CN114221963A - 多区域自治的混合链系统及其设计方法 - Google Patents

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薛震
时雪磊
马海峰
孙悦
王晨阳
单志勇
纵卫东
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Donghua University
Shanghai Institute of Technology
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Shanghai Chanmao Technology Co ltd
Donghua University
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Abstract

本发明涉及一种多区域自治的混合链系统及其设计方法，系统包括按划分规则的多个区域，每个区域由各个记账节点构成自治域内共识从链；系统中各个区域之间由每个区域的代表节点构成全局共识主链。通过比较系统中各节点的性能选出全局节点，再从全局节点中选出代表节点参与全局共识，选举代表节点进行全局共识减少了系统整体过度竞争；通过选取多个全局节点提高了系统的整体可靠性，将区块链系统分级减小了系统总体数据量。

Description

多区域自治的混合链系统及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种区块链技术，特别涉及一种多区域自治的混合链系统及其设计方法。
背景技术
区块链源自于比特币的底层技术，它综合运用了密码学、分布式存储、分布式计算、P2P网络等技术。可以实现去中心化、交易可追溯和隐私保护。区块链的基础架构分为6层，分别是数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层。在传统区块链系统中大都是以单链的方式运行的，以单链模式运行的区块链系统在运行时各个节点都需要存储整个系统所产生的交易数据，若系统规模较大、涉及到的节点数过多都会对系统的性能和存储能力提出更高的要求。
区块链系统中比较关键的部分是共识算法，它是实现系统自信任的关键。通过共识算法各节点可以迅速的和系统内的其它节点达成共识，。当前比较常用的共识算法大致分为两种：一种是以POW为代表的证明类共识算法，另一种是以PBFT为代表的抗拜占庭节点的共识算法。
POW(Proof of Work)工作量证明算法是利用求解哈希问题来选举记账节点，其过程在于寻找随机数nonce，将nonce与区块中的数据打包进行哈希，当哈希值满足规定的条件时该节点会立刻将打包的区块广播全网，其余节点在收到打包的区块后会进行验证，验证通过后将该区块加入到链中。系统的设计者通过声明一个难度值来调整计算随机数nonce的难度大小。由于难度越大所需要消耗的算力就越高，所以参与竞争记账权的节点就会不断提高自己的算力来提高自己成功的概率，大量的哈希计算需要大量的电力作为能源基础，所以POW算法在实际应用中会使得大量的电力能源在各节点的过度竞争而被浪费。
PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)实用拜占庭容错算法是以通信的方式让各节点达成共识保持整体的一致性。拜占庭将军问题是一个协议问题，由于各节点无法保证其余节点都是可信的，当出现一定数量的恶意节点或通信链路出现问题，系统将无法正常运行，通过PBFT算法实现了在有限个节点的情况下的拜占庭问题，有3f+1的容错性，并同时保证一定的性能。在通信过程中采用了密码学相关技术确保消息传递过程无法被篡改和破坏。
发明内容
针对传统区块链系统中以单链的方式对系统的性能和存储能力要求过高问题，提出了一种多区域自治的混合链系统及其设计方法。
本发明的技术方案为：一种多区域自治的混合链系统，系统包括按划分规则的多个区域，每个区域由各个记账节点构成自治域内共识从链；系统中各个区域之间由每个区域的代表节点构成全局共识主链。
所述多区域自治的混合链系统的设计方法，具体包括如下步骤：
1)将系统中所有各节点按不同地域或按不同部门进行划分，划分后的区域统称为自治域，每个自治域区域内的包括各自的普通节点；
2)各自治域内通过共识算法选出记账节点，实现自治域内共识形成从链；
3)对每个自治域内进行全局节点的选举，根据节点的性能作为评价指标进行自治域内全局节点选取，选举出的自治域内全局节点通过raft算法选出一个代表节点参与全局共识；
