CN113191772A - 一种基于分层模型的联盟链的共识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分层模型的联盟链的共识方法，对链中节点采用动态划分：节点不再单纯充当普通对等节点或者排序节点，将联盟链参照Goosip协议传播方式分层，并选取代理节点，前节点发现前一层节点所发送的区块与本地缓存交易不相符合，则判断前一层有拜占庭节点。则该层节点与拜占庭节点的上一层的PB节点通信完成区块复制，继续传播至下一层。若发现第一层的Leader作恶，则各层PB分别在本地完成准备工作，竞选Leader。然后将验证通过的消息互相转发，再收到多数节点通过验证的消息后进行下一步验证：根据本地交易缓存，主节点签名，前块哈希和块高，读写集冲突进行校验。校验通过则完成区块提交。联盟链共识过程得到优化。

Description

一种基于分层模型的联盟链的共识方法

技术领域

本发明涉及一种共识方法，具体涉及一种基于分层模型的联盟链的共识方法。

背景技术

当2007年，一位自称中本聪的人，在一个密码学邮件组中发表了论文—-《比特币：一种点到点电子现金系统》，比特币作为一种电子货币横空出世，解决了在完全没有第三方介入情况下的支付问题。借此契机，作为比特币必底层技术的区块链得到了巨大的发展机会。目前以联盟链为主要形式，区块链技术在金融征信，数字化城市建设等方向都有较多的应用。联盟链是区块链关系链的一种，是多个组织或机构参与，由多个机构共同参与管理的区块链，每个组织或机构管理一个或多个节点，其数据只允许系统内不同的机构进行读写和发送。

区块链是建立在分布式技术的基础上。在分布式系统中，如果节点具备主动发起非诚实的恶意攻击行为的能力，由此导致的节点无法正常工作被归纳为拜占庭问题。而如何在该环境下达成共识被称作拜占庭将军问题。

作为由Linux Foundation托管的开源项目Hyperledger的一个子项目，Fabric是最活跃开发的许可区块链系统之一。当前联盟链使用具有拜占庭容错的算法如实用拜占庭容错算法性能较低，在有准入门槛有较高要求的联盟链中由于效率较低，在Fabric V2.0+版本中已经逐渐边缘化。

发明内容

本发明的目的是为了克服当前联盟链的拜占庭问题并获得较高的共识效率，提供了一种基于分层模型的联盟链的共识方法。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于分层模型的联盟链的共识方法，包括以下步骤：

(1)交易背书，判断交易提议是否满足背书策略，是，进行下一步，否则系统直接回绝交易请求；

(2)Leader节点生成区块并基于分层模型传播到系统的每个节点，同时进行拜占庭初步验证；

(3)分层传播过程的初步验证通过后，节点完成区块二次验证，本地提交。

本发明进一步的改进在于，步骤(1)的具体实现方法如下：

(1.1)客户端发送交易到联盟链中的背书节点，背书节点根据本地的智能合约模拟执行交易，并将响应结果，包括模拟交易生成的读写集返回给客户端；

(1.2)客户端将交易转发到其他非背书节点，收到交易的非背书节点将交易缓存在本地；

(1.3)客户端根据背书策略验证背书成功后向Leader节点发送消息，请求打包区块，若验证背书失败，通知所有节点删除交易缓存。

本发明进一步的改进在于，步骤(2)的具体实现方法如下：

(2.1)Leader节点收到请求打包的消息后生成区块，签名，参照Goosip协议发送至若干网络距离较近的节点；

(2.2)节点收到区块消息后在依次传播，据此根据将传播网络分层，每层选取代理节点；

(2.3)在传播区块的过程中初次验证区块，节点将收到的区块内交易与本地缓存交易比较，不符合则与上一层代理节点通信完成区块传播，若发现Leader作恶，则各层代理节点分别在本地完成准备工作，竞选Leader；

(2.4)节点该收到区块后验证区块的Leader节点签名，验证失败越过拜占庭节点与上一层的代理节点通信完成区块的传播，若发现Leader作恶，则各层代理节点分别在本地完成准备工作，竞选Leader。

