CN112257095A - 一种联盟链共识节点的选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及区块链节点识别技术领域，特别是一种联盟链共识节点的选择方法，主要为联盟链系统提供了安全而不可预测的随机数，并且基于该随机数提出了一种节点选取的方法，能够让区块链每一轮的共识节点的选择都随机，从而规避了拜占庭节点串通作恶的可能性。本发明能保证每一轮共识节点的选举结果不可事先预知，从而能够防止攻击者串通，并且在某一轮获得该轮共识的出块权。并且为联盟链系统引入了不可预知的随机数，这个随机数可以在合约中读取，为合约作者提供更多的可能性。

Description

一种联盟链共识节点的选择方法

技术领域

本发明涉及区块链节点识别技术领域，特别是一种联盟链共识节点的选择方法，主要为联盟链系统提供了安全而不可预测的随机数，并且基于该随机数提出了一种节点选取的方法，能够让区块链每一轮的共识节点的选择都随机，从而规避了拜占庭节点串通作恶的可能性。

背景技术

在联盟链系统中，PBFT 和 Raft 是最常用的共识算法。比起公链所用算法，PBFT和 Raft 都不会导致链分叉，不用担心链的回滚，不需要等待块确认时间，同时能提供相对更高的性能，因此更符合联盟链的应用场景。但是这两种算法的时间复杂度都比较高，比如PBFT 算法，时间复杂度是

，其中的 n 代表参与共识的节点数。简单来说，节点规模每扩大 10 倍，花费的时间就要扩大 100 倍，这也意味着吞吐量减少 100 倍。对于联盟链，这样的性能损失是不可接受的。

通常的方案是，从全部节点中选举出一个较小的集合，以下称为共识节点。共识节点的共识结果被认为是全部节点达成的共识结果。目前急需一种算法能够进行这样的选举，并且这个算法应该保证选举结果公平。

目前，在我们开发的区块链中，使用了一种叫做 RPBFT 的算法：算法通过把节点分为共识节点和验证节点，共识节点负责达成共识，验证节点只观察并同步共识结果，共识节点从验证节点中选举。RPBFT限制节点规模为一个固定值，每隔一段时间，按照顺序剔除掉一个共识节点，并使用一个验证节点代替。

RPBFT算法的问题在于：因为验证节点的顺序是确定的，所以能提前确定未来任意一段时间的共识节点组成。如果攻击者确定了未来一段时间内共识节点，就可以针对性地提前腐蚀或者串通多数节点，然后在攻击者掌握记账权利的轮次上，让恶意的块通过，以此破坏系统的共识，危害系统的安全性。

发明内容

本发明公开一种联盟链共识节点的选择方法，应用可验证随机函数到联盟链上，并基于此划分共识节点组。

一种联盟链共识节点的选择方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）可验证随机函数：

可验证随机函数选用 Keygen 方法，使用节点本身的公钥作为验证密钥VK，节点本身的私钥作为私钥SK，节点不能随时改变公私钥对，避免频繁更换并广播会占用区块链系统吞吐量，可验证随机函数基于现有的 draft-irtf-cfrg-vrf-version3 规范实现；

（2）选举过程：

定义 SIZE 为共识节点集合的大小，选举间隔为 Epoch：

每隔固定的块数即 Epoch，所有参与节点进行选举；

选举之前需要已经同步到最新的区块高度，并且对自己的区块进行打包，得到区块的哈希值 Hash；

获取到上一个区块的随机数 PrevRandom，这个值对于所有节点都是一致的；

把 Hash 和 PrevRandom拼接后，作为消息 X，与自己的私钥SK 作为VRF 的输入，得到结果 R和证明 P；

广播自己的R 和 P，同时接收其他人发布的 R 和 P，验证其他人发布的 R 的正确性；

如果收集齐了所有人的 R 和 P，对 R 做一次由小到大的排序，选择前 SIZE 个节点，标记为当前 Epoch 的共识节点集，并广播；

如果所有节点在共识节点集上达成了共识，那么共识节点就绪，开始正常出块；

共识节点出块的顺序按照 R 由小到大的顺序，每一次出块，块中都会附带上该节点这一次计算出的 R 和 P。

本发明能保证每一轮共识节点的选举结果不可事先预知，从而能够防止攻击者串通，并且在某一轮获得该轮共识的出块权。并且为联盟链系统引入了不可预知的随机数，这个随机数可以在合约中读取，为合约作者提供更多的可能性。

