CN113781218A - 基于特征信任的分组pbft共识算法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于特征信任的分组PBFT共识算法，涉及共识机制技术领域。包括以下步骤：S1、通过EigenTrust信任模型评判节点在交易过程中的信任度，并将节点的信任度作为选举主节点以及代理节点的依据，S2、将全网共识划分为多个分组进行共识，S3、对视图切换协议进行优化，根据节点的信任值大小选举主节点或代理节点。本发明引入EigenTrust信任模型，用于评估节点的信任值，从而降低恶意节点在共识过程中的影响力，将原来PBFT算法中的全网共识划分为多个分组进行共识，从而能够大幅减少了PBFT的通信复杂度，提升区块链系统的性能，对视图切换协议进行优化，当视图切换协议被触发后，系统将根据节点的信任值大小选举主节点或代理节点，进一步提升了系统的安全性。

Description

基于特征信任的分组PBFT共识算法

技术领域

本发明涉及共识机制技术领域，特别的为基于特征信任的分组PBFT共识 算法。

背景技术

共识机制是区块链的核心技术，近年来，共识机制也受到了国内外的学 术界和产业界的关注。区块链系统的性能取决于共识算法的效率，现有的经 典共识算法有工作量证明(proof of work,PoW)算法、权益证明(proof of stake,PoS)算法、委托权益证明(delegated proof of stack,DPoS)算 法、使用拜占庭容错(practical Byzantine faulttolerance,PBFT)算法 和Raft算法等。PoW的核心思想是根据节点的计算能力分配记账权限和记账 奖励。然而，PoW共识机制需要进行大量的计算，因此需要消耗大量的能源， 且吞吐量比较低。为了解决PoW共识算法存在的缺陷，一些新的共识算法也 陆续提出，如PoS共识算法、DPoS共识算法、PBFT共识算法等。这些算法的 提出解决了PoW算法计算量大以及资源浪费的问题，但是这些算法也存在着 不足。

为此，国内外的研究学者也对现有的一些共识算法进行了研究和改进。 LarimerD.等人对DPoS共识算法进行了改进，加入了投票和举报奖励制度， 从而能够激励节点积极的投票以及积极的举报恶意节点。He,Li等人提出了 一种改进的实用拜占庭容错共识算法,该算法首先淡化了主节点的概念，让链 上的每个节点都是平等高效的，其次，优化共识流程，提高共识效率，通信 开销降到PBFT的一半，在降低通信开销和延迟的情况下提高了吞吐量。Liu Yiran等人基于博弈论中Shapley值的计算原理，改进了PoS共识机制中的奖励分配机制，使PoS机制中参与生成块的节点的奖励分配更加公平合理，还 可以逆转区块链中的社会分层，从而大大提高新的小节点获得效益的可能性。 PBFT算法能够让区块链完全脱离链上代币的奖励机制，且不需要大量算力来 维护，因此在分布式系统中得到了应用，但仍存在主节点选取的安全漏洞问 题以及多节点时的通信开销过大等问题。

综上所述，研发基于特征信任的分组PBFT共识算法，仍是共识机制技术 领域中急需解决的关键问题。

发明内容

本发明提供的发明目的在于提供基于特征信任的分组PBFT共识算法，解 决上述背景技术中的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于特征信任的 分组PBFT共识算法，包括以下步骤：

S1、通过EigenTrust信任模型评判节点在交易过程中的信任度，并将节 点的信任度作为选举主节点以及代理节点的依据；

S2、通过GPBFT算法将全网共识划分为多个分组进行共识；

S3、对视图切换协议进行优化，根据节点的信任值大小选举主节点或代 理节点。

进一步的，在S1操作步骤中，所述EigenTrust信任模型的信任度评估 包括直接信任值、间接信任值和全局信任值。

进一步的，所述直接信任值是节点之间通过历史交互信息所产生的信任 度，节点将在本地存储与其他节点交互的过程中产生历史记录，然后统计出 交互信任的数量和不信任的数量。

进一步的，所述间接信任值是指在两个节点没有进行过直接交互，根据 其他节点的推荐信息，计算其中一个节点的信任值。

进一步的，所述全局信任值是评价节点是否可信的主要依据，每个节点 可以通过直接信任值或间接信任值计算出全局信任值。

进一步的，在S2操作步骤中，所述GPBFT算法包括：

S201、Request阶段：客户端向主节点发送请求消息<REQUEST,o,t,c>，其 中REQUEST包含消息内容m，以及消息摘要d，o表示请求的具体操作，t表 示客户端发起请求时的时间戳，c表示客户端时间标识；

