CN112769936A - 一种基于投票与信用机制的povt共识算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于投票与信用机制的POVT共识算法，所述基于投票与信用机制的POVT共识算法通过引入投票机制来更加公平地选择出块节点，彻底避免节点之间的算力竞争，并且引入的信用机制能够保证参与共识的节点的可靠性，同时降低权益对记账权分配的影响，从而增大对系统发起权益粉碎攻击、自私挖矿攻击等的难度。

Description

一种基于投票与信用机制的POVT共识算法
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及一种基于投票与信用机制的POVT(Proofof Vote and Trust)共识算法。
背景技术
区块链作为一种分布式数据库，最基本也是最核心的要求是所有的节点能对所保存的数据达成一致，因此共识机制一直是被研究的重点。
目前，区块链技术常用的共识算法有工作量证明PoW(Proof of Work)、权益证明PoS(Proof of Stake)与实用拜占庭容错算法PBFT(Practical Byzantine FaultTolerance)等。其中，PoS共识与PoW共识相比，节点通过投入权益使挖矿的难度下降，投入的权益越多，挖矿的难度越低，该方法考虑的是持有代币越多的人越希望保持系统的稳定，这样才能使其利益不受损害。但是，这样也带来了新的问题，拥有代币越多的人越有更大的可能性获得出块权，以此得到出块奖励，这样会形成一个恶性循环，不利于系统长期的公平与稳定，并且PoS共识最终还是要通过哈希运算来竞争记账权。
因此，如何更加公平的选择出块节点，彻底避免节点之间的算力竞争，提高参与共识的节点的可靠性，同时降低权益对记账权分配的影响，增大对系统发起权益粉碎攻击、双花攻击、自私挖矿攻击的难度，是一个亟需解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于投票与信用机制的POVT共识算法，所述基于投票与信用机制的POVT共识算法包括如下步骤：
S1：在周期开始前，根据节点的权益及STrust值形成一个共识节点集合；
S2：在集合中从范围为(1,2，…，Nump)的生产节点中选择编号与随机数R相同的节点成为出块节点；
S3：投票节点在收到生产节点发出的区块验证请求后，对区块中的数据进行验证；
S4：根据生产节点接收的消息，选择记录此时时间的时间戳，或立即取消该节点的共识资格；
S5：判断每个被选择的生产节点出块时间是否超过设定的时间Tb；
S6：在每一轮周期结束后，成功参与共识的节点会获得STrust值奖励。
优选的，步骤S2，所述出块节点从交易池中取出一些交易打包并组装成区块，随后将区块广播给投票节点并准备接受投票节点的反馈消息，如果产生的区块是创世区块，则随机数R为1；如果产生的区块是非创世区块，则随机数R由上一生产节点在生成新区块的过程中产生。
优选的，所述随机数R的生成过程如下：
生产节点在向投票节点提交区块后同时收集投票节点的反馈消息，即Signature[i](1≤i≤Numv)，同时根据时间戳Timestamp由式(1)的到Rsource：
Figure BDA0002892151180000021
对得到的Rsource进行哈希运算，然后取字符串的后32位将其转化成整数，得到R'，如式(2)：
R'＝StrToInt(SubStringEnd32(Hash(Rsource))) (2)
将R'由(3)可得随机数R：
R＝R'mod Nump(1≤R≤Nump) (3)
优选的，所述步骤S3：若验证数据无误，则签名、加盖时间戳，并广播确认信息；若发现数据有误，则广播一个拒绝消息。
优选的，所述步骤S4：若生产节点收到Numv/2+1个投票节点的确认消息则表明已对该区块达成共识，生成一个记录此时时间的时间戳，然后对该区块进行后续的签名、广播等操作；若生产节点接收到超过Numv/2+1个投票节点发出拒绝消息则判定该生产节点有恶意行为，立即取消该节点的共识资格，并由编号为R+1的生产节点继续进行共识流程，同时在候补节点中根据编号顺序递补成为新的生产节点。
