CN114090693B - 基于拜占庭容错的区块链见证共识方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于拜占庭容错的区块链见证共识方法，其特征在于，设置有打包节点和见证节点，所述共识方法包括以下步骤：S1.打包节点打包生成区块，并进行广播；S2.见证节点进行投票广播并计票；S3.根据规则，进行主链的确认；步骤S2中，所有见证节点在任一区块高度，只进行一次投票广播。本发明还提供了一种基于拜占庭容错的区块链见证共识系统、设备和存储介质。本发明极大的降低了共识网络的通信复杂度，且依旧很好的解决了链分叉的问题，充分保证一致性和活性。同时本发明可以对共识网络中作恶节点进行识别。

Description

基于拜占庭容错的区块链见证共识方法、系统、设备及存储 介质

技术领域

本发明涉及分布式系统数据一致性技术领域，具体来说是一种基于拜占庭容错的区块链见证共识方法，以及系统、设备和存储介质。

背景技术

在区块链中，由于其去中心化的设计，节点是各处分散且平行的，所以必须有一套流程，来实现各节点的运作一致性。这样的流程，就是共识。

在区块链中，共识是一个决策过程，它的目标是确保所有参与者在添加新数据块后，能就其当前状态达成一致。换言之，共识协议确保了一条链的正确性。

区块链中共识机制一般要满足两个条件，分别是一致性和活性。一致性是要求在同一高度下不会有两个区块最终被确认。活性是要求在有限时间内，肯定有一个区块最终被确认，链能继续共识伸展。

PBFT（实用拜占庭容错算法）算法可以工作在异步环境中，目前已得到广泛应用。PBFT算法可以在失效节点不超过总数1/3的情况下同时保证Safety（一致性）和Liveness（活性）。PBFT 算法采用密码学相关技术确保消息传递过程无法被篡改和破坏。

在传统的PBFT共识中，共识网络中存在多轮通信，通信复杂度达到了O(n²)。

如何有效降低通信复杂度，并在此基础上，充分保证一致性和活性，是基于拜占庭容错共识方法的一个大难题。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于拜占庭容错的区块链见证共识方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

基于拜占庭容错的区块链见证共识方法，设置有打包节点和见证节点，所述共识方法包括以下步骤：

S1.打包节点打包生成区块，并进行广播；

S2.见证节点进行投票广播并计票；

S3.根据规则，进行主链的确认；

步骤S2中，所有见证节点在某一区块高度，只进行一次投票广播。

进一步的，步骤S2中，每个见证节点只对最先收到的区块进行投票。

进一步的，步骤S3中，主链确认的规则为，在某一区块高度，如果一个节点收集到了某一区块的2/3以上节点的投票，该区块即被确认，该区块所在的链即被确认为主链。

进一步的，步骤S3无论是否确认了主链，打包节点只要收集到2/3以上节点的投票，即进行下一轮区块的打包。

进一步的，打包节点进行下一轮区块的打包时，选择其收集到最多投票的一个区块作为父区块。

进一步的，步骤S1中，如果当轮打包节点出现故障，在满足延迟时间后，进行视图切换，非当轮打包节点轮换为本轮的打包节点进行本轮打包。

进一步的，非当轮打包节点的延迟时间设置得比当轮打包节点延迟时间长。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于拜占庭容错的区块链见证共识系统，包括打包节点模块、见证节点模块和控制模块，所述控制模块按照所述的基于拜占庭容错的区块链见证共识方法，控制打包节点和见证节点进行相关操作。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于拜占庭容错的区块链见证共识设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于拜占庭容错的区块链见证共识程序，所述基于拜占庭容错的区块链见证共识程序，配置有实现基于拜占庭容错的区块链见证共识方法的全部或某一流程。

为实现上述目的，本发明还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有基于拜占庭容错的区块链见证共识程序，所述基于拜占庭容错的区块链见证共识程序被执行时实现基于拜占庭容错的区块链见证共识方法的全部或某一流程。

采用以上技术方案，本发明极大的降低了共识网络这种的通信复杂度，且依旧很好的解决了链分叉的问题。本发明允许1/3以下比例的节点故障，并且保证了1/3以下比例的节点故障时，依旧可以很好的保证一致性和活性。同时本发明可以对共识网络中作恶节点进行识别。

