CN113079000B - 一种基于可验证量子随机数的共识方法 - Google Patents

一种基于可验证量子随机数的共识方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于可验证量子随机数的共识方法，步骤为：节点选举成为共识节点，成为区块提出的候选者，节点打包区块，广播区块提议消息；共识节点等待后对收集到的所有消息进行验证，节点计算并广播区块投票消息；共识节点对收集到的所有消息进行验证，若成功验证同一区块进行投票的消息，则节点计算区块确认凭证，计算并广播区块确认消息；所有节点在等待一定时间收集到若干个有效区块确认后，进行区块上链。节点通过与量子随机数发生器交互获得可验证量子随机数和交互信息，使用该随机数进行私下选举成为共识流程的某一轮次的共识节点，一个节点只能参与共识流程中的一步，最后一步不需要可验证量子随机数参与，具有较强的随机性和共识速度。

Description

一种基于可验证量子随机数的共识方法
技术领域
本发明涉及量子计算和区块链领域，更具体地，涉及一种基于可验证量子随机数的共识方法。
背景技术
区块链中区块出块的随机性应该得到保证，而以往的共识协议并未能保证出块的随机性。PoW类共识协议决定了拥有大量算力的用户具有比较高的出块概率。同样，PoS类共识协议决定了拥有大量权益的用户具有比较高的出块概率。
与本发明最相接近的现有技术方案是Gilad于2017年提出的Algorand。该方案利用VRF来筛选共识节点，但是选举过程并未能做到真正的随机性。
现有的技术中，中国发明专利CN110932854A公开了“一种面向物联网的区块链密钥分发系统及其方法”，公开日为2020年03月27日，利用量子随机数生成器不断地生成量子随机数，并将他们传送至云端存储；发起者向代理服务器付出相关代价；随机数管理服务器将购买记录上传至区块链节点进行验证，并广播到全网；发起者网关根据交易哈希值查询区块链上的交易记录；发起者网关和共享者网关在随机数接口设备进行身份验证；智能合约自动将量子随机数存储进智能卡中，发起者和共享者获得智能卡。该方案中，使用量子随机数的特征解决了加密传输的问题，降低通讯成本，但是没有解决共识节点的随机性差以及共识速度慢的问题。
发明内容
本发明为解决现在共识协议选举共识节点的随机性差以及共识速度慢的技术缺陷，提供了一种基于可验证量子随机数的共识方法。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种基于可验证量子随机数的共识方法，包括以下步骤：
S1：节点通过与量子随机数发生器交互获得可验证量子随机数以及用于验证的交互信息，节点私下选举成为共识节点，成为区块提出的候选者，节点打包区块，并广播“区块提议”消息；
S2：共识节点等待一定时间后对收集到的所有消息进行验证，节点计算并广播“区块投票”消息；
S3：共识节点再次对收集到的所有消息进行验证，若成功验证同一区块进行投票的消息，则节点计算区块确认凭证，计算并广播“区块确认”消息；
S4：所有节点在等待一定时间收集到若干个有效“区块确认”后，进行区块上链。
上述方案中，在整个轮次中，节点通过与量子随机数发生器交互获得可验证量子随机数以及用于验证的交互信息，使用该随机数进行私下选举成为共识流程的某一轮次某一步骤的共识节点，一个节点只能参与共识流程中的其中一步，只有最后一步不需要可验证量子随机数的参与，其共识协议具有较强的随机性和共识速度。
优选的，在步骤S1中，节点通过与量子随机数发生器交互获得可验证量子随机数以及用于验证的交互信息，节点i∈pkr-k私下选举成为该步骤的共识节点，即成为区块提出的候选者，节点i打包区块
Figure GDA0003884496460000021
并广播“区块提议”消息
Figure GDA0003884496460000022
其中，
Figure GDA0003884496460000023
优选的，在步骤S2中，节点i∈pkr-k和
Figure GDA0003884496460000024
其中SVr,1时第r第1步的共识节点集，节点i私下选举成为该步骤的共识节点，在等待时间
Figure GDA0003884496460000025
后对收集到的所有消息
Figure GDA0003884496460000026
进行验证，节点i计算并广播“区块投票”消息
Figure GDA0003884496460000027
优选的，对收集到的所有消息
Figure GDA0003884496460000028
进行验证的内容包括：
(2)根据Emesgj判断量子随机数QRNj是否有效；
(2)验证
Figure GDA0003884496460000029
中的其他信息是否合法；
(3)根据公式
Figure GDA00038844964600000210
找出具有最小
Figure GDA00038844964600000211
的节点l作为最终的区块提出者。
优选的，在步骤S3中，节点i∈pkr-k，
Figure GDA00038844964600000212
和
Figure GDA00038844964600000213
节点i私下选举成为共识节点，在等待时间
Figure GDA00038844964600000214
后对收集到的所有
Figure GDA00038844964600000215
进行验证，若成功验证2f+1个同一区块进行投票的消息，则节点i计算区块确认凭证
Figure GDA00038844964600000216