S202、Propose阶段：主节点收到客户端的请求后，对请求进行校验，若 校验通过，则主节点为客户端请求分配一个编号n，然后广播一条 <<PROPOSE,v,n,d>,m>消息给所有代理节点，其中v表示视图编号，d为客户端 消息摘要，m为消息内容；

S203、Prepare阶段：代理节点收到来自主节点的PROPOSE消息后校验消 息的合法性，若非法则丢弃该请求，若校验通过，代理节点将会向组内的其 他从节点发送一条<PREPARE,v,n,d,k,i>消息，其中k表示当前分组的编号，i 表示节点的编号；

S204、Confirm阶段：从节点接收到代理节点的PREPARE消息后对消息内 容进行校验，如果同意Prepare消息，然后向组内的其他从节点发送一条 <CONFIRM,v,n,d,k,i>，其中i表示节点的编号；

S205、Commit阶段：组内从节点收到CONFIRM消息后进行验证，若验证 通过的CONFIRM消息超过2fk-1个，说明组内大部分节点已经达成共识，此时 从节点会向代理节点发送一条<commit,v,n,d,k,i>；

S206、Accept阶段：代理节点收到超过2fk+1个Commit消息后会说明组 内已经达到共识状态，代理节点会向主节点发送<ACCEPT,v,n,d,k>消息；

S207、Reply阶段：主节点收到半数以上代理节点的accept请求后会向 客户端发送回复请求<accept,v,t,c,i,r>，其中r为请求的操作。

进一步的，在S3操作步骤中，对视图切换协议进行优化，根据节点的信 任值大小选举主节点或代理节点，包括以下步骤：

S301、当某一个副本节点检测出主节点作恶或者异常时，将通过广播视 图切换消息的方式通知其他节点更换新的视图；

S302、组内其他副本节点收到消息之后，验证视图切换消息的有效性， 若同意视图切换请求，则将确认更换消息广播给组内其他节点；

S303、当组内其他副本节点收到2fk-1个视图确认更换消息后，重新进行 代理节点选举；

S304、代理节点选举成功后，会向其他代理节点广播视图同步更新消息；

S305、其他代理节点收到视图同步消息后重新选举主节点，并向各自组 内节点广播视图更新消息，完成视图的更换。

本发明提供了基于特征信任的分组PBFT共识算法。具备以下有益效果：

(1)、本发明引入EigenTrust信任模型，在主节点以及代理节点选举 阶段，用信任值作为选举的依据，从而降低恶意节点在共识过程中的影响力。

(2)、本发明将原来PBFT算法中的全网共识划分为多个分组进行共识， 从而能够大幅减少了PBFT的通信复杂度，提升区块链系统的性能。

(3)、本发明对视图切换协议进行优化，当视图切换协议被触发后，系 统将根据节点的信任值大小选举主节点或代理节点，进一步提升了系统的安 全性。

附图说明

图1为基于特征信任的分组PBFT共识算法的流程图；

图2为基于特征信任的分组PBFT共识算法中GPBFT的算法流程图；

图3为基于特征信任的分组PBFT共识算法中视图切换的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但不是对本 发明的限定。

实施例：

请参照图1所示，基于特征信任的分组PBFT共识算法，包括以下步骤：

步骤一、通过EigenTrust信任模型评判节点在交易过程中的信任度，并 将节点的信任度作为选举主节点以及代理节点的依据。

EigenTrust信任模型的信任度评估包括直接信任值、间接信任值和全局 信任值。

直接信任值是节点之间通过历史交互信息所产生的信任度，节点将在本 地存储与其他节点交互的过程中产生历史记录，然后统计出交互信任的数量 和不信任的数量。

为了对直接信任值进行更好的说明，将节点i对节点j交互信任的数量 用Sat(i,j)表示，不信任的数量用unsat(i,j)表示，S_ij表示节点i对节点j的信 任程度，计算公式如下：

S_ij＝sat(i,j)-unsat(i,j)；

为了防止恶意节点向其他的恶意节点分配较高的信任度，向良好的节点 分配较低的信任度，破坏系统的稳定性，因此需要将本地信任值进行标准化， 标准化的直接信任值计算公式为：