优选的，所述步骤S5：若超过时间Tb还没能完成出块，则由编号R+1的生产节点继续完成下一个区块的产生。
优选的，所述步骤S6：若有恶意行为的节点会受到降低STrust值的惩罚，且该节点后续想要参与共识的难度增加。
优选的，所述POVT共识算法通过综合考虑一个节点的有效出块数、有效投票数、参与度等因素，并使用STrust值来定量描述一个节点的可信度，再结合节点本身的权益来决定节点是否能够参与共识过程。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于投票与信用机制的POVT共识算法通过引入投票机制来更加公平地选择出块节点，彻底避免节点之间的算力竞争，并且引入的信用机制能够保证参与共识的节点的可靠性，同时降低权益对记账权分配的影响，从而增大对系统发起权益粉碎攻击、自私挖矿攻击等的难度。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于投票与信用机制的POVT共识算法流程图。
具体实施方式
为了对本发明的实施例进行详细说明，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。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明的主要目的在于提供一种基于投票与信用机制的POVT共识算法，旨在解决如何更加公平的选择出块节点，彻底避免节点之间的算力竞争，提高参与共识的节点的可靠性，同时降低权益对记账权分配的影响，增大对系统发起权益粉碎攻击、双花攻击、自私挖矿攻击难度的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种实施例，如图1所示，图1为本发明提供的一种基于投票与信用机制的POVT共识算法流程图。所述基于投票与信用机制的POVT共识算法，网络中的普通节点产生交易数据，在一个周期内包括如下步骤：
S1：在周期开始前，根据节点的权益及STrust值形成一个共识节点集合；
S2：在集合中从范围为(1,2，…，Nump)的生产节点中选择编号与随机数R相同的节点成为出块节点；所述出块节点从交易池中取出一些交易打包并组装成区块，随后将区块广播给投票节点，并准备接受投票节点的反馈消息；
S3：投票节点在收到生产节点发出的区块验证请求后，对区块中的数据进行验证，验证无误后签名并加盖时间戳，并广播确认信息；若发现数据有误，则广播一个拒绝信息；
S4：若生产节点收到Numv/2+1个投票节点的确认消息则表明已对该区块达成共识，生成一个记录此时时间的时间戳，并对该区块进行后续的签名、广播等操作；若网络中存在超过Numv/2+1个投票节点发出拒绝消息则判定该生产节点有恶意行为，立即取消该节点的共识资格，并由编号为R+1的生产节点继续进行共识流程(若R+1>Nump，则从第一个生产节点开始)，同时在候补节点中根据编号顺序递补成为新的生产节点；
S5：每个被选择的生产节点都被要求在一个时间Tb内完成出块，若超过这个时间还没能完成出块，则由编号R+1(若R+1>Nump，则从第一个生产节点开始)的生产节点继续完成下一个区块的产生；
S6：在每一轮周期结束后，成功参与共识的节点会获得STrust值奖励。相应的，有恶意行为的节点也会受到降低STrust值的惩罚，则该节点后续想要参与共识的难度增加。
具体的，所述步骤S1：在每一周期开始前，系统从希望参与共识的节点中根据节点的权益以及STrust值选择一些节点组成共识节点集合N＝{(A1，S1，STrust1)，(A2，S2，STrust2)…(An，Sn，STrustn)}，其中集合N中的节点个数|N|＝Nump+Numv+Numc，A为节点的公钥地址，S为节点的权益，STrust值为节点的信用值，Nump为生产节点的个数，Numv为投票节点的个数，Numc为候补节点的个数。将集合中的节点进行编号，编号1到Nump的节点成为生产节点，编号Nump+1到Nump+Numv的节点为投票节点，剩下的个数为Numc的节点成为候补节点，普通节点No不参与共识但需同步最新数据块至本地。
具体的，在步骤S2中，如果产生的区块是创世区块，则随机数R为1；如果产生的区块是非创世区块，则随机数R由上一生产节点在生成新区块的过程中产生。