附图说明

图1是本发明决出主链的流程图。

图2是本发明投票过程通信图（主链区块获得投票的过程）。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非是对本发明的限定。

实施例1：本发明基于拜占庭容错的区块链见证共识方法，设置有共识参与节点，所述共识参与节点在每轮出块过程中，会有一个节点被确定为主节点。

所述主节点负责区块打包，所以也称为打包节点。打包节点是区块链中的全节点，所述打包节点是节点集的轮询，每一轮的打包节点是确定的，且按时间顺序轮换。如果当轮打包节点出现宕机的情况，为了避免本轮不能出块，在确定宕机的延迟时间后（此时间长短可以根据需要设置），即可进行视图切换，非当轮打包节点可以轮换为本轮的打包节点，并进行本轮打包。如果发生这种情况，会导致分叉的出现。所以在进行视图切换时，非当轮打包节点的延迟时间要设置得比当轮打包节点长。这样可以避免出现很多分叉。

如图1所示，所述打包节点完成当轮区块的打包后，会广播给其他所有共识参与节点，这些共识参与节点也被称为见证节点。见证节点是区块链中的全节点，由权威可信节点组成，可以完成区块验证、区块见证、区块上链、区块广播、区块存储等功能。见证节点的操作受其它节点的监督，如果出现违规行为，会受到见证权限、押金扣除等惩罚。

所述见证节点在收到打包节点广播的区块后，进行投票广播和计票。所有见证节点在某一区块高度，只可以进行一次投票。如果见证节点在同一区块高度下，对两个及以上的区块都进行了投票，那么其他节点收集到关于该见证节点对该高度下多个区块的投票时，则记为该见证节点作恶。

在同一区块高度，见证节点在收到打包节点的区块广播时，根据收到的时间顺序，只签名投票最先收到的区块，后收到的区块不再进行投票。亦即，如果打包时出现了分叉，每个见证节点只对最先收到的区块进行投票。

如图1所示，见证节点投票后，在该区块高度，如果一个节点收集到了某一区块的2/3以上节点的投票，该区块即被确认，该区块所在的链即被确认为主链。然后继续进行下一轮区块打包。

如果在该区块高度，没有任何节点收集到任一区块的2/3以上节点的投票，如图1所示，即为未决出主链，下一轮打包节点依旧继续进行下一个区块的打包。但是在进行下一轮打包之前，要保证已经收集到了2/3以上节点的投票广播。（即只要打包节点收集到了2/3以上节点的投票广播，无论此2/3以上节点的投票是否集中在同一区块上，便可进行下一区块的打包。）在此种情况下，打包节点会选择其收集到最多投票的一个区块作为父区块进行打包。如果多个区块投票数一致，则随机选择其中一个作为父区块进行打包。然后继续进行广播并进行共识投票。如果此轮区块高度的投票中，有某个节点收集到了某个区块的2/3以上节点的投票，该区块即被确认，该区块所在的链即被确认为主链，该主链前面的所有区块都被确认，即使该主链前面的区块未获得足够的投票。如果依旧没有任一区块被确认，只要满足收集到了2/3以上节点的投票广播，即可进入下一区块的打包，并进行后续共识程序。

根据上述流程，已知在共识投票网络中，所有共识参与节点只有一轮的投票广播和计票过程，共识参与节点不知道其他参与节点的投票收集情况。其次，所有共识参与节点接收到没有前置条件的区块时，先来先签名，不存在依次投票的情况。

本发明共识机制共有四个约束条件。约束一：所有见证节点在任一高度只可以进行一次投票。如果见证节点进行两次投票，可以被记作作恶。约束二：如果一个节点收到了某个区块的2/3以上的节点的投票，该区块即被确认。如果一个区块被确认，那么该区块就代表了主链被决出，主链之前的区块都是确认的，不会被修改。约束三：打包节点不是收集到某个区块的2/3以上节点的投票后，而是在收集到2/3以上节点的投票后，就可以进行下一个块的打包工作。亦即节点不需要收集到所有的投票，也不需要一定要收集到某个区块全部的2/3节点的投票，也可以进行下一个块的打包，共识流程不会停滞。约束四：在分叉时，选择最有可能收集到2/3节点投票的区块（即收集到最多投票的区块）作为父区块进行打包，如果没有，则随机选择投票数最多的区块之一作为父区块进行打包。也即是，节点会选择最有可能成为主链的区块进行下一个区块的打包。