间接信任值是指在两个节点没有进行过直接交互，根据其他节点的推荐 信息，计算其中一个节点的信任值。

间接信任值的一种实施方式，假设节点i与节点j没有进行过交互，两 个节点之间则不能计算直接信任值，需要通过推荐节点k进行计算，间接信 任值计算公式如下：

全局信任值是评价节点是否可信的主要依据，每个节点可以通过直接信 任值或间接信任值计算出全局信任值。

其中，全局信任值可表示为：

在区块链系统初始化时，所有节点的全局信任值都是相同的，即T⁽⁰⁾＝1/n， n表示区块链系统的节点数量。在主节点以及代理节点选举阶段，节点将根据 全局信任值大小进行选举。

步骤二、通过GPBFT算法将全网共识划分为多个分组进行共识。

如图2所示，GPBFT算法包括：

201)、Request阶段：客户端向主节点发送请求消息<REQUEST,o,t,c>， 其中REQUEST包含消息内容m，以及消息摘要d，o表示请求的具体操作，t 表示客户端发起请求时的时间戳，c表示客户端时间标识。

202)、Propose阶段：主节点收到客户端的请求后，对请求进行校验， 若校验通过，则主节点为客户端请求分配一个编号n，然后广播一条 <<PROPOSE,v,n,d>,m>消息给所有代理节点，其中v表示视图编号，d为客户端 消息摘要，m为消息内容。

203)、Prepare阶段：代理节点收到来自主节点的PROPOSE消息后校验 消息的合法性，若非法则丢弃该请求，若校验通过，代理节点将会向组内的 其他从节点发送一条<PREPARE,v,n,d,k,i>消息，其中k表示当前分组的编号，i 表示节点的编号。

204)、Confirm阶段：从节点接收到代理节点的PREPARE消息后对消息 内容进行校验，如果同意Prepare消息，然后向组内的其他从节点发送一条<CONFIRM,v,n,d,k,i>，其中i表示节点的编号。

205)、Commit阶段：组内从节点收到CONFIRM消息后进行验证，若验证 通过的CONFIRM消息超过2fk-1个，说明组内大部分节点已经达成共识，此时 从节点会向代理节点发送一条<commit,v,n,d,k,i>。

206)、Accept阶段：代理节点收到超过2fk+1个Commit消息后会说明 组内已经达到共识状态，代理节点会向主节点发送<ACCEPT,v,n,d,k>消息。

207)、Reply阶段：主节点收到半数以上代理节点的accept请求后会向 客户端发送回复请求<accept,v,t,c,i,r>，其中r为请求的操作。

步骤三、对视图切换协议进行优化，根据节点的信任值大小选举主节点 或代理节点。

对视图切换协议进行优化，根据节点的信任值大小选举主节点或代理节 点，包括以下步骤：

301)、当某一个副本节点检测出主节点作恶或者异常时，将通过广播视 图切换消息的方式通知其他节点更换新的视图。

视图切换消息格式公式为：<VIEW-CHANGE,vold+1,i>，其中vold表示旧的 视图编号i则表示节点编号。

302)、组内其他副本节点收到消息之后，验证视图切换消息的有效性， 若同意视图切换请求，则将确认更换消息广播给组内其他节点。

其中，视图更换确认消息格式为：<VIEW-CHANGE-CONFIRM,vnet,i>。

303)、当组内其他副本节点收到2fk-1个视图确认更换消息后，重新进 行代理节点选举。

304)、代理节点选举成功后，会向其他代理节点广播视图同步更新消息。

305)、其他代理节点收到视图同步消息后重新选举主节点，并向各自组 内节点广播视图更新消息，完成视图的更换。

一种对视图切换协议进行优化的实施方式，如图3所示，1号节点为主 节点，当其他节点检测出1号节点出现故障时，组内节点发起视图更换请求， 进而推翻当前的主节点，1号节点所在的分组中将重新进行代理节点选举， 并选出信任值最高的3号节点作为代理节点，所有代理节点再进行主节点的 投票选举，最后选出代理节点中信任值最高的5号节点为主节点，从而完成 了一次视图切换。