具体的，所述随机数R的生成过程如下：
生产节点在向投票节点提交区块后同时收集投票节点的反馈消息，即Signature[i](1≤i≤Numv)，同时根据时间戳Timestamp由式(1)的到Rsource：
Figure BDA0002892151180000051
对得到的Rsource进行哈希运算，然后取字符串的后32位将其转化成整数，得到R'，如式(2)：
R'＝StrToInt(SubStringEnd32(Hash(Rsource))) (2)
将R'由(3)可得随机数R：
R＝R'mod Nump(1≤R≤Nump) (3)
具体的，除了生成创世区块的R值默认为1之外，每一个生产节点生成区块的同时也产生一个记录在区块中的随机数R来决定谁是下一个生产节点。
具体的，信用机制通过综合考虑一个节点的有效出块数、有效投票数、参与度等因素，然后使用STrust值来定量地描述一个节点的可信度，再结合节点本身的权益来决定节点是否能够参与共识过程。
具体的，节点的有效出块数是指生产节点在整个周期内生成的有效区块的数量。若一个生产节点在属于它的时隙内成功生成一个通过验证的区块，则认定该节点生成一个有效区块。反之，则为无效区块。节点有效投票数γ表示为：
Figure BDA0002892151180000061
其中
Figure BDA0002892151180000062
表示节点i在第s个时隙内是否成功生成区块，若成功生成区块则为1，否则为0。t是节点生成区块的时间，γ随着t的增大而减小。c(c∈[0，1])是调节因子，可根据系统的实际考虑调节出块时间的影响大小。a是权重，可根据系统实际需要做出调节。
具体的，节点有效投票数是指节点在整个周期内投出的有效票数，有效票数是指若节点在正确验证区块及数据无误后按要求签名确认则认定为有效投票。与此同时，若节点对某一区块投出了确认票，但在该时隙内网络中存在超过Numv/2+1个拒绝消息，则认定该节点的此次投票无效。节点的有效投票数表示为：
Figure BDA0002892151180000063
其中
Figure BDA0002892151180000064
表示节点i在第s个时隙内是否投出有效票，若是则为1，不是则为-1。m为该周期内总的时隙数，n为节点i在该周期内实际参与的时隙数。b(b∈[0，1])为调节因子。
具体的，节点参与度是指节点参与交易的情况。节点参与度λ可表示为：
Figure BDA0002892151180000065
其中trans表示的是节点节点i在第s个时隙内产生的区块中参与的交易数，若节点i是交易发送者或接收者其中一方则为1，否则为0。f(f∈[0，1])为调节因子。
具体的，节点的历史信用影响度是指节点的信用值受其历史信用值与权益的影响。节点的历史信用影响度ε可表示为：
Figure BDA0002892151180000066
其中Stake表示节点所拥有的权益，
Figure BDA0002892151180000067
表示节点i在第h个周期之前的信用值，g(g∈[0，1])是调节因子。ε的值随着
Figure BDA0002892151180000068
的值增大而增大，降低节点权益的影响占比。
具体的，惩罚因子：为确保系统能够安全稳定地运行，需要采取措施对节点的一些恶意行为进行惩罚。惩罚因子θ表示为：
Figure BDA0002892151180000069
其中
Figure BDA0002892151180000071
表示节点i在第s个时隙内是否产生了无效的区块，若是则为1，否则为0。
Figure BDA0002892151180000072
表示节点i在第s个时隙内是否发出了无效的投票，若是则为1，否则为0。c和d分别为对应的调节因子，可根据系统实际需要灵活调整对无效块和无效票的惩罚力度。
具体的，节点信任度更新公式：周期结束后，系统会根据公式评价共识节点的行为，更新其信用值。信用值更新公式
Figure BDA0002892151180000073
可表示为：
Figure BDA0002892151180000074
其中
Figure BDA0002892151180000075
