CN112163856A

CN112163856A - 用于区块链与物联网融合场景的共识方法及系统

Info

Publication number: CN112163856A
Application number: CN202011073394.5A
Authority: CN
Inventors: 郝建军; 郭一珺; 邱峥; 张志龙; 何欣欣; 尹长川; 刘丹谱; 罗涛; 李剑峰
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2021-01-01

Abstract

本发明实施例提供一种用于区块链与物联网融合场景的共识方法及系统，该方法包括：基于区块链‑物联网融合框架，获取每个验证节点的多维信用评分，所述验证节点是从记账节点中分类并随机选举得到的；通过打包节点对交易进行打包，生成目标区块，所述打包节点为多维信用评分最高的验证节点；通过所述验证节点和联盟节点对所述目标区块进行验证投票，若所述验证节点和所述联盟节点的投票数量满足预设条件，将所述目标区块加入到区块链上。本发明实施例通过双重投票验证的共识机制，解决了区块链与物联网融合场景中现有区块链共识机制不适用于物联网场景的问题，提高了该融合场景的安全性、处理交易性能以及公平性。

Description

用于区块链与物联网融合场景的共识方法及系统

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及一种用于区块链与物联网融合场景的共识方法及系统。

背景技术

区块链是一种去中心化的分布式网络，具有去中心化、匿名性和可审核性，其上的数据安全公开、可追溯以及不可篡改，所有节点需要就区块的有效性、完整性和时间顺序等信息达成相同的认识，即共识。而共识机制解决的正是在分布式网络中，各个参与主体如何就一系列关键问题达成一致的问题，通过依赖共识机制，区块链才能依靠分散和独立的分布式节点来计算、处理以及存储，从而抵御潜在的安全攻击，真正实现区块链去中心化的数据安全可靠以及不可篡改的存储。

然而，基于区块链与物联网融合场景，现有的区块链共识机制不适用于物联网的海量终端、设备资源有限、数据量大以及实时性高等特点。目前区块链最经典的两大共识机制，对于工作量证明(Proof of Work，简称POW)共识机制，其资源消耗大、共识效率低和无准入门槛等特点，不适用于物联网设备资源受限、交易数据量大且实时性较高、要求设备准入安全性较高等特点；对于拜占庭容错(Practical Byzantine fault tolerance，简称PBFT)共识机制，其权利集中、共识性能随共识节点数增加而快速下降等特点，不满足于物联网场景在多节点公平参与的情况下保持高效率的要求。

因此，现在亟需一种用于区块链与物联网融合场景的共识方法及系统来解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种用于区块链与物联网融合场景的共识方法及系统。

第一方面，本发明实施例提供了一种用于区块链与物联网融合场景的共识方法，包括：

基于区块链-物联网融合框架，获取每个验证节点的多维信用评分，所述验证节点是从记账节点中分类并随机选举得到的；

通过打包节点对交易进行打包，生成目标区块，所述打包节点为多维信用评分最高的验证节点；

通过所述验证节点和联盟节点对所述目标区块进行验证投票，若所述验证节点和所述联盟节点的投票数量满足预设条件，将所述目标区块加入到区块链上。

进一步地，所述区块链-物联网融合框架包括感知层、网络层、中间件层和应用层，其中：

所述感知层，用于获取申请节点的交易申请信息，并将所述交易申请信息发送到所述网络层；

所述网络层包括记账节点、验证节点和打包节点，用于从所述记账节点中选举得到所述验证节点和所述打包节点，并通过所述打包节点将所述申请节点发送的交易进行打包，得到对应的区块，再通过所述验证节点对所述区块进行验证投票；

所述中间件层包括联盟节点、智能合约和管理角色，其中，所述联盟节点用于对所述区块进行验证投票；所述智能合约用于选举下一轮参与共识的验证节点和打包节点；所述管理角色用于对所有验证节点的身份进行管理，并根据节点特征，对验证节点进行分类；

所述应用层包括基于物联网和区块链融合的底层基础设施的应用。

进一步地，在所述通过所述验证节点和联盟节点对所述目标区块进行验证投票，若所述验证节点和所述联盟节点的投票数量满足预设条件，将所述目标区块连接到区块链上之后，所述方法还包括：

