CN114218612A - 一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法。属于计算机领域。通过在联盟链中各共识节点间引入信任权益评分机制和改进拜占庭容错算法，该共识方法以传统PBFT共识算法为基础，将网络节点分为共识节点和普通节点，共识节点是参与网络间各节点出块共识，并负责对客户端发来的交易进行接收与验签，监督管理客户端提交的交易的节点；而普通节点是负责接收共识节点的数据同步，进行验签和存储。主要针对现有PBFT算法技术中存在的消息通讯机制复杂、网络节点数据有限制、共识节点不能自主退出和数据包结构冗余等问题做了优化，提升了共识过程中网络通信效率和可扩展性，最终达到联盟区块链可用于高频交易场景的目的。

Description

一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法

技术领域

本发明涉及计算机领域，尤指一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法。

背景技术

由于区块链具有可追溯、防篡改的特性，因此其应用价值也日益凸显。近年来，区块链应用领域不仅涉及政务监管、追溯、金融、供应链、司法等多个领域，同时也为再生资源回收以及碳交易等公共服务领域带来新的发展机遇。然而现阶段区块链技术共识算法效率较低，给行业应用带来不少阻碍，针对现在以及未来的发展需要，提高区块链中共识效率是实现其应用推广的关键步骤。针对高频交易等联盟区块链应用场景，通过高效共识机制与算法研究，设计高效的共识机制和相关算法，以实现比现有技术更快的出块速度和更高的交易吞吐量，提高联盟区块链的适用范围。

随着区块链技术不断发展，应用场景不断涌现，共识算法仍是制约区块链可支撑网络节点数目和数据写入效率的瓶颈，如何安全高效提高联盟区块链的性能，已成为目前亟待解决问题。由于共识算法研究发展速度较快，出现的共识算法较多，公链区块链中常用POW(工作量证明)和POS(权益证明)作为共识算法，但POW算法存在算力消耗浪费资源问题，POS具有中心化倾向且共识效率仍然不够高问题；联盟区块链中，普遍使用PBFT(拜占庭容错)和Raft作为共识算法，然而传统PBFT存在算法效率不高且实际操作性过低等缺点，Raft算法虽然效率高，但不能防止恶意节点。

共识算法在分类与提高性能演进的过程中，上述提及的共识算法是在区块链系统中具有代表性的，支持拜占庭容错的PBFT是在确保安全性的条件下朝着不断提高交易速度、提升性能的方向优化，是联盟区块链的首选。另外针对传统拜占庭容错算法在灵活性与可靠性方面不够完善等缺点，Castro等在1999年提出了实用拜占庭容错算法(PracticalByzantine Fault Tolerance，PBFT)。

然而，由于经典的PBFT算法，其节点之间需要两两通信，并且需要经过三阶段广播，因而通信复杂度过高。主节点的随机选取可能会选取到恶意节点，迫使重新再次选举，从而影响算法执行效率。此外，当节点个数过多时，节点之间通信的消耗会大大增加，暴露出现有PBFT算法通信效率过低等问题，导致可拓展性比较低，实测系统一般在达到100左右的节点个数时，性能下降非常快；PBFT在传输大数据包情况下，网络不稳定时延迟很高；pre-prepare、prepare和commit阶段中各节点都需要将交易列表打包验证并广播给其他节点，降低了节点间共识的效率和性能，同时也给网络通信带来较大压力，因而目前PBFT只能受限应用在区块链节点较少的联盟区块链或私有链场景中。

针对上述问题，通过在联盟链中各共识节点间引入信任权益评分机制和改进拜占庭容错算法，本发明公开了一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法，该共识方法以传统PBFT共识算法为基础，主要现有PBFT算法技术中存在的消息通讯机制复杂、网络节点数据有限制、共识节点不能自主退出和数据包结构冗余等问题做了优化，提升了共识过程中网络通信效率和可扩展性，最终达到联盟区块链可用于高频交易场景的目的。

发明内容

为解决上述问题，本发明主要目的在于，提供一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法，提供一种高效的共识机制和相关算法，以实现比现有技术更快的出块速度和更高的交易吞吐量，提高区块链的适用范围。

