CN112118138B - 区块链共识机制实现系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于pagerank信用度排序的共识机制，包括区块链节点信用投票模块、区块链节点信用排序模块、确定区块链节点权重模块和确定生成区块节点模块。所述区块链节点信用投票模块用于参与生成区块的节点进行信用投票；所述区块链节点信用排序模块用于对参与生成区块的节点进行信排序以便于确定后续权重；所述确定区块链节点权重模块用于根据前面的排序结果来确定生成区块的权重；所述确定生成区块节点模块模块用于根据前面的生成区块的权重来确定最终生成区块的节点。本发明能够有效的解决现有的区块链共识算法在面临拜占庭节点问题中需要大规模算力或者是金钱问题。

Description

区块链共识机制实现系统和方法

技术领域

本发明属于区块链技术领域，特别涉及一种区块链共识机制实现系统和方法。

背景技术

区块链是一种去中心化的分布式账本系统，它可以用于登记和发行数字化资产、产权凭证、积分等，并以点对点的方式进行转账、支付和交易。区块链系统与传统的中心化账本系统相比，具有完全公开、不可篡改、防止多重支付等优点，并且不依赖于任何的可信第三方。

由于在点对点网络下存在较高的网络延迟，各个节点所观察到的事务先后顺序不可能完全一致。因此区块链系统需要设计一种机制对在差不多时间内发生的事务的先后顺序进行共识。这种对一个时间窗口内的事务的先后顺序达成共识的算法被称为“共识机制”。

目前主要有几大类共识机制：Pow、Pos、DPos、Pool、PBFT，其中，

1、Pow工作量证明，就是大家熟悉的挖矿，通过与或运算，计算出一个满足规则的随机数，即获得本次记账权，发出本轮需要记录的数据，全网其它节点验证后一起存储。它的优点是：完全去中心化，节点自由进出；缺点是：目前bitcoin已经吸引全球大部分的算力，其它再用Pow共识机制的区块链应用很难获得相同的算力来保障自身的安全；挖矿造成大量的资源浪费；共识达成的周期较长，不适合商业应用。

2、Pos权益证明，Pow的一种升级共识机制；根据每个节点所占代币的比例和时间；等比例的降低挖矿难度，从而加快找随机数的速度。优点是：在一定程度上缩短了共识达成的时间。缺点是：还是需要挖矿，本质上没有解决商业应用的痛点。

3、DPos股份授权证明机制，类似于董事会投票，持币者投出一定数量的节点，代理他们进行验证和记账。优点是：大幅缩小参与验证和记账节点的数量，可以达到秒级的共识验证。缺点是：整个共识机制还是依赖于代币，很多商业应用是不需要代币存在的。

4、Pool验证池，基于传统的分布式一致性技术，加上数据验证机制；是目前行业链大范围在使用的共识机制。优点是：不需要代币也可以工作，在成熟的分布式一致性算法(Pasox、Raft)基础上，实现秒级共识验证；缺点是：去中心化程度不如bictoin；更适合多方参与的多中心商业模式。

发明内容

本发明提供一种基于pagerank信用度排序的共识机制实现系统，目的在于解决现有的区块链共识算法在面临拜占庭节点问题中需要大规模算力或者是金钱问题。

本发明实施例之一，一种区块链共识机制实现系统，包括区块链节点信用投票模块，用于参与生成区块的节点进行信用投票；区块链节点信用排序模块，用于对参与生成区块的节点进行信用排序以便于确定后续权重；确定区块链节点权重模块，用于根据信用排序结果来确定生成区块的权重；以及

确定生成区块节点模块，用于根据前面的生成区块的权重来确定最终生成区块的节点。

所述区块链节点信用投票模块在信用投票时，仅前期生成区块并有效的节点有参与投票的权力，且信用投票只能投给前期生成区块并有效的节点，同时每个节点可以投多张不同的票。所述设区块链节点信用排序模块是根据信用投票结果使用pagerank算法对投票节点进行排序。

与现有技术相比，本发明具有有益效果：

提出的基于pagerank信用度排序的共识机制，使用pagerank算法对其节点进行信用度排序，排序只选用历史生成过有效区块的节点保证了其安全性，未生成过有效区块的节点权重来自于担保的节点保证其公平性。

解决了现有的区块链共识算法在面临拜占庭节点问题中需要大规模算力(比如pow共识算法)或者是金钱问题(比如pos共识算法)。

本发明提出的整个系统充分考虑了区块链业务的特性，能够在各种业务场景下缩短区块生成的时间。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1是根据本发明实施例之一的PageRank算法示例图。