将记账节点进行分类，并从每一类的记账节点中随机选举一个节点，作为新的验证节点；

对所有新的验证节点进行多维信用评分，并将多维信用评分最高的验证节点作为新的打包节点；

将所述新的验证节点和所述新的打包节点用于下一轮的共识过程。

进一步地，在所述获取每个验证节点的多维信用评分之前，所述方法还包括：

基于联盟节点背书、交易重要性、节点评分、共识表现、保证金数目、在线时长以及设备安全性，对所有验证节点在多维度进行信用评分，得到每个验证节点的多维信用评分。

进一步地，在所述通过所述验证节点和联盟节点对所述目标区块进行验证投票，若所述验证节点和所述联盟节点的投票数量满足预设条件，将所述目标区块加入到区块链上之前，所述方法还包括：

获取每个验证节点所持有的票数，若存在票数超过预设阈值的验证节点，则根据多维信用评分，对票数超过预设阈值的验证节点的票数进行调整。

进一步地，在所述将所述新的验证节点和所述新的打包节点用于下一轮的共识过程之后，所述方法还包括：

通过双重激励机制，对共识过程中的各个节点进行奖励，所述双重激励机制包括金钱激励和分数激励。

第二方面，本发明实施例提供了一种用于区块链与物联网融合场景的共识系统，包括：

多维信用评分模块，用于基于区块链-物联网融合框架，获取每个验证节点的多维信用评分，所述验证节点是从记账节点中分类并随机选举得到的；

区块打包模块，用于通过打包节点对交易进行打包，生成目标区块，所述打包节点为多维信用评分最高的验证节点；

双重验证模块，用于通过所述验证节点和联盟节点对所述目标区块进行验证投票，若所述验证节点和所述联盟节点的投票数量满足预设条件，将所述目标区块加入到区块链上。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

本发明实施例提供的一种区块链与物联网融合场景的共识方法及系统，通过双重投票验证的共识机制，解决了区块链与物联网融合场景中现有区块链共识机制不适用于物联网场景的问题，提高了该融合场景的安全性、处理交易性能以及公平性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中PBFT共识机制的示意图；

图2为本发明实施例提供的用于区块链与物联网融合场景的共识方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的区块链-物联网融合框架的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的用于区块链与物联网融合场景的共识系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的电子设备结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

区块链技术是一种去中心化的分布式网络，具有去中心化、匿名性和可审核性，其上的数据安全公开、可追溯以及不可篡改等特点，该技术的基本概念包括：交易，导致区块链账本状态发生改变的一次操作；区块，为一种包含了一段时间内的交易信息和状态结果的容器数据结构，由包含元数据的区块头和包含一长串交易列表的区块体组成；链，由一个个区块按照时间的先后顺序串联而成，形成了对整个账本状态变化的记录。

现有的共识机制主要有工作量证明机制(Proof of Work，简称PoW)和拜占庭容错机制(Practical Byzantine Fault Tolerance，简称PBFT)。其中，关于PoW的共识机制，来源于亚当·贝克(Adam Back)在1997年提出的哈希现金(Hashcash)，Hashcash是一种用来过滤垃圾邮件和抵御拒绝服务攻击的工作量证明机制。对于比特币网络中的节点，若想生成一个区块加入区块链，需要在完成工作量证明的谜题计算并解题成功后，才可以将区块加入区块链，具体步骤为：首先，将所有待打包的交易打包进区块，并生成Merkle RootHash及其他区块头参数字段；然后，对区块头做双重哈希运算(比特币网络中采用的是SHA256算法)，即SHA256(SHA256(Block_Header))，将结果值与当前网络的目标值进行对比，若小于目标值，则解题成功，工作量证明完成；若大于等于目标值，则需要变更区块头中的随机数(nonce)，并重新进行哈希计算；最后，将完成工作量证明的节点可将区块广播给所有节点，其他节点验证区块以及区块内交易的有效性，若验证成功，则加入区块。

