CN114024974A - 用于化工厂易燃气体监测系统的pbft算法改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于化工厂易燃气体监测系统的PBFT算法改进方法，把区块链和化工厂易燃气体检测系统相结合，利用物联网技术把易燃气体检测设备作为区块链节点。把节点划分为四种角色：共识节点，共识候选节点，普通节点，主节点候选节点。在主节点的选取和替换拜占庭节点的过程中引入评分机制，以评分为据分配权重，根据权重随机选取节点，确保有效隔离出拜占庭节点，同时最大程度上选取可靠稳定的共识节点，减少视图的更换。共识节点的共识和替换节点的选取同时进行，提高了视图效率，并且设置新区快最长时间以及块最大包含交易量，满足其一生成区块，提高了系统吞吐量。

Description

用于化工厂易燃气体监测系统的PBFT算法改进方法

技术领域

本发明涉及一种计算机和物联网应用技术，特别涉及一种用于化工厂易燃气体监测系统的PBFT算法改进方法。

背景技术

化工厂企业存在很多易燃易爆气体，易燃易爆气体一旦达到一定浓度或者发生泄漏，可能会引发严重的灾害事故，威胁人们的生命健康和财产安全。企业在成产过程中，为了利益可能会伪造生产环境的监测数据，可能会让们对环境真实情况不能及时了解，而造成重大事故。所以实时监测化工厂数据以及保证数据真实性有很大的意义。

而近几年来区块链技术和物联网技术的快速发展，使其变为可能。以物联网(Internet of things,IoT)监测设备作为区块链终端，利用物联网技术实时传输监测数据，保证了数据的实时性。并利用区块技术存储数据，利用区块链技术的防篡改等特性，保证数据的真实性。相对于非许可链来说，许可链跟便于对节点进行管理，所以化工厂易燃气体监测系统基于联盟区块链来实现。但物联网设备的计算能力有限，以及随着节点的增加，传统的PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)算法难以满足大量的交易需求。

发明内容

针对联盟区块链中主要使用的PBFT算法存在共识时延长和通信开销大问题难以满足大量的监测数据交易量的问题，提出了一种用于化工厂易燃气体监测系统的PBFT算法改进方法，满足区块链的高吞吐量，以及交易低时延。

本发明的技术方案为：一种用于化工厂易燃气体监测系统的PBFT算法改进方法，具体包括如下步骤：

1)把节点分为四种角色，普通节点，共识候选节点，共识节点，主节点候选节点，IoT监测设备作为区块链普通节点加入区块链；

2)不具备计算能力的IoT监测设备作为普通节点或共识节点随时加入或退出网络，但有提交交易的权利和转发块的义务；

3)具备计算能力的IoT监测设备作为普通节点加入区块链，想要参加共识先要发起申请，等待审核，审核通过再交付押金成为共识候选节点；

4)根据共识候选节点的实力和等待时长计算共识候选节点的权重，根据权重对共识候选节点随机排序，按排序顺序选取共识候选节点替换共识节点中拜占庭节点，共识候选节点的排序结果暂不公布；

5)共识节点进行共识，评分机制会根据共识节点每次共识进行评分，做恶则扣除信誉积分，诚实则加积分，低于设置的阈值被认为出现拜占庭错误；

6)根据共识节点信誉积分和等待时长分配权重，根据权重随机选择共识节点中的一个节点作为主节点候选节点，当主节点产生错误时进行替换，选取的主节点候选节点暂不公布；

7)当监听到网络中出现拜占庭事件需要替换拜占庭节点时，公布候选节点，同时进行下一轮候选节点的选取，候选节点的选取和共识同步进行；

8)设置新区快最长生成时间h和最大交易量，在h时间内共识完成m笔交易，则打包这m笔交易生成新区块，若没达到m笔交易量则时长达到h时把已有的交易打包生成新区块。

进一步，所述角色中共识节点参与共识，负责整个区块链系统的运行，根据共识节点的权重随机选择主节点候选节点，等待主节点出现错误进行替换，设置准入机制，降低拜占庭节点作恶的可能。

进一步，所述共识候选节点和主节点候选节点的选举与共识同步进行，共识节点需要进行替换或补充时申请候选节点名单，名单公布后按名单排序从共识候选节点中选取节点替换，替换完成后从申请节点中选取新的共识候选节点加入共识候选集合，根据权重开始新一轮随机排序，等待替换申请；