本发明进一步的改进在于，步骤(3)的具体实现方法如下：

(3.1)节点在初次验证区块通过后，发送带有签名的消息到其他节点；

(3.2)节点收到多数节点验证通过的消息，在本地进行下一步再次验证区块，否则抛弃区块；

(3.3)验证任期号节点确认区块中任期号，任期号低于节点当前任期号的区块被认为已经过期，就地抛弃，否则进行下一步；

(3.4)判断前块哈希值是否是最后提交区块的哈希值，不是则对块高进行验证，块高是否大于最后提交的区块块高，大于则将该区块缓存，并向其他节点请求从本地最后提交区块的块高开始一直到其他节点最新提交的区块，块高如果低于本地最后所提交的区块块高，该区块将会被就地抛弃，否则进行下一步；

(3.5)节点计算区块体哈希值是否与块头中的一致，是则进行下一步，否则抛弃区块；

(3.6)读写集的冲突验证，验证通过则将区块提交本地，否则抛弃区块。

本发明进一步的改进在于，分层传输过程中在每一层的代理节点PB的选取遵循公式如下：

PB所计算出的评价分数与后一层和前一层的差值大小的绝对值的比例在一个范围内，超出这个范围说明再进行分层应用意义不大，则不进行下一层的PB选取；

式中，Wn——第n层某代理节点的评价分数；Wn+1——第n+1层某代理节点的评价分数；α——常量；

式中，w——节点的评价分数；X，Y，Z——常数，满足X+Y+Z＝1；Cost——节点与Leader节点同步日志所需开销；Dist——节点与主节点网络距离；Pref——节点配置性能值。

本发明进一步的改进在于，节点配置性能值根据集群节点配置分为三档，取0.5，1，1.5中某一个值。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种基于分层模型的联盟链的共识方法，大致分为三个步骤一：交易背书，判断交易提议是否满足背书策略，是，进行下一步，否则系统直接回绝交易请求；二：Leader节点生成区块并基于分层模型传播到系统的每个节点，同时进行拜占庭初步验证；三：分层传播过程的初步验证通过后，节点完成区块二次验证，本地提交。由于Leader选举系统对外封闭，参照Gossip的传播特性将网络分层，在每层选取区块相对完整的节点作为代理节点，使得在区块链共识能实现拜占庭容错的前提下，大大缩短了主节点(Leader)重新选举的时间，提高联盟链的性能；同时，在数字签名验证区块的基础上添加本地缓存验证，提高了系统的安全性；将区块提交的决定权给予系统中的数量占优的正常节点，进一步防止拜占庭行为。

在步骤一中，交易在背书后被转发到系统所有节点并做了缓存，在接下来的区块的验证环节可以依靠缓存的交易防止拜占庭节点肆意更改交易，提高了系统的安全性。

在步骤二中，区块传播消息以分层模型的形式在网络传播，结合缓存交易和数字签名技术能在每层间验证拜占庭节点伪造的区块；同时在每层中选取代理节点，使得Leader节点的选举得到优化，提高了系统的效率。

在步骤三中，区块的提交是在大多数节点的验证通过后进行，使得系统提交区块的权力移交到大多数节点的手中，进一步防止拜占庭节点作恶。

对于代理节点PB的选取，优先本地区块更完备，距离主节点更近，本地物理性能更佳的节点。这使得在分布式环境中的Leader节点选举环节耗时更少，同时保证一个PB当选Leader节点后系统之后的稳定性较好。

附图说明

图1为新共识的区块验证与提交流程图；

图2为区块结构示意图；

图3为Goosip传播分层模型前三层示意图；

图4为为分层模型验证示意图；

Goosip协议每个节点随机选取附近的节点传播，以此分层并在每层选取代理节点，共有n层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明提供的一种基于分层模型的联盟链的共识方法，对链中节点采用动态划分，网络不再对节点进行了持久性区分：节点不再单纯充当记账节点(本方法中视为Follower)或者排序节点(本方法中视为主节点Leader，Leader负责区块打包和传播共识)。采用了弱Leader节点的设定，Leader节点只考虑新区块的制造，不用关心其他节点是否提交该区块，交易的验证以及区块的验证由Follower节点完成，区块只有被多数节点接受的情况下才会被提交。在发现Leader节点作恶的情况下，进行下一轮Leader节点的选取。并采用了分层代理的方式，将联盟链根据Goosip协议传播方式分层，并选取代理节点，实现联盟链共识机制的优化。