然而，对于PoW共识机制来说，由于是通过解决数学难题来达成共识，导致设备的计算资源消耗较大；并且，十分钟才出一个块，以至于共识效率低；由于是应用于公有链，因此无准入条件。以上特点导致PoW共识机制无法满足物联网设备资源受限、交易数据量大且实时性要求较高、要求设备准入安全性较高等特点。因此，Deepak Puthal提出了运行在资源受限分布式系统中的共识机制(proof-of-authentication，简称PoAH)，将边缘节点设备当作区块链中受信任节点，利用这些受信任节点来确认区块，同时错误验证区块的节点的信任值将被减少，但是，该共识机制在受信任节点遭受攻击时不能保证共识安全。Babelchain中也提出了Proof of Understanding(PoU)共识机制，来将PoW更好地运用于物联网场景，在这种共识机制中，挖矿资源不再用于解决复杂的hash难题，而是将这些资源用于更有意义的计算，如解决物联网通信中的安全问题等。

关于PBFT的共识机制，该共识机制采用三段式共识，解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题，降低了算法复杂度。整个共识过程分为3个阶段，即pre-prepare阶段、prepare阶段以及commit阶段，图1为现有技术中PBFT共识机制的示意图，可参考图1所示，在pre-prepare阶段时，主节点收到客户请求后将请求广播给其他非主节点，若满足条件，则非主节点接受pre-prepare请求，并进入prepare阶段；进一步地，在prepare阶段中，非主节点向其他节点广播发送prepare消息，若节点收到2f个prepare消息，就进入commit阶段；当处于commit阶段时，所有节点广播commit消息到所有节点，节点收到后通过校验，若收到2f+1个commit消息，则确认请求并执行操作，将操作结果返回给客户。

然而，对于PBFT共识机制来说，由于是通过少数联盟节点完成共识，因此权力集中于少数共识节点手中；采用三段式共识过程且网络带宽有限，随着共识节点数的增加，导致共识性能会快速下降。以上特点不能满足一些如食品溯源、共享应用以及公益项目等物联网场景的公平性要求，因为在这些场景中更多普通节点想要参与共识，维护区块；此外，在这些应用中，区块链需要在更多节点参与的情况下才能保持一定的性能和效率。

因此，针对现有区块链共识机制不适用于物联网场景的问题，本发明实施例提供了一种面向区块链与物联网融合场景的共识机制：基于双重投票验证的共识机制(DualVote Confirmation based Consensus，简称DVCC)，使其在契合物联网场景的同时，提供较好的安全性、处理交易性能以及公平性。

图2为本发明实施例提供的用于区块链与物联网融合场景的共识方法的流程示意图，如图2所示，本发明实施例提供了一种用于区块链与物联网融合场景的共识方法，包括：

步骤201，基于区块链-物联网融合框架，获取每个验证节点的多维信用评分，所述验证节点是从记账节点中分类并随机选举得到的；

步骤202，通过打包节点对交易进行打包，生成目标区块，所述打包节点为多维信用评分最高的验证节点；

在本发明实施例中，首先对所有验证节点从多个维度进行了信用评分，然后将多维信用评分最高的验证节点作为打包节点，对交易进行打包，从而生成对应的区块，以用于后续的双重投票验证机制。其中，所有的记账节点将基于多维特征被分为n类，在每一轮共识的后期，从每一类记账节点中随机选出一个节点成为验证节点，即每一轮共识会有n个验证节点。

步骤203，通过所述验证节点和联盟节点对所述目标区块进行验证投票，若所述验证节点和所述联盟节点的投票数量满足预设条件，将所述目标区块加入到区块链上。

在本发明实施例中，共识过程中所有的验证节点和联盟节点将对生成的区块进行验证投票，只有在验证节点和联盟节点同时达到票数标准时，才最终达成区块共识，保证了共识过程的安全性。由于共识过程是循环的，具体步骤如下：

步骤S1，打包节点收集交易并打包成一个区块；

步骤S2，打包节点利用私钥加密区块，并发送给所有验证节点和联盟节点；

步骤S3，验证节点和联盟节点验证该区块，若有效，就发送利用自己私钥签名的区块投票给打包节点；若无效，便丢弃区块；

步骤S4，打包节点收集投票，若在共识有效时间内收到超过2/3的验证节点以及超过2/3的联盟节点的票数，则共识成功，广播区块及投票；若超过有效时间，则丢弃区块，广播共识失败信息；