本发明引入EigenTrust信任模型，在主节点以及代理节点选举阶段，用 信任值作为选举的依据，从而降低恶意节点在共识过程中的影响力，将原来 PBFT算法中的全网共识划分为多个分组进行共识，从而能够大幅减少了PBFT 的通信复杂度，提升区块链系统的性能，对视图切换协议进行优化，当视图 切换协议被触发后，系统将根据节点的信任值大小选举主节点或代理节点， 进一步提升了系统的安全性。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于特征信任的分组PBFT共识算法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过EigenTrust信任模型评判节点在交易过程中的信任度，并将节点的信任度作为选举主节点以及代理节点的依据；

S2、通过GPBFT算法将全网共识划分为多个分组进行共识；

S3、对视图切换协议进行优化，根据节点的信任值大小选举主节点或代理节点。

2.根据权利要求1所述的基于特征信任的分组PBFT共识算法，其特征在于：在S1操作步骤中，所述EigenTrust信任模型的信任度评估包括直接信任值、间接信任值和全局信任值。

3.根据权利要求2所述的基于特征信任的分组PBFT共识算法，其特征在于：所述直接信任值是节点之间通过历史交互信息所产生的信任度，节点将在本地存储与其他节点交互的过程中产生历史记录，然后统计出交互信任的数量和不信任的数量。

4.根据权利要求1所述的基于特征信任的分组PBFT共识算法，其特征在于：所述间接信任值是指在两个节点没有进行过直接交互，根据其他节点的推荐信息，计算其中一个节点的信任值。

5.根据权利要求1所述的基于特征信任的分组PBFT共识算法，其特征在于：所述全局信任值是评价节点是否可信的主要依据，每个节点可以通过直接信任值或间接信任值计算出全局信任值。

6.根据权利要求1所述的基于特征信任的分组PBFT共识算法，其特征在于：在S2操作步骤中，所述GPBFT算法包括：

S201、Request阶段：客户端向主节点发送请求消息<REQUEST,o,t,c>，其中REQUEST包含消息内容m，以及消息摘要d，o表示请求的具体操作，t表示客户端发起请求时的时间戳，c表示客户端时间标识；

S202、Propose阶段：主节点收到客户端的请求后，对请求进行校验，若校验通过，则主节点为客户端请求分配一个编号n，然后广播一条<<PROPOSE,v,n,d>,m>消息给所有代理节点，其中v表示视图编号，d为客户端消息摘要，m为消息内容；

S203、Prepare阶段：代理节点收到来自主节点的PROPOSE消息后校验消息的合法性，若非法则丢弃该请求，若校验通过，代理节点将会向组内的其他从节点发送一条<PREPARE,v,n,d,k,i>消息，其中k表示当前分组的编号，i表示节点的编号；

S204、Confirm阶段：从节点接收到代理节点的PREPARE消息后对消息内容进行校验，如果同意Prepare消息，然后向组内的其他从节点发送一条<CONFIRM,v,n,d,k,i>，其中i表示节点的编号；

S205、Commit阶段：组内从节点收到CONFIRM消息后进行验证，若验证通过的CONFIRM消息超过2fk-1个，说明组内大部分节点已经达成共识，此时从节点会向代理节点发送一条<commit,v,n,d,k,i>；

S206、Accept阶段：代理节点收到超过2fk+1个Commit消息后会说明组内已经达到共识状态，代理节点会向主节点发送<ACCEPT,v,n,d,k>消息；

S207、Reply阶段：主节点收到半数以上代理节点的accept请求后会向客户端发送回复请求<accept,v,t,c,i,r>，其中r为请求的操作。

7.根据权利要求1所述的基于特征信任的分组PBFT共识算法，其特征在于：在S3操作步骤中，对视图切换协议进行优化，根据节点的信任值大小选举主节点或代理节点，包括以下步骤：

S301、当某一个副本节点检测出主节点作恶或者异常时，将通过广播视图切换消息的方式通知其他节点更换新的视图；

S302、组内其他副本节点收到消息之后，验证视图切换消息的有效性，若同意视图切换请求，则将确认更换消息广播给组内其他节点；

S303、当组内其他副本节点收到2fk-1个视图确认更换消息后，重新进行代理节点选举；

S304、代理节点选举成功后，会向其他代理节点广播视图同步更新消息；

S305、其他代理节点收到视图同步消息后重新选举主节点，并向各自组内节点广播视图更新消息，完成视图的更换。

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