CN112600917B - 一种基于信誉的区块链工作证明方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于区块链技术领域，特别涉及一种基于信誉的区块链工作证明方法，包括节点直连在单跳网络中，搭建区块链网络，加入节点信誉机制，运行区块链网络；设置节点参与区块链共识的信誉门限值和波动程度，每次区块链网络共识完成后，节点将获得当次共识的信誉考核值，判断节点的可信程度，基于假设检验的方式判断节点的历史信誉考核是否可信任；根据节点的历史信誉考核值，调整节点需要计算的哈希问题难度值大小；根据在完成共识后节点获得的信誉考核情况，判断该节点采取的共识策略，计算节点通过参与工作量证明获得的记账奖励；本发明减少由于节点的恶意行为而导致的区块链性能恶化，同时降低了区块的产生时延，提高了网络的吞吐量。

Description

一种基于信誉的区块链工作证明方法

技术领域

本发明属于区块链技术领域，特别涉及一种基于信誉的区块链工作证明方法。

背景技术

最近，区块链已经逐渐成为现代信息技术发展的热门研究对象。区块链技术就是建立一个无需中央认证的去中心化共享网络来实现安全可靠的数据传输和记录。在区块链中，共识机制使网络能够在存在拜占庭问题的情况下达成一致，这是在用户之间建立可信任的分布式点对点网络的关键。中本聪在比特币(Bitcoin)白皮书中首次提出了区块链技术，该技术是验证和存储数据并保证数据传输可靠性的基础技术。作为区块链首个最成功并且具有非常高市场价值的应用之一，Bitcoin的系统安全性依赖于工作量证明共识机制(Proof of Work，PoW)。

在PoW中，交易被记录在公共的帐本中并且存储在区块里。所有的矿工通过投入自身的计算资源解决哈希计算的密码难题来完成工作量证明。只有第一个解决了哈希难题的矿工才能获得将新区块插入到区块链中的权利并且获得挖矿奖励。但是由于在挖矿的过程中需要花费大量的计算资源，这就导致了一部分矿工企图通过诸如拦截攻击、自私挖矿、日蚀攻击、顽固挖矿等恶意行为来增加利润。由于产生恶意行为的矿工获得了额外的利润，从而使得矿工之间存在不公平竞争，这极大的降低了区块链的共识效率。

虽然PoW在区块链中被广泛的应用，它们在不同的物联网场景下展示出了各自的优势和特点，但是在实际应用中仍然存在一些挑战和局限：对于PoW而言，在挖矿过程中需要花费大量的计算资源在没有意义的哈希计算上，造成了严重的资源浪费问题，并且节点的恶意行为将严重影响节点的共识效率。

发明内容

为了限制节点的恶意行为并且降低资源的消耗，以同时保证区块链共识的高效性和安全性，本发明提出一种基于信誉的区块链工作证明方法，具体包括以下步骤：

S1、根据基于PoW共识机制的Bitcoin应用，将网络中的所有节点全部直接连接在单跳网络中，搭建区块链网络，加入节点信誉机制，运行区块链网络；

S2、设置节点参与区块链共识的信誉门限值和波动程度，每次区块链网络共识完成后，节点将获得当次共识的信誉考核值，利用t分布的区间估值理论来判断节点的可信程度，基于假设检验的方式判断节点的历史信誉考核是否可信任；