计算并广播“区块确认”消息
Figure GDA00038844964600000217
优选的，对收集到的所有
Figure GDA00038844964600000218
进行验证的内容包括：
(1)根据Emesgj判断量子随机数QRNj是否有效；
(2)验证
Figure GDA0003884496460000031
中的其他信息是否合法。
优选的，在步骤S4中，所有节点i∈pkr在等待一定时间
Figure GDA0003884496460000032
收集到2f+1个有效“区块确认”
Figure GDA0003884496460000033
后，进行区块上链。
优选的，节点与量子随机数发生器进行加密通信得到随机比特，双方都保留交互数据。节点i收集的交互信息记为Emesgi。
优选的，任何节点都无法和量子随机数发生器共谋。
优选的，量子随机数发生器在没接收到上一轮区块
Figure GDA0003884496460000034
之前，不与任何节点交互数据生成随机数，在接收到区块
Figure GDA0003884496460000035
之后开始与节点进行交互，并只允许生成一定长度的随机数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种基于可验证量子随机数的共识方法，在整个轮次中，节点通过与量子随机数发生器交互获得可验证量子随机数以及用于验证的交互信息，使用该随机数进行私下选举成为共识流程的某一轮次某一步骤的共识节点，一个节点只能参与共识流程中的其中一步，只有最后一步不需要可验证量子随机数的参与，其共识协议具有较强的随机性和共识速度。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的的状态转换图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1所示，一种基于可验证量子随机数的共识方法，包括以下步骤：
S1：节点通过与量子随机数发生器交互获得可验证量子随机数以及用于验证的交互信息，节点私下选举成为共识节点，成为区块提出的候选者，节点打包区块，并广播“区块提议”消息；
S2：共识节点等待一定时间后对收集到的所有消息进行验证，节点计算并广播“区块投票”消息；
S3：共识节点再次对收集到的所有消息进行验证，若成功验证同一区块进行投票的消息，则节点计算区块确认凭证，计算并广播“区块确认”消息；
S4：所有节点在等待一定时间收集到若干个有效“区块确认”后，进行区块上链。
上述方案中，在整个轮次中，节点通过与量子随机数发生器交互获得可验证量子随机数以及用于验证的交互信息，使用该随机数进行私下选举成为共识流程的某一轮次某一步骤的共识节点，一个节点只能参与共识流程中的其中一步，只有最后一步不需要可验证量子随机数的参与，其共识协议具有较强的随机性和共识速度。
优选的，在步骤S1中，节点通过与量子随机数发生器交互获得可验证量子随机数以及用于验证的交互信息，节点i∈pkr-k私下选举成为该步骤的共识节点，即成为区块提出的候选者，节点i打包区块
Figure GDA0003884496460000041
并广播“区块提议”消息
Figure GDA0003884496460000042
其中，
Figure GDA0003884496460000043
优选的，在步骤S2中，节点i∈pkr-k和
Figure GDA0003884496460000044
其中SVr,1时第r第1步的共识节点集，节点i私下选举成为该步骤的共识节点，在等待时间
Figure GDA0003884496460000045
后对收集到的所有消息
Figure GDA0003884496460000046
进行验证，节点i计算并广播“区块投票”消息
Figure GDA0003884496460000047
优选的，对收集到的所有消息
Figure GDA0003884496460000048
进行验证的内容包括：
(3)根据Emesgj判断量子随机数QRNj是否有效；
(2)验证
Figure GDA0003884496460000049
中的其他信息是否合法；
(3)根据公式
Figure GDA00038844964600000410
找出具有最小
Figure GDA00038844964600000411
的节点l作为最终的区块提出者。
优选的，在步骤S3中，节点i∈pkr-k，
Figure GDA00038844964600000412
和
Figure GDA00038844964600000413
节点i私下选举成为共识节点，在等待时间
Figure GDA00038844964600000414
后对收集到的所有
Figure GDA00038844964600000415
进行验证，若成功验证2f+1个同一区块进行投票的消息，则节点i计算区块确认凭证
Figure GDA00038844964600000416
计算并广播“区块确认”消息
Figure GDA00038844964600000417
优选的，对收集到的所有
Figure GDA00038844964600000418
进行验证的内容包括：
(1)根据Emesgj判断量子随机数QRNj是否有效；
(2)验证
Figure GDA00038844964600000419
中的其他信息是否合法。
优选的，在步骤S4中，所有节点i∈pkr在等待一定时间
Figure GDA00038844964600000420
