CN114050968A - 一种物联网区块链pbft共识架构的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了区块链共识领域的一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法，节点移动频率信息低于设定频率阈值时，则计算自身T_i值，并将T_i值发送至监控节点；监控节点指定T_i值大于T_i阈值，且为所在预划分区域中T_i值最大的节点为主节点；节点响应于接收到所述主节点指定信息，则向其传输范围内的其他节点发送主节点T_i值和主节点身份信息；将节点转为偏好指标O_j→i最大的主节点的共识节点p_j；其中，主节点p_i和共识节点p_j构成共识片区，多个共识片区构建成共识架构的区块链系统，本发明通过共识片区降低了通信开销和减轻通信压力；根据偏好列表灵活加入主节点p_i，提高了共识效率。

Description

一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法

技术领域

本发明属于区块链共识技术领域，具体涉及物联网区块链PBFT共识架构的构建方法。

背景技术

近年来，随着物联网技术的普及和迅速发展，使得物联网应用在日常生活中随处可见，已经成为一项具有巨大影响力的技术。可以预见的是，许多物联网服务将通过数百万个结构简单、甚至是微型设备向全球提供服务。与此同时，物联网设备的受限能力，复杂的网络环境，以及当前基于集中式和层次化结构的接入控制系统，给物联网领域带来了新的挑战。由于设备分布广、数量多、应用环境复杂、计算能力有限等问题，中心化网络模式将会带来巨大的数据基础设施建设和成本投入。

一些物联网应用场景比传统的集中式场景更具动态性，物联网设备可能是移动的，属于不同的管理小区。目前的物联网集中式平台相互隔离，互不兼容，这使得物联网设备之间协同工作及信息传输难以实现。分布式物联网交易的信息数据传输具有实时特性，对所选区块链技术具有高效率的要求。共识算法是区块链技术的核心，影响着区块链系统的效率。传统的PBFT共识存在节点通信压力大和共识效率低等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法，以减轻通信压力，提高共识效率。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供了一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法，包括：

节点获取自身移动频率信息，响应于移动频率信息低于设定频率阈值，则计算自身T_i值，并将T_i值发送至监控节点；

节点接收监控节点发出的主节点指定信息，或被监控节点指定的主节点发出的主节点T_i值和主节点身份信息；其中，监控节点指定T_i值大于T_i阈值，且为所在预划分区域中T_i值最大的节点为主节点，并向主节点发送主节点指定信息；

节点响应于接收到所述主节点指定信息，则向其传输范围内的其他节点发送主节点T_i值和主节点身份信息；

节点响应于接收到所述主节点T_i值和主节点身份信息，则执行以下操作：

验证相应的各主节点p_i的T_i值，并在验证通过后,根据轨迹相似性计算相应各主节点p_i偏好指标O_j→i；

按偏好指标O_j→i对接收到的各主节点p_i排列，将本节点转为偏好指标O_j→i最大的主节点的共识节点p_j；其中，主节点p_i和共识节点p_j构成共识片区，多个共识片区构建成共识架构的区块链系统。

优选的，节点响应于申请加入区块链系统，则发送申请信息至监控节点审核；节点响应于接收到所述主节点指定信息，则定期向监控节点发送自身T_i值，并接收监控节点的检测信息；其中，监控节点根据T_i值检测节点的状态，并向节点发送检测信息。

优选的，在区块链系统的各更新周期内，节点被监控节点重新指定为主节点或根据偏好列表重新加入主节点p_i，并构建新共识片区。

优选的，两节点被指定为主节点的限制条件包括，两节点在物理区域上的距离大于距离阈值；其中，距离阈值根据节点密度设定。

优选的，两节点响应于接收到同一共识片区的主节点指定信息，节点接收到的另一节点T_i值，检验接收的T_i值是否大于区块链系统中设置的T_i阈值；当比T_i阈值小时，直接反馈给监控节点；当比T_i阈值大时，消除T_i值低的主节点；若两个节点的T_i值相等，由监控节点来指定主节点。