S3、根据节点的历史信誉考核值，动态的调整节点为了获得记账权利而需要计算的哈希问题难度值大小；

S4、根据在完成共识后节点获得的信誉考核情况，判断该节点采取的共识策略，根据不同的共识策略，计算节点通过参与工作量证明获得的记账奖励。

进一步的，判断节点的历史信誉考核是否可信任的过程包括：

在开始共识之前监督者设置一个节点能够参与共识的信誉门限ε₀，当节点的信誉值低于该门限值则无法参与区块链的共识过程；

监督者设置一个信誉波动程度，当节点的信誉波动程度大于信誉波动门限值时，节点不能参加当前的共识过程；

根据节点的历史信誉值的期望值和方差计算节点信誉波动范围；

根据获取的节点信誉波动范围获取节点的假设检验的取决区间，当前节点的信誉波动值落入取决区间时，监督者拒绝相信当前节点的历史信誉记录是真实可信的；

若该节点被判断为不可信任，那么将不可参与当次共识过程。

进一步的，节点信誉波动范围表示为：

其中，θ_i[a]为节点信誉波动范围，1-a为置信度区间；

C_ij为节点i的第j次共识之后的信誉值，n为节点i的参加共识的次数；

ω_ij为第j次共识中节点i的信誉值，Ω_i为节点i的历史信誉集合；

为t分布的双侧区间值。

进一步的，当前节点取决区间表示为：

其中，δ_i为节点i的波动程度；δ₀为波动程度的门限值；χ_α ²(n-1)为自由度为n-1的卡方分布，n为区块链网络总共进行的共识次数。

进一步的，节点i的波动程度δ_i表示为：

其中，ω_ij为第j次共识中节点i的信誉值，Ω_i为节点i的历史信誉集合。

进一步的，根据节点的历史信誉考核值，动态的调整节点为了获得记账权利而需要计算的哈希问题难度值大小包括：

其中，D_ij为节点i第j次共识的哈希计算的难度值；σ为节点i参与共识时采用的共识策略，σ＝M表示当前节点为诚信节点采用的策略，σ＝H表示当前节点为恶意节点采取的策略；D₀表示每一次共识的初始化难度值，ξ_i表示权重大小。

进一步的，节点参与共识获得的额外累积收益表示为：

其中，η_i(σ)为节点i参与共识获得的额外累积收益；R_i为节点i在区块链网络中的运行时长；B_i(σ)表示节点i在共识策略σ下的共识收益。

进一步的，节点i在共识策略σ下的共识收益B_i(σ)表示为：

其中，B_i(σ)表示节点i在共识策略σ下的共识收益；μ_i为节点i的信誉考核历史的期望值；C_ij为节点i在第j次共识之后的信誉值，

为C_ij的平均值；ε₀为节点能够参与共识的信誉门限。

本发明解决了现有PoW共识机制的区块链系统需要消耗大量资源来达成共识的问题，本发明通过限制节点的恶意行为，提高区块链共识的高效性和可靠性；另外，本发明充分考虑了在实际分布式物联网环境中网络节点行为的不确定性，以节点的信誉变化程度来反映节点在区块链共识中的持续表现情况，每次共识开始之前都会先将不符合条件的节点移出，减少由于节点的恶意行为而导致的区块链性能恶化，保证了区块链网络共识的高效性和可靠性，并且计算能力较低的节点可以通过保持良好的行为来获得更高信誉的方式，提高获得向区块链插入新区块的权利的可能性，保证了竞争的公平性，同时根据节点的共识策略动态的调整节点的共识收益，以此来激励节点保持长期的诚实运作。

附图说明

图1为本发明一种基于信誉的区块链工作证明方法流程示意图；

图2为本发明实施例的节点信誉变化图；

图3为本发明实施例的诚实节点占比曲线对比图。

图4为本发明实施例的区块产生时延曲线对比图；

图5为本发明实施例的区块吞吐量曲线对比图。

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。

本发明提出一种基于信誉的区块链工作证明方法，如图1，具体包括以下步骤：

S1、根据基于PoW共识机制的Bitcoin应用，将网络中的所有节点全部直接连接在单跳网络中，搭建区块链网络，加入节点信誉机制，运行区块链网络；

S2、设置节点参与区块链共识的信誉门限值和波动程度，每次区块链网络共识完成后，节点将获得当次共识的信誉考核值，利用t分布的区间估值理论来判断节点的可信程度，基于假设检验的方式判断节点的历史信誉考核是否可信任；