表示节点i在第h个周期的信用值，为提高节点参与共识的积极性，若节点被选入集合N中但实际未参与共识(如候补节点)系统也会给予这些节点信用值奖励。
具体的，若节点因为作恶而导致STrust值降至系统设定的阈值以下，则会被限制为每隔若干个周期才能参与一次共识，并且若节点持续作恶直至STrust值降为0，则该节点将会永久丧失参与共识的资格。
具体的，在POVT中，生产者只是负责组装区块，还需要经过投票节点的确认才能发布区块，并且一个时隙内一个生产者最多只被允许产生一个区块，所以攻击者是无法发起权益粉碎攻击的。
具体的，在POVT机制下，出块者是在生产节点中通过投票机制随机选择出来的，同时生产节点的选择则受到STrust值的影响，并且生产节点如果不能在规定的时间内产生区块的话不仅得不到STrust值的奖励反而STrust值会下降，这样导致节点之后成为共识节点的概率降低，从而使攻击难以成功。
上述实施例中，描述了本发明的基本原理和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只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于投票与信用机制的POVT共识算法，其特征在于，所述基于投票与信用机制的POVT共识算法包括如下步骤：
S1：在周期开始前，根据节点的权益及STrust值形成一个共识节点集合；
S2：在共识节点集合中从范围为(1,2，…，Nump)的生产节点中选择编号与随机数R相同的节点成为出块节点；
S3：投票节点在收到生产节点发出的区块验证请求后，对区块中的数据进行验证；
S4：根据生产节点接收的消息，选择记录此时时间的时间戳，或立即取消该节点的共识资格；
S5：判断每个被选择的生产节点出块时间是否超过设定的时间Tb；
S6：在每一轮周期结束后，成功参与共识的节点会获得STrust值奖励。
2.如权利要求1所述的一种基于投票与信用机制的POVT共识算法，其特征在于，步骤S2：所述出块节点从交易池中取出一些交易打包并组装成区块，随后将区块广播给投票节点并准备接受投票节点的反馈消息，如果产生的区块是创世区块，则随机数R为1；如果产生的区块是非创世区块，则随机数R由上一生产节点在生成新区块的过程中产生。
3.如权利要求1所述的一种基于投票与信用机制的POVT共识算法，其特征在于，所述随机数R的生成过程如下：
生产节点在向投票节点提交区块后同时收集投票节点的反馈消息，即Signature[i](1≤i≤Numv)，同时根据时间戳Timestamp由式(1)的到Rsource：
Figure FDA0002892151170000011
对得到的Rsource进行哈希运算，然后取字符串的后32位将其转化成整数，得到R'，如式(2)：
R'＝StrToInt(SubStringEnd32(Hash(Rsource))) (2)
将R'由(3)可得随机数R：
R＝R'mod Nump(1≤R≤Nump) (3)
4.如权利要求1所述的一种基于投票与信用机制的POVT共识算法，其特征在于，所述步骤S3：若验证数据无误，则签名、加盖时间戳，并广播确认信息；若发现数据有误，则广播一个拒绝消息。
5.如权利要求1所述的一种基于投票与信用机制的POVT共识算法，其特征在于，所述步骤S4：若生产节点收到Numv/2+1个投票节点的确认消息，则生成一个记录此时时间的时间戳，并对该区块进行后续操作；若生产节点接收到超过Numv/2+1个投票节点发出拒绝消息，则立即取消该节点的共识资格，并由编号为R+1的生产节点继续进行共识流程，同时在候补节点中根据编号顺序递补成为新的生产节点。
6.如权利要求1所述的一种基于投票与信用机制的POVT共识算法，其特征在于，所述步骤S5：若超过时间Tb还没能完成出块，则由编号R+1的生产节点继续完成下一个区块的产生。
7.如权利要求1所述的一种基于投票与信用机制的POVT共识算法，其特征在于，所述POVT共识算法通过综合考虑一个节点的有效出块数、有效投票数、参与度等因素，并使用STrust值来定量描述一个节点的可信度，再结合节点本身的权益来决定节点是否能够参与共识过程。
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