优选的，节点在各设定周期重新向监控节点发送自身T_i值，响应于节点移动频率低于设定频率阈值，所述的T_i值的计算公式为：

公式中，E_c是节点的用于参与共识的通信能力，Cal是节点用于参与共识的计算功率；Po是节点在设定周期内的活动区域，St是节点用于参与共识的存储能力；

分别是节点p_i具有的最大计算功率、最大通信能量、最大活动区域和最大的存储能力；σ，

τ，υ分别是分配的权重参数并且要求

和σ，

τ，υ∈[0,1]。

优选的，节点非常密集时，添加权重参数要求

节点非常稀疏时，添加权重参数要求

优选的，节点按照主节点p_i的偏好指标O_j→i的降序排列在偏好列表中，将接收到新主节点与偏好列表中最后一个主节点的偏好指标O_j→i进行比较，保留偏好指标O_j→i最大的主节点p_i，且偏好列表重新降序排列。

优选的，所述偏好指标O_j→i的计算公式为：

O_j→i＝sim(d_j，d_i)

公式中，d_i为主节点p_i的轨迹段，d_j为共识节点p_j的轨迹段，sim(d_j,d_i)为轨迹段d_i和轨迹段d_j的相似度；

sim(d_j,d_i)＝1-dis(d_j,d_i)

dis(dj,di)为轨迹段d_i和轨迹段d_j的轨迹差异度，将dis(dj,di)定义为：

公式中，S(d_i)和S(d_j)分别是主节点p_i和共识节点p_j在其轨迹段中的速度；S_ave(d_i)和S_ave(d_j)分别是主节点p_i和共识节点p_j的平均速度；location(d_j,d_i)是轨迹段d_i和轨迹段d_j的位置差异；direction(d_j,d_i)是轨迹段d_i和轨迹段d_j的方向差；max(location(d_j,d_i))是主节点p_i和共识节点p_j之间的最大物理距离。

优选的，所述direction(d_j,d_i)的计算公式为：

公式中，主节点p_i和共识节点p_j运动方向的夹角。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明所述监控节点指定初步划分的区域中T_i值最大且大于T_i阈值的节点为主节点p_i；所述非主节点加入主节点p_i，主节点与非主节点进行共识形成共识片区，通过共识片区降低了通信开销和减轻通信压力。

本发明非主节点根据轨迹相似性计算收到的各主节点p_i偏好指标O_j→i；非主节点配置偏好列表，所述偏好列表内按偏好指标O_j→i的排列收到各主节点p_i；所述非主节点根据偏好列表灵活加入主节点p_i，提高了共识效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高效物联网区块链PBFT共识架构的结构图；

图2是本发明实施例提供的高效物联网区块链PBFT共识架构的流程图；

图3是本发明实施例提供的区块链系统与传统PBFT区块链的对比柱状图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1-3所示，一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法，包括：

节点获取自身移动频率信息，所述频率阈值是由监控节点根据片区实际情况设定；响应于移动频率信息低于设定频率阈值，则计算自身T_i值，并将T_i值发送至监控节点，所述的T_i值的计算公式为：

公式中，公式中，E_c是节点的用于参与共识的通信能力，Cal是节点用于参与共识的计算功率，计算功率反映的是节点单位时间CPU执行指令数；Po是节点在设定周期内的活动区域，St是节点用于参与共识的存储能力；

分别是节点p_i具有的最大计算功率、最大通信能量、最大活动区域和最大的存储能力；σ，

τ，υ分别是分配的权重参数并且要求

和σ，

τ，υ∈[0,1]；当节点非常密集时，添加权重参数要求

当节点非常稀疏时，添加权重参数要求

节点接收监控节点发出的主节点指定信息，或被监控节点指定的主节点发出的主节点T_i值和主节点身份信息；其中，监控节点指定T_i值大于T_i阈值，且为所在预划分区域中T_i值最大的节点为主节点，并向主节点发送主节点指定信息；两节点被指定为主节点的限制条件包括，两节点在物理区域上的距离大于距离阈值；其中，距离阈值根据节点密度设定；节点响应于接收到所述主节点指定信息，则向其传输范围内的其他节点发送主节点T_i值和主节点身份信息。

节点响应于接收到所述主节点T_i值和主节点身份信息，则执行以下操作：

验证相应的各主节点p_i的T_i值，并在验证通过后,根据轨迹相似性计算相应各主节点p_i偏好指标O_j→i；所述偏好指标O_j→i的计算公式为：

O_j→i＝sim(d_j，d_i)