步骤S5，共识成功后，所有节点根据收到的区块，删除交易池里已经被包含在区块里的交易，并将区块连接到区块链上；

步骤S6，选举委员会根据收到的信息，选举下一轮参与共识的验证节点和联盟节点；

步骤S7，跳到步骤S1开始下一轮共识。

在本发明实施例中，通过在整个共识过程中，提出了双重验证投票机制来提升共识的效率及安全性，区块的确认需要同时得到超过2/3的验证节点以及超过2/3的联盟节点的票数，其中，联盟节点一般由政府监管部门以及一些物联网巨头公司担任，被攻击或作恶的可能性很小，并且作为普通节点的验证节点，与联盟节点共同遭受攻击或作恶的可能性也会减小。因此，来自双方的验证将保证生成区块的正确以及合法性。另外，在本发明实施例中，共识过程的后期，选举委员会将会选举出下一轮共识过程的验证节点和打包节点，并在最后采用基于信用评分以及共识贡献的激励机制来奖励所有的参与节点。

本发明实施例提供的区块链与物联网融合场景的共识方法，通过双重投票验证的共识机制，解决了区块链与物联网融合场景中现有区块链共识机制不适用于物联网场景的问题，提高了该融合场景的安全性、处理交易性能以及公平性。

在上述实施例的基础上，基于现有的物联网架构进行改进，从而得到本发明实施例的区块链-物联网融合框架，具体地，所述区块链-物联网融合框架包括感知层、网络层、中间件层和应用层，其中：

所述感知层，用于获取申请节点的交易申请信息，并将所述交易申请信息发送到所述网络层。

在本发明实施例中，感知层中的各个设备可作为申请节点，进行发送和查询交易信息。

所述中间件层包括联盟节点、智能合约和管理角色，其中，所述联盟节点用于对所述区块进行验证投票；所述智能合约用于选举下一轮参与共识的验证节点和打包节点；所述管理角色用于对所有验证节点的身份进行管理，并根据节点特征，对验证节点进行分类。

在本发明实施例中，智能合约还可用于实现自动计分的功能。

图3为本发明实施例提供的区块链-物联网融合框架的结构示意图，可参考图3所示，本发明实施例提供的区块链-物联网融合框架采用物联网4层架构体系，从下至上依次为感知层、网络层、中间件层和应用层。由于不同层物联网设备存储、计算资源以及需求不同，被赋予不同的区块链角色。下面从下至上依次进行介绍：

一、感知层(Sensing layer)，主要是由申请节点(Proposer)构成，由于存储及计算资源有限，感知层的设备，如摄像头、交通信号灯和冰箱等，若想要使用区块链-物联网融合的应用，包括共享信息、交换能源和发送交易等，这些设备可成为申请节点，其中，申请节点不参与区块共识，但可以发送并查询交易等，并且可随时加入或离开网络。由于不参与交易和区块的验证和生成，这些设备不需要耗费大量的计算或存储资源，适用于感知层的资源有限的传感器和嵌入式设备等设备。

二、网络层(Network layer)，包含各种网络通信设备，具有一定的计算和存储能力，可申请参与区块链共识过程。其中，网络层的通信设备可承担3种角色：1、记账节点(Bookkeeper)，具有足够计算及存储资源的设备，如网关和基站等，可以通过向身份管理模块(Identity Manager)申请，并通过实名认证的方式成为记账节点。记账节点可参与交易和区块的分发传播以及区块链的维护，并且也有机会被选为验证节点(verifier)和打包节点(miner)。2、验证节点(verifier)，验证节点负责验证由申请节点提出的交易以及打包节点生成的区块，并对区块进行投票共识。所有的记账节点将被中间件层的分类模块(Classifier)，基于多维特征分为n类，在每一轮共识的后期，中间件层的选举委员会(Election Committee)将会从每一类记账节点中随机选出一个节点成为验证节点(verifier)，即每一轮共识会有n个验证节点。3、打包节点(miner)，打包节点负责打包交易并生成区块。在每一轮选举中，打包节点由该轮多维信用评分最高的验证节点担任。