S3、根据节点的历史信誉考核值，动态的调整节点为了获得记账权利而需要计算的哈希问题难度值大小；

S4、根据在完成共识后节点获得的信誉考核情况，判断该节点采取的共识策略，根据不同的共识策略，计算节点通过参与工作量证明获得的记账奖励。

在本实施例中，假设在基于PoW共识机制的区块链系统中有i个节点，每个节点在共识过程中都必须计算一个复杂的哈希难题，率先计算成功者将获得添加新区块到区块链中的权利，并且获得记账奖励。在共识过程中，理性的节点会采取合法行动来实现自身利益的最大化。但是，在PoW中计算资源是可消耗的，这就导致了在竞争记账权的过程中，节点会出现一些恶意行为。这些恶意行为可能会造成分布式计算资源的浪费，甚至对区块链网络的效率构成威胁。

为了鼓励节点诚实的参与区块链共识，利用本发明的工作证明方法约束矿工的恶意行为。考虑在每一次共识之前，随机的从网络节点中选取一个节点为共识监督者W_j，其中1≤j≤n，n为区块链网络总共进行的共识次数，该监督者将会对共识过程中的所有节点进行信誉考核评价，定义ω_ij表示第j个监督者对节点i的信誉考核值，其中-1≤ω_ij≤1，当ω_ij＝1表示在第j次共识中节点i的表现非常好，同理，当ω_ij＝-1表示在第j次共识中节点i的表现非常差。假设在经过了n次共识之后，节点i的信誉考核值为C_in(C_in∈ω_ij)，节点i的考核记录表为Ω_i＝{C_i1,C_i2,C_i3,...,C_in}。由于节点的信誉等级在一定范围内不断变化，所以使用概率区间来定义节点的信誉等级。

本实施例中，每个区块除了包含上个区块hash值、时间戳、签名等关键信息外，还存储了区块链网络中所有区块的信誉值等信息，并且会随着区块链系统运行动态的进行更新。

在共识开始之前，监督者将会设置节点能够参与共识的一个信誉门限值ε₀，如果节点的信誉值低于该门限值，那么该节点将无法参与区块链共识过程；另外，根据节点的信誉值波动情况来判断该节点是否可信，即：

定义δ_i为节点i的信誉波动程度，同样的，监督者也会设置一个信誉波动门限值δ₀，当δ_i＞δ₀时，该节点将会被禁止参与该次共识；

根据节点i的考核记录表Ω_i＝{C_i1,C_i2,C_i3,...,C_in}计算节点i的信誉区间，定义节点i的信誉考核历史的期望值为μ_i＝E(C_i)，方差为δ_i＝D(C_i)；

根据中心极限定理，独立同分布的随机变量{C_i1,C_i2,C_i3,...,C_in}的算术平均数为

当n趋近于无穷大时，节点的信誉考核数据量非常庞大，则其近似分布是服从于均值为μ_i，方差为

的正态分布。根据区间估值理论，则有：

其中

t(n-1)表示自由度为n-1的t分布。根据t分布的性质，可以得到置信区间(1-a)为：

其中，θ_i[a]就是所需的节点信誉波动范围；节点i的信誉值在

置信度区间的概率为(1-a)。

每一次共识的监督者M_j将根据节点的信誉区间来评估该节点的信誉波动程度，当波动程度越高，那么节点就更倾向于被认为是恶意节点，因此如前文所述，监督者将根据节点的信誉波动程度为依据，当波动程度高于门限值δ₀时，该节点将被禁止参与本次共识。根据节点的信誉考核记录Ω_i＝{C_i1,C_i2,C_i3,...,C_in}，本实施例假设存在以下两种情况：