公式中，d_i为主节点p_i的轨迹段，d_j为共识节点p_j的轨迹段，sim(d_j,d_i)为轨迹段d_i和轨迹段d_j的相似度；

sim(d_j,d_i)＝1-dis(d_j,d_i)

dis(dj,di)为轨迹段d_i和轨迹段d_j的轨迹差异度，将dis(dj,di)定义为：

公式中，S(d_i)和S(d_j)分别是主节点p_i和共识节点p_j在其轨迹段中的速度；S_ave(d_i)和S_ave(d_j)分别是主节点p_i和共识节点p_j的平均速度；location(d_j,d_i)是轨迹段d_i和轨迹段d_j的位置差异；direction(d_j,d_i)是轨迹段d_i和轨迹段d_j的方向差；max(location(d_j,d_i))是主节点p_i和共识节点p_j之间的最大物理距离。

所述direction(d_j,d_i)的计算公式为：

公式中，主节点p_i和共识节点p_j运动方向的夹角。

节点响应于接收到所述主节点T_i值和主节点身份信息，节点按照主节点p_i的偏好指标O_j→i的降序排列在偏好列表中，将接收到新主节点与偏好列表中最后一个主节点的偏好指标O_j→i进行比较，保留偏好指标O_j→i最大的主节点p_i，且偏好列表重新降序排列，将本节点转为偏好指标O_j→i最大的主节点的共识节点p_j；其中，主节点p_i和共识节点p_j构成共识片区，多个共识片区构建成共识架构的区块链系统。

节点响应于申请加入区块链系统，则发送申请信息至监控节点审核；节点响应于接收到所述主节点指定信息，则定期向监控节点发送自身T_i，并接收监控节点的检测信息；其中，监控节点根据T_i值检测节点的状态，并向节点发送检测信息。

申请加入区块链系统的新增节点由所述监控节点审核，被指定的节点由监控节点监控状态；当主节点p_i状态不合理时，停止共识片区进行共识，其中，拒绝发送T_i值的主节点p_i禁止参与共识过程；当主节点p_i状态合理时，共识片区正常进行共识。

两节点响应于接收到同一共识片区的主节点指定信息，节点接收到的另一节点T_i值，检验接收的T_i值是否大于区块链系统中设置的T_i阈值；当比T_i阈值小时，直接反馈给监控节点；当比T_i阈值大时，消除T_i值低的主节点；若两个节点的T_i值相等，由监控节点来指定主节点。

在区块链系统的各更新周期内，节点被监控节点重新指定为主节点或根据偏好列表重新加入主节点p_i，并构建新共识片区。

区块链系统共识过程执行阶段具体包括以下步骤：

监控节点检查共识区域状态，对状态合格的共识区域配置交易消息，所述主节点收到系统中的交易消息后，验证区块高度，判断当前正在处理的消息数量是否超出限制，如果超出限制，则缓存起来。如果没有限制，对请求分配序列号n，并附加视图号v，时间戳等信息生成预准备消息＜PRE-PREPARE,v,n,d＞,m＞，广播给共识节点。

共识节点收到预准备消息后，对预准备消息进行检查后，若检查通过后，就广播准备消息＜PREPARE,v,n,d,i＞给其他节点，表示自己收到并投票认可这个请求，进入准备阶段。如果没有通过，则忽略该消息。

在准备阶段，所有的节点就将准备消息加入到日志中，并继续收集准备消息，主节点收到的广播准备消息＜PREPARE,v,n,d,i＞要与预准备消息＜PRE-PREPARE,v,n,d＞,m＞中的v、n、d等信息匹配，判定PREPARE消息正确；如果主节点收到共识片区2/3及以上节点的正确准备消息＜PREPARE,v,n,d,i＞消息，就进入提交阶段，广播提交消息＜COMMIT,v,n,D(m),i＞；主节点生成正式区块，主节点发送正式区块给其他节点，各节点同步区块数据，节点进行初始化进行下一轮共识；区块链系统中有1个监控节点，m个主节点，每个片区中有n个共识节点。那么，O()表示时间复杂度函数，传统PBFT通信开销的时间复杂度函数可以简化为O(m+mn)²，而分片区共识通信开销的时间复杂度函数可以简化为O(m(1+n)²)。由此可见，若物联网的规模越大，分片区共识越节省通信开销。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法，其特征在于，包括：