具体实施方式

一种联盟链共识节点的选择方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）可验证随机函数：

可验证随机函数选用 Keygen 方法，使用节点本身的公钥作为验证密钥VK，节点本身的私钥作为私钥SK，节点不能随时改变公私钥对，避免频繁更换并广播会占用区块链系统吞吐量，可验证随机函数基于现有的 draft-irtf-cfrg-vrf-version3 规范实现；

（2）选举过程：

定义 SIZE 为共识节点集合的大小，选举间隔为 Epoch：

1. 每隔固定的块数即 Epoch，所有参与节点进行选举；

2. 选举之前需要已经同步到最新的区块高度，并且对自己的区块进行打包，得到区块的哈希值 Hash；

3. 获取到上一个区块的随机数 PrevRandom，这个值对于所有节点都是一致的；

4. 把 Hash 和 PrevRandom拼接后，作为消息 X，与自己的私钥(SK) 作为VRF 的输入，得到结果 R和证明 P；

5. 广播自己的R 和 P，同时接收其他人发布的 R 和 P，验证其他人发布的 R 的正确性；

6. 如果收集齐了所有人的 R 和 P，对 R 做一次由小到大的排序，选择前 SIZE 个节点，标记为当前 Epoch 的共识节点集，并广播；

7. 如果所有节点在共识节点集上达成了共识，那么共识节点就绪，开始正常出块；

8. 共识节点出块的顺序按照 R 由小到大的顺序，每一次出块，块中都会附带上该节点这一次计算出的 R 和 P。

去掉了可验证随机函数的 Keygen 方法，而使用节点本身的公钥作为验证密钥VK，节点本身的私钥作为私钥SK。因为并不希望节点能随时改变自己的公私钥对，这样频繁更换并广播会占用区块链系统宝贵的吞吐量。使用的可验证随机函数基于官方的 draft-irtf-cfrg-vrf-version3 规范实现。

详细选举流程如下，定义 SIZE 为共识节点集合的大小，选举间隔为 Epoch：

每隔固定的块数即 Epoch，所有参与节点进行选举。选举之前需要已经同步到最新的区块高度，并且对自己的区块进行打包，得到区块的哈希值 Hash。获取到上一个区块的随机数 PrevRandom，这个值对于所有节点都是一样的。把 Hash 和 PrevRandom拼接后，作为消息 X，与自己的私钥(SK) 作为VRF 的输入，得到结果 R和证明 P。广播自己的R 和 P，同时接收其他人发布的 R 和 P，验证其他人发布的 R 的正确性。如果收集齐了所有人的 R和 P，对 R 做一次由小到大的排序，选择前 SIZE 个节点，标记为当前 Epoch 的共识节点集，并广播。如果所有节点在共识节点集上达成了共识，那么共识节点就绪，开始正常出块。共识节点出块的顺序按照 R 由小到大的顺序，每一次出块，块中都会附带上该节点这一次计算出的 R 和 P。