其中δ₀为区块链网络的信誉波动门限值，可以根据实际情况需要进行调整。若节点i的实际信誉波动值大于门限值，那么可以判断该节点的历史信誉值变化波动非常大。因此，设置合适的门限值对于区块链共识的整体影响非常巨大，若门限值设置的太高，那么对于节点的信誉值波动变化就不敏感，将会导致恶意节点破坏区块链网络共识，降低整体性能；若门限值设置的太低，那么对于节点的信誉值波动就会过于敏感，以至于诚实节点也可能被误认为是恶意的，而且禁止参与共识，甚至移出区块链网络。因此，采用假设检验的方式来进一步判断ρ₀和ρ₁的合理性，定义ρ₀的显著性水平为α，则该统计假设检验可以被表示为：

该假设检验的取决区间为：

根据上述定义和假设，本发明可以评估节点i是否在共识中可信任，换言之，若δ_i ²的值落入拒绝区间，那么可以拒绝相信该节点以往的信誉考核记录是真实可信的。

根据节点i的信誉值，适当的降低节点i计算的哈希问题的困难程度。在基于PoW的区块链中所有合法的区块必须满足下述条件：

U≤θ≤1；

其中，U是通过哈希运算得到且服从均匀分布的值。在PoW中

D为哈希问题难度值。为了获得插入新区块到区块链中的权利，所有的节点都必须尽可能快的找到一个合适的U值来满足上述条件。

首先获得节点i在PoW中产生区块所需要的挖矿时间(T_i)，并且其累计概率分布可以如下所示：

其中，r_i为节点i在PoW中挖矿时的计算能力。由于在实际的场景中

则有：

因此，其概率分布函数为：

在发明设计的共识机制中，节点i的哈希问题难度值将根据其上一次共识后获得的信誉考核值C_in来进行调整，定义σ为节点i参与共识时采用的共识策略，分别用H和M来表示节点i在参与共识过程时的两种状态：诚实和恶意，则有σ＝(H,M)，则有：

其中，D₀表示每一次共识的初始化难度值，ξ_i表示权重大小，则节点i在第j次挖矿时延的概率分布函数为：

在分析了节点i在共识过程中的表现行为之后，判断该节点是否在进行诚实运作，并以此为依据动态的调整节点i的共识收益，来达到激励节点持续的诚实运作的目的。定义节点i在区块链网络中的运行时长为R_i，同时，根据t分布的置信区间性质，发生恶意攻击的概率为：

节点通过不同共识策略获得的共识收益B_i(σ)为：

节点i参与共识获得的额外累积收益为η_i(σ)，则有：

综上所述，本发明设计的基于信誉的区块链工作证明机制的共识过程分为以下几个步骤：

1)网络初始化：在区块链网络最开始形成时，区块链系统将会自动初始化每一个节点i的R_i、

θ_i[a]、δ_i以及ξ_i，同时系统将会在每次共识之前设置可参与共识的信誉门限值ε₀和信誉波动程度δ_i，并在网络中的所有节点中随机选择一个节点成为监督者并且在每一次新的共识开始之前，都将再随机选择一次。

2)参与共识条件判断：当新交易被发布后，节点都需要申请才能参与该次共识，被随机选择的监督者将会根据节点i的历史行为并结合ε₀和δ_i来判断该节点是否能够参与到共识中。若

并且

那么节点i在区块链网络中的运行时长R_i＝R_i+1，即该节点能成功参与共识，否则R_i＝R_i-1，当R_i＝0时，那么该节点就会被移出区块链网络，该节点的所有信息将会全部清空。

3)共识过程：每个成功参与共识的节点i，需要解决的哈希问题的难度将会根据其上一次共识完成后的信誉考核值进行动态调整。

4)数据更新：在共识过程结束之后，获得记账权的节点将会根据其在共识过程中采取的策略σ来对其进行记账奖励，本次共识的监督者W_j将会对每一个参与到共识的节点进行信誉考核，每个节点的考核信息将被更新到该节点的信誉考核历史记录Ω_i＝{C_i1,C_i2,C_i3,...,C_in}中，并以此为依据更新该节点的信誉波动程度δ_i以及置信区间θ_i[a]。