排序节点在收到客户端可以打包区块的消息后，通过Goosip协议种子传播的方式传播生成区块的提议消息。据此分层并分别选取代理节点(Proxy-Node，PB)。在当前节点发现前一层节点为拜占庭节点，当前节点验证上一层失败，则该层节点与拜占庭节点的上一层的PB节点通信完成区块复制，继续传播至下一层。若发现第一层的Leader作恶，则各层PB分别在本地完成准备工作，竞选Leader。

PB的选取公式如(1)，迭代选取n层的代理节点，PB节点拥有更完备的区块，在Leader选举过程中会优先考虑代理节点(PB)，可大大缩短Leader选举时间，提高一致化效率。其中n满足公式如(2)，公式右边是常量α，表示后第n层选取的PB所计算出的评价分数与后一层和前一层的差值大小的绝对值的比例在一个范围内。超出这个范围说明再进行分层应用意义不大，则不进行下一层的PB选取，即当n无法满足(2)，退出迭代分层。

式中，W——节点的评价分数；X，Y，Z——常数，满足X+Y+Z＝1；Cost——节点与主节点同步区块所需开销；Dist——节点与主节点网络距离；Pref---节点配置性能值。

式中，W_n——第n层代理节点的评价分数；W_n+1——第n+1层代理节点的评价分数；α——常量。

分层迭代中，选取评价分数最大的节点作为代理节点。其中X,Y,Z可做为可变的控制阀，控制公式(1)中不同环境下的Cost，Dist，Pref的权值分配。

共识过程中，新区块比节点本地最后提交的区块块高更高，但是不连续，这时节点需要向其他节点请求缺失的区块，Cost表示当前节点表示当前节点区块为了达到同步所需的开销。具体含义如下：

式中，Cost——节点与主节点同步区块所需开销；m——节点较主节点残缺的区块数目；n——节点较主节点多余的区块数目；MoreMsg——多余一个区块所需的开销；LessMsg——残缺一个区块所需的开销。

当Follower和Leader区块完全相同，Cost为0；当Follower相对Leader缺少区块，Cost为m×LessMsg；当Follower相对Leader有多余区块，Cost为n×MoreMsg；当Follower相对Leader有多余区块的同时仍有缺少的区块，Cost为m×LessMsg+n×MoreMsg。

Pref代表各个节点的配置性能值，该参数也是选取PB的重要参考量，根据不同CPU主频率设置如下：

以联盟链开源项目超级账本为例，使用Fabric为依托并作以改进实现本发明专利的实施过程。

流程示意见图1。

步骤1，客户端发送交易到联盟链中的背书节点，背书节点根据本地的智能合约模拟执行交易，并将响应结果，包括模拟交易生成的读写集等返回给客户端，同时交易转发到其他非背书节点(包括主节点)。收到交易的非背书节点将交易缓存在本地。

步骤2，客户端在收到正确的背书响应后表示背书成功，通知主节点打包缓存中交易。否则背书失败，客户端通知各个节点删除缓存，本次客户端提交交易失败。

步骤3，主节点收到打包消息后生成区块，签名，参照Goosip协议发送到与其网络距离较近的数个节点，节点再依次传播区块。

步骤4，参照Goosip传播特性分层，在每层选取代理节点PB。

步骤5，如图4，在传播区块的过程中验证区块，在当前节点发现第x层节点所发送的区块与本地缓存交易不相符合，则判断x层有拜占庭节点。即当前一层验证上一层失败，则该层节点与拜占庭节点的上一层，即x-1层的PB节点通信完成区块复制，继续传播至下一层，进而越过拜占庭节点继续区块的传播。若发现第一层的Leader作恶，即x＝1，则各层PB分别在本地完成准备工作，竞选Leader。

步骤6，节点该收到区块后验证区块的主节点签名。验证失败越过拜占庭节点与上一层的代理节点通信完，成区块的传播。若发现第一层的Leader作恶，即x＝1，则各层PB分别在本地完成准备工作，竞选Leader。

步骤7，节点在验证区块通过后，发送带有签名的消息到其他节点。

步骤8，节点收到多数节点验证通过的消息，会在本地进行下一步再次验证区块，否则抛弃区块。

步骤9，节点确认区块中任期号，任期号低于节点当前任期号的区块被认为已经过期，就地抛弃。否则进行下一步。

步骤10，节点确认前块哈希和块高，前块哈希值是否是最后提交区块的哈希值，不是则需要对块高进行判断，块高是否大于最后提交的区块块高，大于则将该区块缓存，并向其他节点请求从本地最后提交区块的块高开始一直到其他节点最新提交的区块。块高如果低于本地最后所提交的区块块高，该区块将会被就地抛弃。否则进行下一步。

