类共识载入机制图；
图6为本发明的拜占庭算法PBFT容错性能对比图；
图7为本发明的跨共识引擎示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1-图7所示，本发明提供一种技术方案：
为实现上述目的，本发明提供一种基于区块链的联盟链底层系统，包括混合共识系统、动态节点系统、跨共识引擎系统以及投票提案治理系统。
本实施例中，动态节点系统用于允许区块链网络上的出块节点数量的动态变化，不再受主网启动初期设定的节点数量限制，而是使得区块链网络可根据不同的业务需求对出块节点进行灵活调整；
进一步的，动态节点系统的流程为由节点或者委员会申请提案，经由委员会进行审核批准，委员会会针对提交者的信息进行严格的审核，只有经过审核的节点才动态添加到联盟链网络成为出块节点。
具体的，通过链上部署动态节点合约，存储包含当前出块节点的所有状态信息，包括当前申请加入出块节点的提案申请状态信息。动态节点合约支持多类别操作接口，例如：治理账户发起提案，对提案进行投票，提案状态更新，出块节点移除，提案状态查询等，覆盖动态节点从提案到执行的全部闭环。
其中，在提案投票达到截止期限后，自动对提案进行投票结算，按照预制算法得出提案是否投票通过，针对动态节点加入申请提案，若通过则将提案中指定治理账户加入到下一个出块周期的Schedule，在下一个出块周期时，新加入的出块节点可进行出块操作，并接受全网出块节点验证。
值得说明的是，每个动态节点的加入与剔除，需要经过全网的具备投票权的账户参与投票，达成一致后更新schedule，在下一个出块周期中执行新的schedule出块计划。这种可在区块链网络持续运行状态下，进行的节点动态调整，不仅提高了区块链网络的灵活性，而且保证了区块链网络在高效治理下的有序运行，极大降低了维护成本，有效避免了潜在风险。
具体的，跨共识引擎系统可实现在区块链网络运行中，当业务场景发生变化时需要切换城其他共识算法时，则可通过跨共识引擎系统快速稳定的切换共识算法，支持共识算法包含POW-C、POS、DPOS、POA等主流共识算法。
值得说明的是，跨共识引擎预制POW、POS、DPOS三类主流共识算法，支持定制共识算法切换的插拔。当切换共识提案投票通过后，在指定的区块高度做主网共识算法的切换，以及节点在新共识算法下顺利出块，全网节点同步数据。
此外，混合共识系统采用基于DPOS+BFT的混合共识算法，该混合共识机制在基于委托权益证明前提下，实现网络出块时间短、效率高；同时支持拜占庭容错，提升共识算法的鲁棒性，达到共识算法在安全和性能上平衡。
具体的，混合共识系统包括DPOS+PBFT(PracticalBFT实用拜占庭算法)和DPOS+RBFT(RobustBFT鲁棒性拜占庭算法)
值得说明的是，为适配不同的业务应用场景对出块时间和网络运行的安全性考虑，联盟链底层系统已预制三类混合共识算法：
Figure BDA0002416156690000071
其中，默认共识算法(consensus_type＝0)是2/3+1个节点确认后区块才会进入99％不可逆状态，此时并未达到最终不可逆状态。这是由于dimension采用了强确认机制，因此确认的区块也需达到99％确认才能达到最终不可逆状态，所以一个块最终需要两轮确认才能达到最终不可逆。比如说在21个节点的情况下，某节点最后出的块高度为1000，那么在12*(21*2/3)-11＝157个块之后，也就是在1157高度时此块达到99％不可逆，再经过12*(21*2/3)＝168个块之后，也就是在1325高度时，高度为1000的区块达到最终不可逆状态，因此链上的head_block_num和last_irreversible_block_num之间的差值为325到336个块之间，也就是一个区块达到最终不可逆状态最少需要162.5秒。共识引擎提供共识切换，治理节点创建提案提出切换共识，提案通过后可以进行切换。
投票提案治理系统，提案可由待加入节点或节点治理委员会申请，经由验证节点对提案进行公开投票。验证节点在提案请求中明确的具体时间段内可投“赞成票”、“反对票”、“强烈反对票”或“弃权票”。提案结果无论通过或拒接都将按智能合约预制规则执行。
在联盟链网络中，需抵押通证获取相应的提案投票权。并且在抵押通证兑换票数时，联盟链规避了采用一对一的映射方式。而是考虑到网络治理的公平性和避免投票权的绝对集中化，将票数换算时设置为曲率逐渐增大。换算函数为f(x)，上述特性是f(a)+f(b)<f(a+b)。换算函数也非连续的，即两个抵押相近的账户的票数权重可以是相同的。
账户根据抵押的通证数量不同分成不同类别，且不同角色有着不同的权利与义务。
普通账户
联盟链上刚创建的账户均属于普通账户，普通账户可以通过抵押一定数量通证换取相应的投票权，成为治理账户。从而可参与提案投票，共同决策动态节点的加入与退出。
治理账户
治理账户隶属于高级账户，有权限发起提案。提案内容不仅限于动态节点的加入和退出申请，也权限参与或申请网络的相关治理提案的发起和投票。
提案申请人
提案申请人只能是治理账户，可以通过发起一个事务声明一个可调用的合约，并约定提案详细内容，投票截止高度，生效高度等。
投票人
由普通账户组成，账户抵押一定数量的通证换取相应投票数，通过发起一个事务来对提案投票，当达到系统约定的投票率，并且网络出块高度达到合约的生效高度时，合约会被网络按约定条件自动调用。
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)

1.一种基于区块链的联盟链底层系统，包括动态节点系统、跨共识引擎系统、混合共识系统和投票提案治理系统，其特征在于：
所述动态节点系统用于允许区块链网络上的出块节点数量的动态变化，不再受主网启动初期设定的节点数量限制，而是使得区块链网络可根据不同的业务需求对出块节点进行灵活调整；
所述跨共识引擎系统可实现在区块链网络运行中，当业务场景发生变化时需要切换城其他共识算法时，则可通过跨共识引擎系统快速稳定的切换共识算法，支持共识算法包含POW-C、POS、DPOS、POA等主流共识算法；
所述混合共识系统采用基于DPOS+BFT的混合共识算法，该混合共识机制在基于委托权益证明前提下，实现网络出块时间短、效率高，同时支持拜占庭容错，提升共识算法的鲁棒性，达到共识算法在安全和性能上平衡；
所述投票提案治理系统，提案可由待加入节点或节点治理委员会申请，经由验证节点对提案进行公开投票。
2.根据权利要求1所述的基于区块链的联盟链底层系统，其特征在于：所述动态节点系统的流程为由节点或者委员会申请提案，经由委员会进行审核批准，委员会会针对提交者的信息进行严格的审核，只有经过审核的节点才动态添加到联盟链网络成为出块节点。
3.根据权利要求1所述的基于区块链的联盟链底层系统，其特征在于：所述跨共识引擎预制POW、POS、DPOS三类主流共识算法，支持定制共识算法切换的插拔，当切换共识提案投票通过后，在指定的区块高度做主网共识算法的切换，以及节点在新共识算法下顺利出块，全网节点同步数据。
4.根据权利要求1所述的基于区块链的联盟链底层系统，其特征在于：所述混合共识系统包括PracticalBFT实用拜占庭算法和RobustBFT鲁棒性拜占庭算法。
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