图2是根据本发明实施例之一的信用投票示例图。

图3是根据本发明实施例之一的共识机制系统框架图。

具体实施方式

根据一个或者多个实施例，一种基于pagerank信用度排序的共识机制，如图3所示，包括区块链节点信用投票模块、区块链节点信用排序模块、确定区块链节点权重模块和确定生成区块节点模块。

所述区块链节点信用投票模块用于参与生成区块的节点进行信用投票；所述区块链节点信用排序模块用于对参与生成区块的节点进行信排序以便于确定后续权重；所述确定区块链节点权重模块用于根据前面的排序结果来确定生成区块的权重；所述确定生成区块节点模块模块用于根据前面的生成区块的权重来确定最终生成区块的节点。

区块链节点信用投票模块是针对参与区块生成的节点来说，其中只有前期生成区块并有效的节点有参与投票的权力，信用投票只能投给前期生成区块并有效的节点，每个节点可以投多张不同的票。如图2所示。

区块链节点信用排序模块是根据区块链节点信用投票模块的信用投票来进行排序，使用pagerank算法对投票节点进行排序。

本实施方案涉及PageRank算法是用来评估网页等级的一种方法。其基本原理是利用网页所包含的链接到其他页面连出情况和从其他页面链接到这一页面的连入情况来对页面等级进行评估。

在使用pagerank算法对网页重要性进行排序时，一般会假设两个前提：

1.数量假设：假设存在一个网页，如果有大批的链接与它相连，则表示这个页面非常重要；本文中的节点，假设有大量的其它节点与它相连，则表示该节点非常受到信任。

2.质量假设：在互联网中，各网页的内容质量参差不齐，如果一个高质量的页面与该页面相连，则传递给该页面的权重应该很高；同样，如果有一个信任度很高的节点信任本节点，则传递给本节点的权重就会很高。

基于这两个假设，算法基于下式对页面等级进行评估时，对于每一个页面的权重赋予相同的值，然后通过不断的递归迭代计算，更新每一个页面的得分，直到页面得分稳定。

其中L(ν)表示网页ν的出链数量，PR(ν)表示网页ν的PageRank值，B_u表示网页u的入链集合。从该公式不难看出，每个页面的PageRank值是由其所有入链网页的PageRank值累加得到。

PageRank算法规定一个页面不能对其他页面进行两次投票，所以页面B只能将给页面A投半票，即页面B只能其PR的一半赋予页面A。同理页面D只能其PR的三分之一赋予页面A页面。

则如图1中节点D的PR值计算公式如式所示：

但是在现实的互联网中还存在许多页面没有连接到其他任何页面的情况，即这一页面的出链数为0，(如图1中节点C)这种页面被称为孤立网页。因此，可以对原有的PageRank计算公式进行一些修正，在原来简单公式的基础上增加了阻尼系数(dampingfactor)，其取值一般为0.85。其表示用户在任意时刻浏览了某一页面以后从这一页面继续向后浏览其他页面的概率。当阻尼系数d等于0.15时，表示用户不再访问这一页面上其他的链接，随机转到一个新的URL的概率。

本实施方案涉及所述确定区块链节点权重模块是根据区块链节点信用投票模块和区块链节点信用排序模块来生成权重。针对未生成区块的节点需寻找一个生成区块的节点作保，并将其10％的信用排序结果赋予未生成区块的节点，如果该节点作恶，则下一轮投票时，该节点剔除，担保的节点信用度减半；根据担保规则和区块链节点信用排序模块排序的结果确定最终权重，并广播出去。

本实施方案涉及确定生成区块节点模块是根据确定区块链节点权重模块中确定的权重来划分SHA256数学难题的搜索空间给计算节点，让每个节点计算验证搜索空间是否满足这个hash难题，直到有某个节点通过验证的方式成功解决hash难题，此时这个节点将获得区块链的记账权并得到相应奖励。如果最终确定生成区块的节点在规定时间内未出块则剔除节点，重新执行本模块步骤。

本实施方案涉及分片轮转模型是指对hash难题的搜索空间进行划分，每个节点按照自己的信用度排名去获取自己需要验证的搜索空间。所谓轮转是指每个节点计算验证完成自己获取到的搜索空间之后，如果hash难题仍未解决，它依旧可以再次获取需要验证的一定范围的搜索空间。如此不断地获取需要验证的搜索空间，直至hash难题得到解决。

本实施方案涉及分片轮转模型具体步骤是假设待验证的每一轮的m_nonce搜索空间的一个标准范围为range，R为轮转次数，总的节点数为n，节点i的信用度排名为m_i(m_i值越小，排名越低)，则排名为m_i的节点对应的第一轮的m_nonce的搜索空间的范围大小为：