节点获取自身移动频率信息，响应于移动频率信息低于设定频率阈值，则计算自身T_i值，并将T_i值发送至监控节点；

节点接收监控节点发出的主节点指定信息，或被监控节点指定的主节点发出的主节点T_i值和主节点身份信息；其中，监控节点指定T_i值大于T_i阈值，且为所在预划分区域中T_i值最大的节点为主节点，并向主节点发送主节点指定信息；

节点响应于接收到所述主节点指定信息，则向其传输范围内的其他节点发送主节点T_i值和主节点身份信息；

节点响应于接收到所述主节点T_i值和主节点身份信息，则执行以下操作：

验证相应的各主节点p_i的T_i值，并在验证通过后,根据轨迹相似性计算相应各主节点p_i偏好指标O_j→i；

按偏好指标O_j→i对接收到的各主节点p_i排列，将本节点转为偏好指标O_j→i最大的主节点的共识节点p_j；其中，主节点p_i和共识节点p_j构成共识片区，多个共识片区构建成共识架构的区块链系统。

2.根据权利要求1所述的一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法，其特征在于，节点响应于申请加入区块链系统，则发送申请信息至监控节点审核；节点响应于接收到所述主节点指定信息，则定期向监控节点发送自身T_i值，并接收监控节点的检测信息；其中，监控节点根据T_i值检测节点的状态，并向节点发送检测信息。

3.根据权利要求1所述的一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法，其特征在于，在区块链系统的各更新周期内，节点被监控节点重新指定为主节点或根据偏好列表重新加入主节点p_i，并构建新共识片区。

4.根据权利要求1所述的一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法，其特征在于，两节点被指定为主节点的限制条件包括，两节点在物理区域上的距离大于距离阈值；其中，距离阈值根据节点密度设定。

5.根据权利要求1所述的一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法，其特征在于，两节点响应于接收到同一共识片区的主节点指定信息，节点接收到的另一节点T_i值，检验接收的T_i值是否大于区块链系统中设置的T_i阈值；当比T_i阈值小时，直接反馈给监控节点；当比T_i阈值大时，消除T_i值低的主节点；若两个节点的T_i值相等，由监控节点来指定主节点。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法，其特征在于，节点在各设定周期重新向监控节点发送自身T_i值，响应于节点移动频率低于设定频率阈值，所述的T_i值的计算公式为：

公式中，E_c是节点的用于参与共识的通信能力，Cal是节点用于参与共识的计算功率；Po是节点在设定周期内的活动区域，St是节点用于参与共识的存储能力；

分别是节点p_i具有的最大计算功率、最大通信能量、最大活动区域和最大的存储能力；σ，

τ，υ分别是分配的权重参数并且要求

和

7.根据权利要求6所述的一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法，其特征在于，节点非常密集时，添加权重参数要求

节点非常稀疏时，添加权重参数要求

8.根据权利要求1所述的一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法，其特征在于，按照主节点p_i的偏好指标O_j→i的降序排列在偏好列表中，将接收到新主节点与偏好列表中最后一个主节点的偏好指标O_j→i进行比较，保留偏好指标O_j→i最大的主节点p_i，且偏好列表重新降序排列。

9.根据权利要求1或8所述的一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法，其特征在于，所述偏好指标O_j→i的计算公式为：

O_j→i＝sim(d_j，d_i)

公式中，d_i为主节点p_i的轨迹段，d_j为共识节点p_j的轨迹段，sim(d_j,d_i)为轨迹段d_i和轨迹段d_j的相似度；

sim(d_j,d_i)＝1-dis(d_j,d_i)

dis(dj,di)为轨迹段d_i和轨迹段d_j的轨迹差异度，将dis(dj,di)定义为：

公式中，S(d_i)和S(d_j)分别是主节点p_i和共识节点p_j在其轨迹段中的速度；S_ave(d_i)和S_ave(d_j)分别是主节点p_i和共识节点p_j的平均速度；location(d_j,d_i)是轨迹段d_i和轨迹段d_j的位置差异；direction(d_j,d_i)是轨迹段d_i和轨迹段d_j的方向差；max(location(d_j,d_i))是主节点p_i和共识节点p_j之间的最大物理距离。

10.根据权利要求9所述的一种物联网区块链PBFT共识架构的构建方法，其特征在于，所述direction(d_j,d_i)的计算公式为：

公式中，主节点p_i和共识节点p_j运动方向的夹角。

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