为实现上述目的，本发明提供了针对现有PBFT算法的一种改进，是一种基于信任权益评分机制的拜占庭容错算法(tPBFT)，该共识算法以传统PBFT共识算法为基础，主要优化了现有PBFT算法技术中存在的消息通讯机制复杂、网络节点数据有限制、共识节点不能自主退出和数据包结构冗余等问题，提升了共识过程中网络通信效率和可扩展性。

本发明要点在于引入了网络中节点的分类与职责：在本发明的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法中，将网络节点分为共识节点和普通节点，并进一步通过在联盟链中各共识节点间引入信任权益评分机制和改进拜占庭容错算法(tPBFT)实现本发明的目的。

其中，共识节点用于参与网络间各节点出块共识，并负责对客户端发来的交易进行接收与验签，监督管理客户端提交的交易；而普通节点用于接收共识节点的数据同步，进行验签和存储，从而实现了拜占庭容错算法应用于复杂大量节点网络中，增加了网络的动态性和可靠性。

进一步来说，本发明的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法可对传统拜赞庭容错算法在如下方面进行改进：

1、建立信任权益评分机制：结合网络中各节点间应答响应时延、处理时延、丢包率、历史节点可用性和可靠性等指标，所有节点每完成一次交易，都对其进行信任评分，完成固定轮交易后，对信任评分低的节点降级为普通节点，并对评分较高的普通节点可以替补选举为共识节点，同时所有共识节点历史信任评分取0.2权重，进入下一轮重新开始评分。基于信任权益评分机制，确保了共识节点具有最高的信任评分，降低了原有PBFT算法主节点和共识节点随意选择的风险，提高了网络安全性。

2、动态调节网络安全和共识性能：鉴于网络中节点数、网络安全性和共识效率是不可能三角关系，本发明通过将共识节点个数作为一个可配置参数实现共识节点的确定，根据组成区块链网络的节点的可信度、网络安全性、以及共识效率进行配置，在保证网络安全和容错的同时，也解决了现有PBFT算法不支持新节点加入和退出的问题，能实现动态调节网络安全程度。

3、减少网络各节点通信冗余数据包：确认和提交阶段中，节点间广播的数据包导致交易列表重复传输，本发明的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法涉及的tPBFT算法对PBFT改进后，数据包中的交易列表仅包含交易的哈希列表，基于对Hash校验确认交易的真实性。

本发明有益效果在于，借助上述技术方案，本发明公开了一种基于信任权益评分机制的拜占庭容错算法(tPBFT)，该共识算法以传统PBFT共识算法为基础，主要优化了现有PBFT算法技术中存在的消息通讯机制复杂、网络节点数据有限制、共识节点不能自主退出和数据包结构冗余等问题，提升了共识过程中网络通信效率和可扩展性。

附图说明

图1为一种PBFT共识流程示意图；

图2为另一种拜占庭共识算法的RBFT共识流程示意图；

图3为本发明的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法信任权益评分机制示意图；

图4为本发明的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法交易列表的打包示意图；

图5为本发明的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法的整体示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。

实用拜占庭容错算法(PBFT)已经将传统拜占庭协议的复杂度，从指数级降至多项式级，使得拜占庭容错算法在联盟链中应用成为可能，PBFT可以理解为是一种状态机副本复制算法，节点中的角色被定义为主节点、从节点和客户端。开始时，主节点是由算法随机选取，后续在经过视图切换过程从节点被轮流选举为主节点。

如图1所示，为一种PBFT共识流程示意图。在这种算法应用中，当有交易需要写入区块链时，在请求阶段request，客户端C会向主节点0发送请求；预准备阶段pre-prepare中，主节点0再分别将请求转发给从节点1、从节点2和从节点3；准备阶段prepare中，每个从节点再将各自收到的消息广播发送给其余全部节点；确认阶段commit中，各节点在对交易列表和视图内的请求进行验证后，广播COMMIT消息，并执行交易列表中的请求；最后应答阶段reply，节点将已响应客户端请求的结果发给客户端，客户端收到f+1个相同响应时，则该响应即为区块链系统中各节点达成共识的结果。

另外还有一种拜赞庭共识算法：RBFT，即Redundant-BFT，该共识算法相比于上述实用拜占庭容错算法，实现过程类似，与之不同的是在预备阶段前又增加了传播(Batch)阶段。其中，参见图2的RBFT共识流程示意图，其中的Primary节点为区块链系统通过视图切换交替选举出来的主节点，负责对客户端消息的排序打包，Replica节点为备份节点，所有Replica节点与Primary节点执行交易的逻辑相同。