本实施例节点i为了找到一个合法的区块所需要的时间周期的概率分布函数后，可以发现T_i是服从以

为速率的指数分布,根据指数分布的性质可知，节点i要找一个合适的U值所需要的挖矿时间，即：

假设每个节点的计算能力分别为r₁,r₂,r₃,...,r_m，对应找到新区块的挖矿时间分别为T₁,T₂,T₃,...,T_m，并且区块的平均产生时间为T_b，则根据指数分布的性质，T_b同样服从指数分布，则有：

因此，找到合法区块的时延可以表示为：

区块链中所有新产生的合法区块必须满足

容易得知在第j次共识中，目标难度值D_min＝min{D_1j,D_2j,D_3j,...,D_mj}。因此对于存在m个节点的区块链中产生一个新区块需要的挖矿时间为：

假设每个区块中能够容纳的交易数量为L，节点i在队列中的排队长度为Q_i。另外，在本发明中考虑节点i的新交易到达速率是服从以λ_i为速率的泊松分布。由于每个区块中能够容纳的交易数量是由区块的大小决定的，因此无论在区块产生周期T_b ^Credit内有多少新交易到达，在两个连续的区块之间能够被处理的交易数量都不能超过L。因此区块链的TPS是由区块的最大容量限制L和新交易到达率λ_i共同决定的，并且可以被表示为如下形式：

当

此时意味着网络目前处于低负载状态，在区块产生周期内所有新到达的交易均可以被处理并且记录在区块链中。相反的，当

这就表示网络目前处于高负载状态，并且不再能够继续处理和记录新到达的交易，当队列的存储空间已满时，之后新到达的交易将不会被处理并且会被舍弃，此时交易处理失败就随之产生了，本实施例使用的是先进先出(FIFO)。

在发明从节点的信用值变化，诚实节点的占比率，区块产生时延和吞吐量四个方面来评估基于信誉的PoW共识机制的性能。根据实际的物联网环境需求以及区块链最典型的应用Bitcoin为研究对象，在MATLAB中对其进行仿真验证。系统参数设置如下:共识节点数量m＝10；共识次数n＝20；信誉门限值ε₀＝0.3；信誉波动门限值δ₀＝0.3；区块挖矿目标难度值D₀＝1013，节点i计算能力r_i的取值范围为1-10TH/S；区块能够容纳交易的数量L＝255；区块链网络中新交易的到达速率范围为0-100Transaction/s。

根据节点在共识过程中的表现情况，其信誉考核情况如图2所示。从图中不难发现，在传统的PoW共识机制中，节点的行为趋向于不稳定，信誉评价波动较大，而在基于信誉的PoW共识机制中，节点的行为趋于平稳，信誉评价波动较小。接下来，从图3中可以得知，网络中的诚实节点的比重不断平稳增加，说明只有持续表现良好的节点才能持续的参与到共识中，可确保区块链网络共识的稳定。根据节点的信用值和计算能力，传统PoW和基于信用的PoW共识机制中的平均区块产生时间T_b如图4所示。显然，随着节点计算能力的增加，区块链中区块产生所需要的时间逐渐降低。由于PoW需要花费大量的资源来完成共识，因此不适用于物联网用户或者移动设备。相比之下，本发明提出的共识机制能以更快的速率产生区块，节省资源的开销，提高达成共识的速率。同时使得计算能力低节点可以通过保持良好信用的方式降低需要计算的哈希问题的难度，激励其持续的参与到共识中，解决了由于计算能力分布不均而导致的算力集中化问题。为了更加清楚的展现网络负载对区块链性能的影响，通过逐渐增加节点的新交易到达速率λ_i，将区块链网络从低负载状态逐渐转换至高负载状态。从图5中可以看出区块链网络的TPS会首先保持线性增长，由于能够被处理的交易数量是由区块的大小L所决定的，因此当