本实施方案信用度排名顺序按照比例划分搜索空间，则排名为m_i的节点对应的第一轮m_nonce的搜索空间的范围为：

如果某节点已经验证完分配的m_nonce的搜索后，但并没有找到符合hash难题要求的m_nonce值，该节点先会查看有没有收到来自网络的其他节点解决该难题的m_nonce值。如果没有，则它可以通过计算获取R轮(下一轮)的搜索空间的范围为：

不难发现，本发明实施例有效的解决了现有的区块链共识算法在面临拜占庭节点问题中需要大规模算力(比如pow共识算法)或者是金钱问题(比如pos共识算法)。使用pagerank算法对其节点进行信用度排序，排序只选用历史生成过有效区块的节点保证了其安全性，未史生成过有效区块的节点权重来自于担保的节点保证其公平性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种区块链共识机制实现系统，其特征在于，包括

区块链节点信用投票模块，用于参与生成区块的节点进行信用投票；

区块链节点信用排序模块，用于对参与生成区块的节点进行信用排序以便于确定后续权重；

确定区块链节点权重模块，用于根据信用排序结果来确定生成区块的权重；以及

确定生成区块节点模块，用于根据前面的生成区块的权重来确定最终生成区块的节点，

所述区块链节点信用投票模块在信用投票时，仅已生成区块并有效的节点有参与投票的权力，且信用投票只能投给已生成区块并有效的节点，同时每个节点可以投多张不同的票，

所述区块链节点信用排序模块是根据信用投票结果使用pagerank算法对投票节点进行排序，

所述确定区块链节点权重模块针对未生成区块的节点寻找一个生成区块的节点作保，并将其10%的信用排序结果赋予未生成区块的节点，

如果该节点作恶，则下一轮投票时，该节点剔除，担保的节点信用度减半；

根据担保规则和排序结果确定最终权重，并广播出去，

所述确定生成区块节点模块根据确定的权重来划分 SHA256 数学难题的搜索空间给计算节点，让每个节点计算验证搜索空间是否满足这个 hash 难题，直到有某个节点通过验证的方式成功解决 hash 难题，此时这个节点将获得区块链的记账权并得到相应奖励，

如果最终确定生成区块的节点在规定时间内未出块则剔除该节点，则重新执行所述确定生成区块节点模块的功能，

使用分片轮转模型对 hash 难题的搜索空间进行划分，每个节点按照自己的信用度排名去获取自己需要验证的搜索空间，

所述轮转是指每个节点计算验证完成自己获取到的搜索空间之后，如果 hash 难题仍未解决，该节点再次获取需要验证的一定范围的搜索空间，

如此不断地获取需要验证的搜索空间，直至 hash 难题得到解决。

2.一种区块链共识机制实现方法，其特征在于，

区块链节点信用投票，参与生成区块的节点进行信用投票；

区块链节点信用排序，对参与生成区块的节点进行信用排序以便于确定后续权重；

确定区块链节点权重，根据信用排序结果来确定生成区块的权重；以及

确定生成区块节点，根据前面的生成区块的权重来确定最终生成区块的节点，

区块链节点信用投票时，仅已生成区块并有效的节点有参与投票的权力，且信用投票只能投给已生成区块并有效的节点，同时每个节点可以投多张不同的票，

区块链节点信用排序时，是根据信用投票结果使用pagerank算法对投票节点进行排序，

确定区块链节点权重时，针对未生成区块的节点寻找一个生成区块的节点作保，并将其10%的信用排序结果赋予未生成区块的节点，

如果该节点作恶，则下一轮投票时，该节点剔除，担保的节点信用度减半；

根据担保规则和排序结果确定最终权重，并广播出去，

确定生成区块节点时，根据确定的权重来划分 SHA256 数学难题的搜索空间给计算节点，让每个节点计算验证搜索空间是否满足这个 hash 难题，直到有某个节点通过验证的方式成功解决 hash 难题，此时这个节点将获得区块链的记账权并得到相应奖励，

如果最终确定生成区块的节点在规定时间内未出块则剔除该节点，则重新执行确定生成区块节点的步骤，

使用分片轮转模型对 hash 难题的搜索空间进行划分，每个节点按照自己的信用度排名去获取自己需要验证的搜索空间，

所述轮转是指每个节点计算验证完成自己获取到的搜索空间之后，如果 hash 难题仍未解决，该节点再次获取需要验证的一定范围的搜索空间，

如此不断地获取需要验证的搜索空间，直至 hash 难题得到解决。

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