收集到2f+1个有效“区块确认”
Figure GDA0003884496460000051
后，进行区块上链。
优选的，节点与量子随机数发生器进行加密通信过得随机比特，双方都保留交互数据。节点i收集的交互信息记为Emesgi。
优选的，任何节点都无法和量子随机数发生器共谋。
优选的，量子随机数发生器在没接收到上一轮区块
Figure GDA0003884496460000052
之前，不与任何节点交互数据生成随机数，在接收到区块
Figure GDA0003884496460000053
之后开始与节点进行交互，并只允许生成一定长度的随机数。
实施例2
系统节点在参与共识流程时，其状态转换如图2所示。先经历“区块提议”阶段提出区块，然后经过“区块投票”阶段对提出的区块进行投票，再经过“区块确认”阶段对投票数进行计算，达到一定设定数目则可以进行区块上链，最后，普通节点经过“区块上链”阶段，对提出的区块进行上链。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于可验证量子随机数的共识方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：节点通过与量子随机数发生器交互获得可验证量子随机数以及用于验证的交互信息，节点私下选举成为共识节点i，成为区块提出的候选者，节点i打包区块，并广播“区块提议”消息；
S2：共识节点i等待一定时间后对收集到的所有消息进行验证，节点i计算并广播“区块投票”消息；
S3：共识节点i再次对收集到的所有消息进行验证，若成功验证同一区块进行投票的消息，则节点i计算区块确认凭证，计算并广播“区块确认”消息；
S4：所有节点在等待一定时间收集到若干个有效“区块确认”后，进行区块上链；
在步骤S1中，节点通过与量子随机数发生器交互获得可验证量子随机数以及用于验证的交互信息，节点i∈pkr-k私下选举成为该步骤的共识节点i，即成为区块提出的候选者，节点i打包区块
Figure FDA0003884496450000011
并广播“区块提议”消息
Figure FDA0003884496450000012
其中，
Figure FDA0003884496450000013
节点与量子随机数发生器进行加密通信得到随机比特，双方都保留交互数据，节点i收集的交互信息记为Emesgi；
任何节点都无法和量子随机数发生器共谋；
量子随机数发生器在没接收到上一轮区块
Figure FDA0003884496450000014
之前，不与任何节点交互数据生成随机数，在接收到区块
Figure FDA0003884496450000015
之后开始与节点进行交互，并只允许生成一定长度的随机数。
2.根据权利要求1所述的一种基于可验证量子随机数的共识方法，其特征在于，在步骤S2中，节点i∈pkr-k和
Figure FDA0003884496450000016
其中SVr,1是第r轮第1步的共识节点集，节点i私下选举成为该步骤的共识节点，在等待时间
Figure FDA0003884496450000017
后对收集到的所有消息
Figure FDA0003884496450000018
进行验证，节点i计算并广播“区块投票”消息
Figure FDA0003884496450000021
3.根据权利要求2所述的一种基于可验证量子随机数的共识方法，其特征在于，对收集到的所有消息
Figure FDA0003884496450000022
进行验证的内容包括：
(1)根据Emesgj判断量子随机数QRNj是否有效；
(2)验证
Figure FDA0003884496450000023
中的其他信息是否合法；
(3)根据公式
Figure FDA0003884496450000024
找出具有最小
Figure FDA0003884496450000025
的节点l作为最终的区块提出者。
4.根据权利要求3所述的一种基于可验证量子随机数的共识方法，其特征在于，在步骤S3中，节点i∈pkr-k，
Figure FDA0003884496450000026
和
Figure FDA0003884496450000027
节点i私下选举成为共识节点，在等待时间
Figure FDA0003884496450000028
后对收集到的所有
Figure FDA0003884496450000029
进行验证，若成功验证2f+1个同一区块进行投票的消息，则节点i计算区块确认凭证
Figure FDA00038844964500000210
计算并广播“区块确认”消息
Figure FDA00038844964500000211
5.根据权利要求4所述的一种基于可验证量子随机数的共识方法，其特征在于，对收集到的所有
Figure FDA00038844964500000212
进行验证的内容包括：
(1)根据Emesgj判断量子随机数QRNj是否有效；
(2)验证
Figure FDA00038844964500000213
中的其他信息是否合法。
6.根据权利要求5所述的一种基于可验证量子随机数的共识方法，其特征在于，在步骤S4中，所有节点i∈pkr在等待一定时间
Figure FDA00038844964500000214
收集到2f+1个有效“区块确认”
Figure FDA00038844964500000215
后，进行区块上链。
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