区块链在刚启动的时候，R 为空，所以需要在配置中指定一个初始的随机数和初始的引导节点。创世区块的 R 由这个引导节点计算初始随机数而来。

以之前使用的联盟链为例，它使用了 RPBFT 的共识算法。假设目前选举出来的验证者集合为 V = [

,

,

,

]，如果该轮

已经出块，那么按照 RPBFT 算法，我们可以知道，之后一轮

会进行出块，再之后是

。我们甚至能计算和推断，未来某一个时间，比如两个小时过后，验证者集合会变成[

,

,

,

]。

假设有一个攻击者，他控制了

,

，并且知道，两个小时之后，他的节点会占据所有验证节点的多数（他控制了 5 个节点中的 3 个），这就意味着在那个时间点，他可以伪造虚假的交易，比如让 Alice 的所有资产转给自己，并且强制写入链上；或者更改交易的顺序，让正确的交易错误。比如 Bob 账户上余额为 0，Alice 发起了一条交易Tx1：Alice 转给 Bob 20 的资产，这时候 Bob 账户余额为 20。然后 Bob 发起一条交易Tx2：Bob 转给 Carol 10 的资产。结果是 Bob 余额现在是 10。但是如果 Tx2 和 Tx1 的顺序发生了改变，那么 Tx2 会直接失败，导致 Bob 余额最终变成 20。

这个案例说明，如果验证集合可预测，那么攻击者可以用很少的代价，达成攻击的目的。

那么如果使用了基于 VRF 的 PBFT 共识算法，在任意一个轮次，验证者身份都是未知的，因为所有节点都在出块，而只有所有节点的随机数被公布并且相互验证之后，才能知道到底是哪个节点的块会被采用。并且，这个身份未知的节点对上一轮的随机数又进行了一些修改，导致下一轮的节点依旧无法预测。这样攻击者根本无法通过控制特定个数的节点来获取出块权利，也无法决定自己的节点会在何时出块，从而保证了安全性。

本发明的核心是引入随机数。对这个随机数要求强随机的，这就要求有真正的随机数种子。一般计算机中强随机数需要硬件支持，得到一些无法预测的事件，比如读取特定硬件中断的时间间隔，或者鼠标位置变化等。在通常的区块链系统方案，比如比特币以及以太坊中，因为所有的输入都是确定的，所以无法实现随机数。对此，我们引入了可验证随机函数。

但是这并不是说，因为引入可验证随机函数就能在区块链系统中使用随机数。可验证随机函数只是保证，任何人都无法预测其他人将会产生的值，因为可验证随机函数中需要使用到私钥。同时，任何人都可以验证其他人产生的随机数没有作弊，因为在其他输入确定的情况下，可以通过对方的公钥验证随机数是否正确。

如果对非对称加密比较熟悉，那么可以直接看出，上文可以抽象成为一个两次提交的非对称加密过程：用户生成自己的密文 S，通过自己的私钥 Priv 加密之后得到 M，并连带自己的公钥 Pub 发送给其他人。当用户揭示自己密文 S 的时候，其他人需要通过Pub 验证用户发送的 M，如果解密出的信息正好是 S，那么说明用户的确以 S 为自己的密文。否则，如果用户欺骗了其他人，那么经 Pub 解密出的 M 一定不等于 S。

实际上，通过精心设计的共识节点选举过程，保证每一次选举结果本身随机；通过每一次随机的共识节点逐块地应用可验证随机函数，最终让每一个块的随机数都不可能事先预知。

1. 可验证随机函数;

2. 选举过程;