三、中间件层(Middleware layer)，中间件层除了传统物联网的中间件，如物联网数据管理、应用支撑、网络管理和云计算等平台，还增加了3类，分别为：联盟节点(member)、智能合约(包括Election Committee和Score Manager)和管理角色(包括IdentityManager和Classifier)。其中，联盟节点，可以是一些监管部门和物联网相关厂商、服务提供商会结成的联盟，作为联盟节点维护区块链安全。联盟节点可以对区块进行验证以及共识投票，可以共同决定共识节点的数量及节点信用评分的标准。同时，所有的联盟节点将会维护一个联盟链，其上的智能合约将作为选举委员会(Election Committee)和分数管理模块(Score Manager)，其中，选举委员会是负责在每一轮共识的结尾选举下一轮参与共识的验证节点和打包节点；分数管理模块负责所有记账节点的信用评分。

进一步地，管理角色中的身份管理模块(Identity Manager)，负责网络中所有验证节点的身份管理，普通节点若想成为验证节点，必须向身份管理模块提交申请并进行实名认证，通过后才可以成为验证节点。类似的，若想退出网络，也要向身份管理模块进行申请，才可以从验证节点退为普通节点。分类模块(Classifier)，负责根据节点的多维特征，如地理分布、行业类型和设备贡献度等，将验证节点分为n类。当新节点成为验证节点时，分类模块将根据已经建立好的分类模型，将其分到最适合的一类中；同时，分类模块将会给每一类的节点进行排序，便于后期选举委员会利用随机数，从每一类节点中随机选举节点作为验证节点。

四、应用层，包括以物联网和区块链融合为底层的基础设施应用，如：智慧交通、智能家居、能源、食品和环境监测领域。

在上述实施例的基础上，在所述通过所述验证节点和联盟节点对所述目标区块进行验证投票，若所述验证节点和所述联盟节点的投票数量满足预设条件，将所述目标区块连接到区块链上之后，所述方法还包括：

在本发明实施例中，每一轮共识的末期，选举委员会将选举下一轮参与共识的验证节点和打包节点。在进行验证节点的选举时，首先对记账节点进行分类随机选举，具体为，将记账节点分为N类，在每一类中，随机选举一个节点成为验证节点，选举过程如下：首先，在有效时间内，若共识成功，即选举委员为收到共识成功的区块及其确认投票信息，将利用投票信息、当前时间以及这一轮验证节点的N个公钥地址，生成N个随机种子；若共识失败，即收到失败信息或超时了还未收到信息，则利用当前时间和这一轮验证节点的N个公钥地址，生成N个随机种子；然后，利用生成的随机种子生成N个随机数；最后，利用随机数从分类模块处挑选出下一轮的验证节点。需要说明的是，在区块链初始阶段，若记账节点数少于n个，则选举一些联盟节点作为验证节点参与共识过程，区块链创世区块的验证，由联盟节点选出的验证节点和打包节点负责。

本发明实施例通过分类随机选举机制，可提高物联网场景共识的安全性及公平性。首先，物联网具有海量设备，分布于不同的地理范围、行业范围以及具有不同的设备资源等，根据这些特性分类节点，从不同类别中选举出来的验证阶段将更好地代表全体节点，并且共同作恶的概率更小；其次，由于随机选举过程中的票数及当前时间是不可预测的，那么选举出来的验证节点也是不可预测的，降低了被攻击的可能性，提升了安全性；最后，随机选举过程，保证了物联网中所有参与区块维护的节点都有相同的机会被选取参与共识，适用于要求公平透明的应用，如食品溯源、公益项目等。

进一步地，基于信用评分的进行打包节点的选举，在每一轮选出的验证节点中，将多维信用评分最高的验证节点成为打包节点。由于多维信用评分在一定程度上代表了节点的可信度，选择分数最高的验证节点作为打包打包区块，使得生成区块的可靠性更高。

在上述实施例的基础上，在所述获取每个验证节点的多维信用评分之前，所述方法还包括：

在本发明实施例中，多维信用评分代表了一个节点的可信度，其评分越高，节点越可信、可靠。多维信用评分取决于以下7个方面：

1、联盟节点背书

联盟节点可以通过调用分数管理模块的背书函数，给记账节点进行背书，当函数调用交易被加入区块并确认之后，分数管理模块将自动执行增加该节点分数。

2、交易重要性

通过构建节点交易网络，将每一个交易作为两个节点之间的有向连接，采用用于评估网页关联性及重要性的PageRank算法，来评估节点交易的重要性。其中，节点交易重要性越高，该节点这部分的分数就更高。