由上面的已知条件和约束条件，可以推论出所描述的见证共识方法满足一致性。推论一：如果某个节点收到了2/3以上节点的投票，则有且只有一个区块有可能完成2/3以上节点的投票，或者所有区块都没有完成2/3以上节点的投票。推论二：如果当前分叉投票数相近，不存在某一个区块收集到2/3以上节点的投票，那么节点在不同的收集情况下，可能会认为是不同的区块可能会完成2/3以上节点的投票。这种情况，可能会出现分叉，无法决出主链，需要进一步证明活性。推论三：如果有一个区块完成了2/3以上节点的投票，那么在任何情况下，只要收集到了2/3以上节点的投票，都不会认为是其他区块收集到了2/3以上节点的投票。由推论一和推论三，可以得到保证一致性的结论：如果有区块有2/3以上节点的投票，那么它一定会成为主链。

活性证明和结论：在共识网络中，打包节点是特定节点集的轮询，打包节点负责的轮次是确定的，所以打包节点都是具有时间顺序的打包。出现视图切换时，当轮打包节点的时间延迟和非当轮打包者的时间延迟设置是不同的。非当轮打包节点的延时会比当轮打包节点延时长，故在几个区块内，无法决出主链的概率极小，可忽略不计。由此可以得到保持活性的结论：在一定时间内，一定可以完成主链的确定，解决分叉问题。

下面再结合附图2对本发明流程作进一步详细的说明：

如图2，区块3、区块4、区块5依次打包，然后进行见证共识。均获得了2/3以上节点的投票，然后以区块5作为父区块的打包，可能由于打包节点宕机，或者因为网络等其他原因，出现了分叉，形成了区块6-1、区块6-2和区块6-3，如图2所示，图中的投票仅示出了最终主链区块（即区块高度6中区块6-3，区块高度7中区块7-2，区块高度8中区块8-1）获得见证投票的通信流程。在区块高度6中，此时见证节点D和E未将票投给区块6-3，在此轮投票中，没有任一节点收集到任一区块2/3以上的节点的投票。

此时未决出主链，并进行下一轮打包，在进行下一轮打包时，由于打包节点宕机或者其他原因，又出现了分叉，不同的打包节点由于上一轮收集到的票数情况不一致，其中一个打包节点选择区块6-1为父区块进行打包，生成区块7-1，而另一个打包节点选择区块6-3为父区块进行打包，生成区块7-2，在此轮投票中，此时见证节点D和E没有投票给区块7-2，本轮投票依旧没有任一节点收集到任一区块2/3以上的节点的投票，本轮依旧没有决出主链。

然后继续进入下一轮打包，此轮打包节点选择区块7-2为父区块进行打包，生成区块8-1，然后进入投票阶段，此轮投票，区块8-1获得了2/3以上节点的投票，被确认，区块8-1所在链被确认为主链，区块8-1前面的区块6-3、区块7-2虽然没有获得2/3以上节点的投票，但是作为主链的区块依旧被确认，不会被修改。而区块6-1、区块7-1所在链，以及区块6-2所在链则被抛弃。

需要说明的是，以上情形只是举例，实际发生的情形可能超出以上举例。

采用以上技术方案，本发明极大的降低了共识网络这种的通信复杂度，且依旧很好的解决了链分叉的问题。本发明允许1/3以下比例的节点故障，并且保证了1/3以下比例的节点故障时，依旧可以很好的保证一致性和活性。同时本发明可以对共识网络中作恶节点进行识别。

需要说明的是，以上所描述的工作流程仅仅是示意性的，并不对本发明的保护范围构成限定，在实际应用中，本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现发明的目的，此处不做限制。