每轮共识评分后，根据共识节点权重进行一次主节点候选节点选举，等待替换，替换完成后也触发一次主节点候选节点的选举；选出的候选节点不公布其身份，待需要进行节点替换时，再向公众公布其身份，防止提前透漏节点身份被恶意攻击。

本发明的有益效果在于：本发明用于化工厂易燃气体监测系统的PBFT算法改进方法，能够使系统在交易量大的时候，增加块的生成速度，加大系统的吞吐量。并且改进PBFT算法主节点以及共识节点的选举过程，减少视图更换时延。设置选举方法，保证最大程度上选取最可靠候选节点的前提下随机选则候选节点，防止候选节点被恶意攻击。

附图说明

图1是本发明方法中节点选拔示意图；

图2是本发明方法中节点替换工作示意图；

图3是本发明方法中新区块生成标准示意图；

图4为本发明用于基于区块链的化工厂易燃气体检测系统的PBFT算法改进框架图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示节点选拔示意图。先把节点角色分为四大类，普通节点，共识候选节点，共识节点和主节点候选节点，四种角色级级选拔。具备计算能力的IoT检测设备作为区块链节点加入区块链，节点首先成为普通节点，想要参加共识先要发起申请，符合要求准入标准并交付押金成为共识候选节点，对共识候选节点按等待时长和综合实力分配权重，根据权重随机排序选择，等待替换共识节点中拜占庭节点。共识节点根据每轮共识评价积分和等待时长分配权重，根据权重随机选择节点成为主节点候选节点，等待替换发生错误的主节点。

如图2所示节点替换工作示意图，共识过程和候选节点的选择过程同步进行。交易被发起后，进行共识，共识中出现拜占庭节点触发共识节点替换，从共识候选节点中按排序依次选取节点。共识候选节点被选取后，从申请节点中补充新的共识候选节点开始新一轮排序等待下次替换。当共识节点每轮共识评分后进行一轮主节点候选节点的选举，主节点候选节点成功替换后也触发一次选举。

如图3所示新区块生成标准示意图，用户发起交易，共识节点对其进行共识，共识成功交易满足出块时长或区块所包含的最大交易量则打包交易生成新区块。

如图4所示用于基于区块链的化工厂易燃气体检测系统的PBFT算法改进框架图，方法包括以下步骤：

步骤1:把节点分为四种角色，普通节点，共识候选节点，共识节点，主节点候选节点。IoT监测设备首先作为区块链普通节点加入区块链。

步骤2:不具备计算能力的IoT监测设备可作为普通节点或共识节点随时加入或退出网络，但有提交交易的权利和转发块的义务。

步骤3:具备计算能力的IoT监测设备想要成为共识节点，首先要作为普通节点加入区块链后发起申请，等待审核，审核通过再交一定的押金成为共识候选节点。

步骤4:根据共识候选节点的实力和等待时长计算共识候选节点的权重，根据权重对共识候选节点随机排序，按排序顺序选取共识候选节点替换共识节点中拜占庭节点。共识候选节点的排序结果暂不公布。

步骤5:共识节点进行共识，评分机制会根据共识节点每次共识进行评分，做恶则扣除信誉积分，诚实则加积分，低于设置的阈值被认为出现拜占庭错误。

步骤6:根据共识节点信誉积分和等待时长分配权重，根据权重随机选择共识节点中的一个节点作为主节点候选节点，当主节点产生错误时进行替换，选取的主节点候选节点暂不公布。

步骤7:当监听到网络中出现拜占庭事件需要替换拜占庭节点时，公布候选节点。同时进行下一轮候选节点的选取。候选节点的选取和共识同步进行。

步骤8:设置新区快最长生成时间h和最大交易量，在h时间内共识完成m笔交易，则打包这m笔交易生成新区块，若没达到m笔交易量则时长达到h时把已有的交易打包生成新区块。

共识节点参与共识，负责整个区块链系统的运行，根据共识节点的权重随机选择主节点候选节点，等待主节点出现错误进行替换。设置准入机制，降低拜占庭节点作恶的可能。

共识候选节点和主节点候选节点的选举与共识同步进行。共识节点需要进行替换或补充时申请候选节点名单，名单公布后按名单排序从共识候选节点中选取节点替换，替换完成后从申请节点中选取新的共识候选节点加入共识候选集合，根据权重开始新一轮随机排序，等待替换申请。