步骤11，节点计算区块体哈希值是否与块头中的一致，是则进行下一步。否则抛弃区块。

步骤12，读写集的冲突验证，验证通过则将区块提交本地。否则抛弃区块。

Claims (6)

1.一种基于分层模型的联盟链的共识方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)交易背书，判断交易提议是否满足背书策略，是，进行下一步，否则系统直接回绝交易请求；

(2)Leader节点生成区块并基于分层模型传播到系统的每个节点，同时进行拜占庭初步验证；

(3)分层传播过程的初步验证通过后，节点完成区块二次验证，本地提交。

2.根据权利要求1所述的一种基于分层模型的联盟链的共识方法，其特征在于，步骤(1)的具体实现方法如下：

(1.1)客户端发送交易到联盟链中的背书节点，背书节点根据本地的智能合约模拟执行交易，并将响应结果，包括模拟交易生成的读写集返回给客户端；

(1.2)客户端将交易转发到其他非背书节点，收到交易的非背书节点将交易缓存在本地；

(1.3)客户端根据背书策略验证背书成功后向Leader节点发送消息，请求打包区块，若验证背书失败，通知所有节点删除交易缓存。

3.根据权利要求2所述的一种基于分层模型的联盟链的共识方法，其特征在于，步骤(2)的具体实现方法如下：

(2.1)Leader节点收到请求打包的消息后生成区块，签名，参照Goosip协议发送至若干网络距离较近的节点；

(2.2)节点收到区块消息后在依次传播，据此根据将传播网络分层，每层选取代理节点；

(2.3)在传播区块的过程中初次验证区块，节点将收到的区块内交易与本地缓存交易比较，不符合则与上一层代理节点通信完成区块传播，若发现Leader作恶，则各层代理节点分别在本地完成准备工作，竞选Leader；

(2.4)节点该收到区块后验证区块的Leader节点签名，验证失败越过拜占庭节点与上一层的代理节点通信完成区块的传播，若发现Leader作恶，则各层代理节点分别在本地完成准备工作，竞选Leader。

4.根据权利要求3所述的一种基于分层模型的联盟链的共识方法，其特征在于，步骤(3)的具体实现方法如下：

(3.1)节点在初次验证区块通过后，发送带有签名的消息到其他节点；

(3.2)节点收到多数节点验证通过的消息，在本地进行下一步再次验证区块，否则抛弃区块；

(3.3)验证任期号节点确认区块中任期号，任期号低于节点当前任期号的区块被认为已经过期，就地抛弃，否则进行下一步；

(3.4)判断前块哈希值是否是最后提交区块的哈希值，不是则对块高进行验证，块高是否大于最后提交的区块块高，大于则将该区块缓存，并向其他节点请求从本地最后提交区块的块高开始一直到其他节点最新提交的区块，块高如果低于本地最后所提交的区块块高，该区块将会被就地抛弃，否则进行下一步；

(3.5)节点计算区块体哈希值是否与块头中的一致，是则进行下一步，否则抛弃区块；

(3.6)读写集的冲突验证，验证通过则将区块提交本地，否则抛弃区块。

5.根据权利要求3所述的一种基于分层模型的联盟链的共识方法，其特征在于，分层传输过程中在每一层的代理节点PB的选取遵循公式如下：

PB所计算出的评价分数与后一层和前一层的差值大小的绝对值的比例在一个范围内，超出这个范围说明再进行分层应用意义不大，则不进行下一层的PB选取；

式中，Wn——第n层某代理节点的评价分数；Wn+1——第n+1层某代理节点的评价分数；α——常量；

式中，w——节点的评价分数；X，Y，Z——常数，满足X+Y+Z＝1；Cost——节点与Leader节点同步日志所需开销；Dist——节点与主节点网络距离；Pref——节点配置性能值。

6.根据权利要求5所述的一种基于分层模型的联盟链的共识方法，其特征在于，节点配置性能值根据集群节点配置分为三档，取0.5，1，1.5中某一个值。

Images