实施例2：此外，本发明实施例还提出一种基于拜占庭容错的区块链见证共识系统，包括打包节点模块、见证节点模块和控制模块。

所述控制模块按照实施例1所述的基于拜占庭容错的区块链见证共识方法，控制打包节点和见证节点进行相关操作。

如：所述控制模块控制打包节点按时间顺序打包，并在打包节点宕机或者由于其他原因，需要轮换打包节点时，控制模块根据延迟时间，控制视图切换和打包节点的轮换。

所述控制模块还控制见证节点按照收到区块的先后顺序，在同一区块高度，只对最先收到的区块进行投票。

所述控制模块还控制共识参与节点对作恶节点进行记录。

所述控制模块还控制共识参与节点根据规则确认主链。

所述控制模块的实现方式可以是硬件，也可以是软件。

需要说明的是，以上模块在实际部署中，可以分开部署在不同空间区域或者设备、系统中。本领域技术人员了解每个模块的各自功能，可以对其进行分开部署或使用，以在不同设备、方法、系统中使用该模块。

另外，本实施例仅仅是对本发明基于拜占庭容错的区块链见证共识系统，所作的基本表述，未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供方法，此处不再赘述。

实施例:3：本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如只读存储器（Read Only Memory，ROM）/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端设备（可以是手机，计算机，节点打包设备，或者网络设备等）执行本发明实施例所述的方法。

所以，本发明还提供了一种基于拜占庭容错的区块链见证共识设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于拜占庭容错的区块链见证共识程序，所述基于拜占庭容错的区块链见证共识程序，配置有实现基于拜占庭容错的区块链见证共识方法。

另外，本发明还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有基于拜占庭容错的区块链见证共识程序。

由于，在现实情况中，在部署设备或程序时，某个程序的运行可以是实行所有步骤，也可以是只实行某一步骤，并通过多个程序配合来实现全部步骤，

所以，所述基于拜占庭容错的区块链见证共识程序，在被执行时，实现基于拜占庭容错的区块链见证共识方法中的全部或某一流程。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.基于拜占庭容错的区块链见证共识方法，其特征在于，设置有打包节点和见证节点，所述共识方法包括以下步骤：

S1.打包节点打包生成区块，并进行广播；

S2.见证节点进行投票广播并计票；

S3.根据规则，进行主链的确认；

步骤S2中，所有见证节点在任一区块高度，只进行一轮投票广播；

步骤S3无论是否确认了主链，打包节点只要收集到2/3以上节点的投票，即返回步骤S1，进行下一轮区块的打包，打包节点进行下一轮区块的打包时，选择其收集到最多投票的一个区块作为父区块。

2.根据权利要求1所述的基于拜占庭容错的区块链见证共识方法，其特征在于，步骤S2中，每个见证节点只对最先收到的区块进行投票。

3.根据权利要求1所述的基于拜占庭容错的区块链见证共识方法，其特征在于，步骤S3中，主链确认的规则为，在一个区块高度中，如果一个节点收集到了某一区块的2/3以上节点的投票，该区块即被确认，该区块所在的链即被确认为主链。

4.根据权利要求1所述的基于拜占庭容错的区块链见证共识方法，其特征在于，步骤S1中，如果当轮打包节点出现故障，在满足延迟时间后，进行视图切换，非当轮打包节点轮换为本轮的打包节点进行本轮打包，且非当轮打包节点的延迟时间设置得比当轮打包节点延迟时间长。

5.根据权利要求1所述的基于拜占庭容错的区块链见证共识方法，其特征在于，共识参与节点收集到某见证节点对同一高度下多个区块的投票时，则记为该见证节点作恶。

6.基于拜占庭容错的区块链见证共识系统，其特征在于，包括打包节点模块、见证节点模块和控制模块，所述控制模块按照权利要求1-5任一项所述的基于拜占庭容错的区块链见证共识方法，控制打包节点和见证节点进行相关操作。

7.基于拜占庭容错的区块链见证共识设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于拜占庭容错的区块链见证共识程序，所述基于拜占庭容错的区块链见证共识程序，配置有实现如权利要求1-5任一项所述的基于拜占庭容错的区块链见证共识方法的全部或某一流程。

8.存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有基于拜占庭容错的区块链见证共识程序，所述基于拜占庭容错的区块链见证共识程序被执行时，实现如权利要求1-5任一项所述的基于拜占庭容错的区块链见证共识方法的全部或某一流程。

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