客户端Client将交易发送到区块链系统中的任意节点；在传播阶段Batch，收到客户端发起交易的节点，将消息广播给其余所有节点；预准备阶段Preprepare中，主节点将批量交易的广播给所有节点；准备阶段Prepare所有节点在接到交易后，与主节点交易进行对比；确认阶段Commit所有节点收到2f各对比通过消息后，认可这批交易进入提交阶段；提交阶段WriteBlock所有节点将这笔交易写入自己入本地账本区块链中。

在上述共识方法的基础上，本发明的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法引入了网络中节点的分类与职责：在本发明的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法中，将网络节点分为共识节点和普通节点。共识节点参与网络间各节点出块共识，并负责对客户端发来的交易进行接收与验签，监督管理客户端提交的交易。普通节点接收共识节点的数据同步，进行验签和存储，从而实现了拜占庭容错算法应用于复杂大量节点网络中，增加了网络的动态性和可靠性。

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参见图5，为本发明的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法的整体示意图。

本发明的适用于联盟链高频交易场景的共识方法，主要是通过在联盟链中各节点间引入了信任权益评分机制和改进拜占庭容错算法(tPBFT)来实现。首先通过信任权益评分机制将系统中的节点分为两种角色，分别是参与共识的共识节点和参与存储验证的普通节点。通过建立信任模型对网络中节点进行评分，定期降级评分较低的共识节点，评分较高的普通节点可以替补选举为共识节点参与共识记账。增加了网络的动态性和可靠性。对拜占庭容错算法的改进主要体现在，将传统的PBFT算法四阶段精简为准备、确认和提交三个阶段，并且确认和提交阶段中，本发明的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法中的tPBFT算法对PBFT改进后，其数据包中的交易列表仅包含交易哈希的哈希列表。

在本发明的一具体实施例中，本发明的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法具体工作流程如下：

开始时，由客户端从交易池中获取交易列表，并对交易数据进行排序后分配编号并打包形成交易数据包，将所述交易数据包附上时间戳和签名信息后采用本发明改进的PBFT算法：执行tPBFT共识过程进行循环处理，具体流程参见图5。所述改进拜占庭容错算法其具体改进步骤包含：

1)建立信任权益评分机制：

并请参见图3，为本发明的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法信任权益评分机制示意图。结合网络中各节点间应答响应时延、处理时延、丢包率、历史共识流程积极性、历史节点可用性和可靠性等指标，所有节点每完成一次交易，都对其进行信任评分，完成固定轮交易后，对信任评分低的节点降级为普通节点，并对评分较高的普通节点可以替补选举为共识节点，同时所有共识节点历史信任评分取0.2权重，进入下一轮重新开始评分。基于信任权益评分机制，确保了共识节点具有最高的信任评分，降低了原有PBFT算法主节点和共识节点随意选择的风险，提高了网络安全性。

2)确定网络中节点的分类与职责：在我们设计共识算法tPBFT中，网络节点分为共识节点和普通节点。共识节点参与网络间各节点出块共识，并负责对客户端发来的交易进行接收与验签，结合自身节点的状态数据对交易内容进行分析，监督管理客户端提交的交易，防止作恶；普通节点接收共识节点的数据同步，进行验签和存储，在共识节点被降级为普通节点后，评分较高的普通节点可以替补选举为共识节点。

3)选举网络中的共识节点：共识节点个数作为一个可配置参数，为了保证安全和容错，实际生产环境中共识节点个数应配置为大于等于4的整数个。如果区块链网络是一些比较可信节点组成的联盟链或对数据上链速率要求较高，可以将共识节点个数配置小一些，以提高节点间共识效率；如果应用在公链或节点间可信度比较低的场景中，可以将共识节点个数配置大一些，以防止作恶节点和故障节点，提高系统的容错性，经实际测试共识节点在网络总节点数占比为40％情况下，能保证网络系统有足够高的安全性和较高的共识效率。共识节点和普通节点在一定条件下，能相互转变，解决了现有PBFT算法不支持新节点加入和退出的问题，提高网络节点可扩展性；

4)选举Leader节点：网络中通过信任权益模型选举出的共识节点均有平等争夺leader节点机会，各共识节点利用可验证的随机函数VRF算法产生随机数，和系统中生成相同随机数的节点即为本轮出块的leader节点，leader节点负责接收客户端打包好的交易数据包，并签名后给网络中其余节点进行分发；