每轮共识评分后，根据共识节点权重进行一次主节点候选节点选举，等待替换，替换完成后也触发一次主节点候选节点的选举。选出的候选节点不公布其身份，待需要进行节点替换时，再向公众公布其身份，防止提前透漏节点身份被恶意攻击。

候选节点选举和共识同时进行提高了节点的替换效率，并且候选节点根据权重进行随机选择，保证了最大程度上选择可靠稳定的共识节点。并且防止替换节点提前暴漏身份而遭到恶意攻击。经过层层筛选系统进行良性循环。

设置新区块最长生成时间，以及区块最大包含交易量m。当交易在h时间内达到区块最大交易量m,则不用等待时间达到h,直接打包交易生成新区块，若在h时间内达不到块最大交易量，把已有交易打包生成新区块。在交易量大时，不用再等待h时间才生成新区块，使交易不能及时被打包入链。

在节点角色、选取方式和过程以及出块设置上进行了改进。把节点分为四种角色：普通节点角色，共识候选节点角色，共识节点角色，主节点候选节点角色。共识节点的共识和两种候选节点的选举同步进行，共识结果会触发两种候选节点的选举。设置新区块生成最长时间和最大交易量，满足其一打包交易生成新区块。这种改进使其符合了以IoT检测设备为节点的化工厂易燃气体检测系统在区块链上的存储。因IoT检测设备计算能力有限，可以让其选择成为普通节点，只提交交易和转发块。而设置选拔机制能有效减少拜占庭节点实现系统良性循环，减少视图更换，又在更换节点的方法上进行改进减少视图更换时间，同时设置新区快生成标准，让其在交易量大的时候，能够尽快出块增加系统的吞吐量。此改进不仅适用于基于区块链的化工厂易燃气体检测系统，在利用IoT作为检测设备利用区块链进行数据存储的系统上拥有广泛的市场前景。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种用于化工厂易燃气体监测系统的PBFT算法改进方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)把节点分为四种角色，普通节点，共识候选节点，共识节点，主节点候选节点，IoT监测设备作为区块链普通节点加入区块链；

2)不具备计算能力的IoT监测设备作为普通节点或共识节点随时加入或退出网络，但有提交交易的权利和转发块的义务；

3)具备计算能力的IoT监测设备作为普通节点加入区块链，想要参加共识先要发起申请，等待审核，审核通过再交付押金成为共识候选节点；

4)根据共识候选节点的实力和等待时长计算共识候选节点的权重，根据权重对共识候选节点随机排序，按排序顺序选取共识候选节点替换共识节点中拜占庭节点，共识候选节点的排序结果暂不公布；

5)共识节点进行共识，评分机制会根据共识节点每次共识进行评分，做恶则扣除信誉积分，诚实则加积分，低于设置的阈值被认为出现拜占庭错误；

6)根据共识节点信誉积分和等待时长分配权重，根据权重随机选择共识节点中的一个节点作为主节点候选节点，当主节点产生错误时进行替换，选取的主节点候选节点暂不公布；

7)当监听到网络中出现拜占庭事件需要替换拜占庭节点时，公布候选节点，同时进行下一轮候选节点的选取，候选节点的选取和共识同步进行；

8)设置新区快最长生成时间h和最大交易量，在h时间内共识完成m笔交易，则打包这m笔交易生成新区块，若没达到m笔交易量则时长达到h时把已有的交易打包生成新区块。

2.根据权利要求1所述用于化工厂易燃气体监测系统的PBFT算法改进方法，其特征在于，所述角色中共识节点参与共识，负责整个区块链系统的运行，根据共识节点的权重随机选择主节点候选节点，等待主节点出现错误进行替换，设置准入机制，降低拜占庭节点作恶的可能。

3.根据权利要求1或2所述用于化工厂易燃气体监测系统的PBFT算法改进方法，其特征在于，所述共识候选节点和主节点候选节点的选举与共识同步进行，共识节点需要进行替换或补充时申请候选节点名单，名单公布后按名单排序从共识候选节点中选取节点替换，替换完成后从申请节点中选取新的共识候选节点加入共识候选集合，根据权重开始新一轮随机排序，等待替换申请；

每轮共识评分后，根据共识节点权重进行一次主节点候选节点选举，等待替换，替换完成后也触发一次主节点候选节点的选举；选出的候选节点不公布其身份，待需要进行节点替换时，再向公众公布其身份，防止提前透漏节点身份被恶意攻击。

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