时系统的吞吐量将不再增加。另外，在PoW中随着新交易到达速率的逐渐增加，TPS会迅速达到饱和值，吞吐量较低，而在基于信誉的PoW中TPS可以在网络负载较高的情况下继续不断增加，更能适应物联网中交易源源不断到达的场景。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于信誉的区块链工作证明方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、根据基于PoW共识机制的Bitcoin应用，将网络中的所有节点全部直接连接在单跳网络中，搭建区块链网络，加入节点信誉机制，运行区块链网络；

S2、设置节点参与区块链共识的信誉门限值和波动程度，每次区块链网络共识完成后，节点将获得当次共识的信誉考核值，利用t分布的区间估值理论来判断节点的可信程度，基于假设检验的方式判断节点的历史信誉考核是否可信任，该过程包括：

在开始共识之前监督者设置一个节点能够参与共识的信誉门限ε₀，当节点的信誉值低于该门限值则无法参与区块链的共识过程；

监督者设置一个信誉波动程度，当节点的信誉波动程度大于信誉波动门限值时，节点不能参加当前的共识过程；

根据节点的历史信誉值的期望值和方差计算节点信誉波动范围；

根据获取的节点信誉波动范围获取节点的假设检验的取决区间，当前节点的信誉波动值落入取决区间时，监督者拒绝相信当前节点的历史信誉记录是真实可信的；

若该节点被判断为不可信任，那么将不可参与当次共识过程；

S3、根据节点的历史信誉考核值，动态的调整节点为了获得记账权利而需要计算的哈希问题难度值大小；

S4、根据在完成共识后节点获得的信誉考核情况，判断该节点采取的共识策略，根据不同的共识策略，计算节点通过参与工作量证明获得的记账奖励。

2.根据权利要求1所述的一种基于信誉的区块链工作证明方法，其特征在于，节点信誉波动范围表示为：

其中，θ_i[a]为节点信誉波动范围，1-a为置信度区间；

C_ij为节点i的第j次共识之后的信誉值，n为节点i的参加共识的次数；δ_i为节点i的波动程度；

为t分布的双侧区间值。

3.根据权利要求1所述的一种基于信誉的区块链工作证明方法，其特征在于，当前节点取决区间表示为：

其中，δ_i为节点i的波动程度；δ₀为波动程度的门限值；χ_α ²(n-1)为自由度为n-1的卡方分布，n为区块链网络总共进行的共识次数。

4.根据权利要求3所述的一种基于信誉的区块链工作证明方法，其特征在于，节点i的波动程度δ_i表示为：

其中，ω_ij为第j次共识中节点i的信誉值，Ω_i为节点i的历史信誉集合。

5.根据权利要求1所述的一种基于信誉的区块链工作证明方法，其特征在于，根据节点的历史信誉考核值，动态的调整节点为了获得记账权利而需要计算的哈希问题难度值大小包括：

其中，D_ij为节点i第j次共识的哈希计算的难度值；σ为节点i参与共识时采用的共识策略，σ＝M表示当前节点为诚信节点采用的策略，σ＝H表示当前节点为恶意节点采取的策略；D₀表示每一次共识的初始化难度值，ξ_i表示权重大小。

6.根据权利要求5所述的一种基于信誉的区块链工作证明方法，其特征在于，节点参与共识获得的额外累积收益表示为：

其中，η_i(σ)为节点i参与共识获得的额外累积收益；R_i为节点i在区块链网络中的运行时长；B_i(σ)表示节点i在共识策略σ下的共识收益。

7.根据权利要求6所述的一种基于信誉的区块链工作证明方法，其特征在于，节点i在共识策略σ下的共识收益B_i(σ)表示为：

其中，B_i(σ)表示节点i在共识策略σ下的共识收益；μ_i为节点i的信誉考核历史的期望值；C_ij为节点i在第j次共识之后的信誉值，

为C_ij的平均值；ε₀为节点能够参与共识的信誉门限。

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