3、节点评分

在每次交易完成后，交易双方可以根据对方的交易表现给对方打分，并提交给分数管理你就，这部分分数会被统计在节点的信用总评分里。

4、共识表现

根据节点在共识过程中的表现是否诚实来加减分。如果打包节点和验证节点成功生成或验证区块，它们将会收到奖励分数；相反，如果它们在共识过程中作恶或者中途退出网络，信用评分将减少。

5、保证金数目

由每个记账节点加入网络时所交纳的保证金数目决定，保证金越高，分数越高。

6、在线时长

在线时间是评价节点信用度的一个重要因素，在线时间越长，此部分分数越高。

7、设备安全性

记账节点的性能评估，包括CPU、存储等性能。

在本发明实施例中，假设每一部分评分为{x₁,x₁,……,x₇}，其加权系数为{a₁,a₂,……,a₇}，则总评分为：

其中，x_i∈[0,100],α_i∈[0,1],

基于多维的信用评分，反映了节点的可信度，并且通过使用信用评分影响共识的投票和选举过程，提高系统的安全性。

在上述实施例的基础上，在所述通过所述验证节点和联盟节点对所述目标区块进行验证投票，若所述验证节点和所述联盟节点的投票数量满足预设条件，将所述目标区块加入到区块链上之前，所述方法还包括：

在本发明实施例中，在整个共识过程中，除了双重验证投票机制以外，还提供了一种基于分数的加权投票机制，从而防止共识权力过于集中。具体地，对于联盟节点来说，地位是平等的，且拥有的投票数是相同的；对于验证节点来说，可根据应用要求的不同，采取不同的投票机制，一种为简单投票机制，即每个验证节点在共识过程中，拥有的票数都是相等的，一个节点一票；在本发明实施例中，还提供了一种基于分数的加权投票机制，即每个验证节点所拥有的票数是与其多维信用评分成正比的，分数越高，其票数越多，共识权力越大。假设节点分数为x，那么它的分数为：

进一步地，为了防止共识权力集中，当某个节点的投票权大于总体票数的2/3时，会对票数分配进行调整。假设N个验证节点的信用评分为:X:{x₁,x₂,……,x_N}，那么它们的票数可计算得：

所有验证节点总票数为：

如果有一个节点的票数超过总票数的2/3，如：

那么v_j将被调整为

并且其他节点票数也调整为：

在本发明实施例中，双重验证投票机制使得在允许更多节点参与共识的情况下，依然具有不错的共识效率，并且避免了如PoW的资源浪费问题。此外，加权投票机制将给予拥有更高评分，即可信度更高的节点得到更多票数，提高了投票过程的安全性。

在上述实施例的基础上，在所述将所述新的验证节点和所述新的打包节点用于下一轮的共识过程之后，所述方法还包括：

在本发明实施例中，为了约束节点的共识行为，并且鼓励更多的节点参与共识，运用双重激励机制去激励节点在共识过程中表现诚实。具体为，金钱激励：根据共识过程中各节点的贡献度，分配区块总的交易费，并引入博弈论中Shapley value来计算各个节点的贡献度。分数激励：增分，节点在共识过程中做了贡献，即加分，为了保证公平，不同分数的节点所加的分数相同；减分，在采用加权投票机制的共识过程中，分数较高的节点拥有较大的权利，因此若高分节点作恶，更容易引起不良后果，因此高分节点的作恶惩罚减分更重。

在本发明一实施例中，针对物联网设备资源受限的特点，设计方案根据物联网不同层的设备存储、计算资源以及需求的不同，构建区块链-物联网融合框架，赋予不同层设备不同的区块链角色。针对安全性问题，首先采用多维度的信用评分模型，负责评分的分数管理模块属于智能合约，防止人为操纵信用。节点的多维信用评分决定了节点在共识过程中的投票权力大小、被选为挖矿节点的概率以及获得金钱和分数奖励的数目；其次，共识过程中采用双重安全验证和加权投票机制；再次，选举过程中设计了节点随机分类选取机制，节点分类使得每个参与共识的验证节点都是来自不同的类别，降低了节点间共同作恶的概率；随机选取使得每一轮共识的验证节点是无法预测的，降低验证节点被恶意攻击的可能性；同时负责选举的选举委员会是联盟节点维护的区块链上的一个智能合约，减少了人工的干预，避免人为操纵；最后，采用了金钱和分数的双重激励机制，鼓励更多节点参与维护区块，并在共识过程中作出诚实的行为。针对性能问题，共识采用双重验证投票过程，使得共识具有较短的延迟及不错的TPS。针对权力集中及公平性问题，采用申请制，节点可以通过实名申请参与共识及维护区块；此外，随机选取验证节点，避免权力集中，保证每个节点都有机会参与区块共识。