可验证随机函数（或者称为 VRF 函数）是一种将输入映射为可证伪的伪随机输出的加密方案，具体实现不一。以下给出规范如下：

VRF 算法由一组三个加密函数组成: Keygen、Evaluate 以及 Verify。

对任意随机输入，Keygen 产生一对非对称密钥对：验证密钥（公钥） VK 和私钥SK。

求值函数 Evaluate 输入私钥 SK、消息 X，输入伪随机数 R 和证明 P。

验证函数 Verify 输入验证密钥 VK、消息 X 以及求值函数中的输出的伪随机数R 和证明 P。

如果该函数验证了证明 P 是根据消息 X 生成的，并且能够根据 P 推导出伪随机数 R，输出为 true，否则为 false。

对于相同的密钥对和消息 X 的输入，VRF 只会产生唯一的伪随机数 R 和证明P。

选举机制的核心在于，对于确定的输入值，每个验证节点都使用自己的私钥进行一次可验证随机函数的计算，并且把计算结果广播。而除非收集到其他节点的结果，否则不能确定自己，或者任意一个节点是否将会被作为共识节点。因为对所有的节点而言输入确定，其他节点的公钥确定，根据可验证随机函数的性质，任何节点都不可能提交一个不正确的随机数。而当节点接收完全部节点的随机数，按照随机数进行一次由小到大排序，选择靠前的若干个节点作为共识节点，共识节点集就被唯一确定了。

本发明在区块链系统中引入可验证随机函数和精心设计的选举机制，为区块链提供了随机化的可能性。每一次的块都会让随机数发生无法预测但是可验证的改变。通过这样的方式，保证了区块链和节点总数无关，共识节点集合无法预测的特点。

文中名词解释

区块链：借由密码学串联并保护内容的串接文字记录；

联盟链：只开放给特定群体的成员和有限的第三方记账权限的区块链，通常有完善的权限机制；

记账：把文字记录数据写入区块链；

节点：独立的服务器，运行区块链主程序，根据执行的不同的功能，可以分为多种角色，比如记账节点，观察节点等;

共识：记账节点记账完成后，其他节点对记账结果达成一致，并记录结果到本地的区块链上；

哈希函数：通过把不定长的字符串记录处理到固定长度的函数；

区块：用密码学保护内容的文字记录（交易），可以通过验证来证明记录没有被修改；

区块头：包括除了文字记录本身的其他数据，比如哈希，随机数等；

出块/打包：把文字记录到区块中；

分叉：区块链系统中，指一个区块后面跟着多个合法区块；

验证节点：在联盟链中只验证区块的节点，验证节点同时也是共识节点的备选节点；

共识节点：负责共识，出块的节点；

时间复杂度：是一个用来描述算法运行时间的函数，常用大 O 符号表述，不包括函数的低阶项和首项系数；

可验证随机函数：基于公私钥体系的随机数生成函数，其生成的随机数可以被他人验证，以确保随机数并非随意提交，也没有对结果进行修改；

拜占庭节点：指作恶节点，节点会试图扰乱链的正常数据。来源于拜占庭将军问题。

Claims (2)

1.一种联盟链共识节点的选择方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）可验证随机函数：

可验证随机函数选用 Keygen 方法，使用节点本身的公钥作为验证密钥VK，节点本身的私钥作为私钥SK，节点不能随时改变公私钥对，避免频繁更换并广播会占用区块链系统吞吐量，可验证随机函数基于现有的 draft-irtf-cfrg-vrf-version3 规范实现；

（2）选举过程：

定义 SIZE 为共识节点集合的大小，选举间隔为 Epoch：

每隔固定的块数即 Epoch，所有参与节点进行选举；

选举之前需要已经同步到最新的区块高度，并且对自己的区块进行打包，得到区块的哈希值 Hash；

获取到上一个区块的随机数 PrevRandom，这个值对于所有节点都是一致的；

把 Hash 和 PrevRandom拼接后，作为消息 X，与自己的私钥SK作为VRF 的输入，得到结果 R和证明 P；

广播自己的R 和 P，同时接收其他人发布的 R 和 P，验证其他人发布的 R 的正确性；

如果收集齐所有人的 R 和 P，对 R 做一次由小到大的排序，选择前 SIZE 个节点，标记为当前 Epoch 的共识节点集，并广播。

2.根据权利要求要求1所述的一种联盟链共识节点的选择方法，其特征在于还包括如下步骤：

如果所有节点在共识节点集上达成了共识，那么共识节点就绪，开始正常出块；

共识节点出块的顺序按照 R 由小到大的顺序，每一次出块，块中都会附带上该节点这一次计算出的 R 和 P。