5)交易列表的打包：客户端负责从交易池中获取交易列表，将交易数据进行排序后分配编号并打包，然后附上时间戳和签名信息的交易数据包，发给共识节点的leader节点；leader节点对客户端发送的打包交易进行合法性验证，验证通过之后向其他节点广播消息，并附上时间戳和签名信息；参见图4。

6)基于交易Hash的确认和提交阶段：确认和提交阶段中，节点间广播的数据包导致交易列表重复传输，我们设计的tPBFT算法对PBFT改进后，数据包中的交易列表仅包含交易哈希的哈希列表，可以仅对Hash校验确认交易的真实性。一个几MB数据包，优化后，一个交易状态变为几百字节。最终保证联盟区块链各节点将来自客户端的请求以相同的交易列表顺序存入区块链之中。

7)客户端收到来自不同副本节点的反馈，但需要接收到2f+1(f为网络最大容错节点数)个不同副本节点反馈的相同结果，才能将反馈的结果作为整个操作的最终结果。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法，是基于信任权益评分机制的PBFT共识算法，其特征在于，该方法在PBFT共识算法上，通过建立信任模型对网络中节点进行评分，将网络中节点的进行如下分类：将网络节点分为共识节点和普通节点，通过在联盟链中各共识节点间引入信任权益评分机制形成改进拜占庭容错算法；

所述共识节点是参与网络间各节点出块共识，并负责对客户端发来的交易进行接收与验签，监督管理客户端提交的交易的节点；而普通节点是负责接收共识节点的数据同步，进行验签和存储。

2.根据权利要求1所述的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法，其特征在于，在该方法中，将评分较低的所述共识节点定期降级，而将评分较高的所述普通节点替补选举为共识节点参与共识记账。

3.根据权利要求1所述的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法，其特征在于，包含步骤：

建立信任权益评分机制及确定网络中节点的分类与职责：结合网络评分指标，所有节点每完成一次交易，都对其进行信任评分，完成固定轮交易后，对信任评分低的节点降级为普通节点，并对评分较高的普通节点可以替补选举为共识节点，同时所有共识节点历史信任评分取0.2权重，进入下一轮重新开始评分。

4.根据权利要求3所述的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法，其特征在于，所述信任权益评分机制中的评分指标是包含网络中各节点间应答响应时延、处理时延、丢包率、及历史节点可用性和可靠性指标。

5.根据权利要求3所述的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法，其特征在于，在信任权益评分机制中包含选举网络中的共识节点步骤：

共识节点个数作为一个可配置参数，实际生产环境中共识节点个数应配置为大于等于4的整数个，且根据组成区块链网络的节点的可信度配置。

6.根据权利要求5所述的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法，其特征在于其包含如下步骤：

选举Leader节点：网络中通过信任权益模型选举出的共识节点均有平等争夺leader节点机会，各共识节点利用可验证的随机函数VRF算法产生随机数，和系统中生成相同随机数的节点即为本轮出块的leader节点，leader节点负责接收客户端打包好的交易数据包，并签名后给网络中其余节点进行分发。

7.根据权利要求6所述的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法，其特征在于，其还包含如下步骤：

交易列表的打包：由客户端负责从交易池中获取交易列表，将交易数据进行排序后分配编号并打包，然后附上时间戳和签名信息的交易数据包，发给共识节点的leader节点；leader节点对客户端发送的打包交易进行合法性验证，验证通过之后向其他节点广播消息，并附上时间戳和签名信息。

8.根据权利要求1或7所述的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法，其特征在于：

该方法分为准备、确认和提交三个阶段，并且该方法的基于交易Hash的确认和提交阶段中，该方法数据包中的交易列表仅包含交易哈希的哈希列表。

9.根据权利要求8所述的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法，其特征在于：在该方法中，确认交易的真实性是对Hash进行校验，且联盟区块链各节点将来自客户端的请求以相同的交易列表顺序存入区块链之中。

10.根据权利要求9所述的一种适用于联盟链高频交易场景的共识方法，其特征在于，

客户端收到来自不同副本节点的反馈，在接收到2f+1个不同副本节点反馈的相同结果，才将反馈的结果作为整个操作的最终结果，其中f为网络最大容错节点数。

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