图4为本发明实施例提供的用于区块链与物联网融合场景的共识系统的结构示意图，如图4所示，本发明实施例提供了一种用于区块链与物联网融合场景的共识系统，包括多维信用评分模块401、区块打包模块402和双重验证模块403，其中，多维信用评分模块401用于基于区块链-物联网融合框架，获取每个验证节点的多维信用评分，所述验证节点是从记账节点中分类并随机选举得到的；区块打包模块402用于通过打包节点对交易进行打包，生成目标区块，所述打包节点为多维信用评分最高的验证节点；双重验证模块403用于通过所述验证节点和联盟节点对所述目标区块进行验证投票，若所述验证节点和所述联盟节点的投票数量满足预设条件，将所述目标区块加入到区块链上。

本发明实施例提供的区块链与物联网融合场景的共识系统，通过双重投票验证的共识机制，解决了区块链与物联网融合场景中现有区块链共识机制不适用于物联网场景的问题，提高了该融合场景的安全性、处理交易性能以及公平性。

本发明实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

图5为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，参照图5，该电子设备可以包括：处理器(processor)501、通信接口(Communications Interface)502、存储器(memory)503和通信总线504，其中，处理器501，通信接口502，存储器503通过通信总线504完成相互间的通信。处理器501可以调用存储器503中的逻辑指令，以执行如下方法：基于区块链-物联网融合框架，获取每个验证节点的多维信用评分，所述验证节点是从记账节点中分类并随机选举得到的；通过打包节点对交易进行打包，生成目标区块，所述打包节点为多维信用评分最高的验证节点；通过所述验证节点和联盟节点对所述目标区块进行验证投票，若所述验证节点和所述联盟节点的投票数量满足预设条件，将所述目标区块加入到区块链上。

此外，上述的存储器503中的逻辑指令可以通过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-Only Memory)、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。

另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的用于区块链与物联网融合场景的共识方法，例如包括：基于区块链-物联网融合框架，获取每个验证节点的多维信用评分，所述验证节点是从记账节点中分类并随机选举得到的；通过打包节点对交易进行打包，生成目标区块，所述打包节点为多维信用评分最高的验证节点；通过所述验证节点和联盟节点对所述目标区块进行验证投票，若所述验证节点和所述联盟节点的投票数量满足预设条件，将所述目标区块加入到区块链上。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，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)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种用于区块链与物联网融合场景的共识方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的用于区块链与物联网融合场景的共识方法，其特征在于，所述区块链-物联网融合框架包括感知层、网络层、中间件层和应用层，其中：

3.根据权利要求1所述的用于区块链与物联网融合场景的共识方法，其特征在于，在所述通过所述验证节点和联盟节点对所述目标区块进行验证投票，若所述验证节点和所述联盟节点的投票数量满足预设条件，将所述目标区块连接到区块链上之后，所述方法还包括：

4.根据权利要求1所述的用于区块链与物联网融合场景的共识方法，其特征在于，在所述获取每个验证节点的多维信用评分之前，所述方法还包括：

5.根据权利要求4所述的用于区块链与物联网融合场景的共识方法，其特征在于，在所述通过所述验证节点和联盟节点对所述目标区块进行验证投票，若所述验证节点和所述联盟节点的投票数量满足预设条件，将所述目标区块加入到区块链上之前，所述方法还包括：

6.根据权利要求3所述的用于区块链与物联网融合场景的共识方法，其特征在于，在所述将所述新的验证节点和所述新的打包节点用于下一轮的共识过程之后，所述方法还包括：

7.一种用于区块链与物联网融合场景的共识系统，其特征在于，包括：

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述用于区块链与物联网融合场景的共识方法的步骤。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述用于区块链与物联网融合场景的共识方法的步骤。