4)每个自治域内使用代表节点参与全局共识，自治域内未被选中的其他全局节点作为全局共识的候补代表节点，各自治域的代表节点通过共识算法打包出块形成主链，实现全局共识。
进一步，所述步骤3)获得全局节点的具体方法如下：
3.1)各节点在自治域内广播自己的参选意愿和本节点的参数，参数包括cal和sto，cal和sto分别代表节点的计算能力和存储能力；
3.2)根据cal与sto的信息计算出各节点的评分score＝cal*a+sto*b,a,b为参数对应的权重系数；
3.3)所有节点根据计算出的score建立一个排名表，从而选举出设定比例的的节点作为全局节点。
进一步，所述步骤4)中全局共识采用Honey Badger BFT共识算法进行全局共识，该算法通过将区块数据划分成n个部分在各个自治域之间传播，各代表节点通过共识算法打包出块形成主链。
本发明的有益效果在于：本发明多区域自治的混合链系统及其设计方法，通过比较系统中各节点的性能选出全局节点，再从全局节点中选出代表节点参与全局共识，选举代表节点进行全局共识减少了系统整体过度竞争；通过选取多个全局节点提高了系统的整体可靠性，将区块链系统分级减小了系统总体数据量。
附图说明
图1为本发明多区域自治的混合链系统设计方法流程图；
图2为本发明多区域自治的混合链系统网络框架图。
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。
本发明提出的作用在于通过划分自治域使各自治域根据共识算法生成本地区块并进入全局共识阶段，在全局共识阶段中全局节点完成对整个系统的记账和出块工作。
如图1所示多区域自治的混合链系统设计方法流程图，具体包括如下步骤：
1、首先将各节点根据一定规则进行区域划分，这里的划分规则可以按不同地域，也可以按不同部门。划分后的区域统称为自治域，其中第i个自治域为AZi，第i个自治域AZi区域内的第j个普通节点为Nij。
2、然后进入各自治域内共识阶段，即在各自治域内通过POW共识算法选出记账节点，实现自治域内共识形成从链。
3、对每个自治域内进行全局节点的选举，全局节点的选举根据节点的性能作为评价指标，具体实现步骤如下：
3.1、各节点在自治域内广播自己的参选意愿和本节点的参数，参数包括cal和sto，cal和sto分别代表节点的计算能力和存储能力；
3.2、然后根据cal与sto的信息计算出各节点的评分score＝cal*a+sto*b,a,b为参数对应的权重系数；
3.3、最后所有节点根据计算出的score建立一个排名表，从而选举出一定比例的的节点作为全局节点；
3.4、选举出的自治域内全局节点通过raft算法选出一个代表节点参与全局共识。
4、全局共识阶段，每个自治域内使用代表节点参与全局共识，自治域内未被选中的其他全局节点作为全局共识的候补代表节点，每个自治域之间采用已有的Honey BadgerBFT共识算法进行全局共识，该算法通过将区块数据划分成n个部分在各个自治域之间传播，各代表节点通过共识算法打包出块形成主链。
多区域协同共识的区块链系统网络框架图如图2所示，实线椭圆区域内的节点为自治域内节点Nij，各节点可以相互通信并根据POW算法进行自治域内共识形成从链。虚线框中的节点为全局节点GN，全局节点GN通过raft算法选出代表节点参与全局共识。全局节点不参与全局共识，而是作为代表节点的候补节点。各自治域的代表节点由虚线内的全局节点产生并参与全局共识。
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 (4)

1.一种多区域自治的混合链系统，其特征在于，系统包括按划分规则的多个区域，每个区域由各个记账节点构成自治域内共识从链；系统中各个区域之间由每个区域的代表节点构成全局共识主链。
2.根据权利要求1所述多区域自治的混合链系统的设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)将系统中所有各节点按不同地域或按不同部门进行划分，划分后的区域统称为自治域，每个自治域区域内的包括各自的普通节点；
2)各自治域内通过共识算法选出记账节点，实现自治域内共识形成从链；
3)对每个自治域内进行全局节点的选举，根据节点的性能作为评价指标进行自治域内全局节点选取，选举出的自治域内全局节点通过raft算法选出一个代表节点参与全局共识；
4)每个自治域内使用代表节点参与全局共识，自治域内未被选中的其他全局节点作为全局共识的候补代表节点，各自治域的代表节点通过共识算法打包出块形成主链，实现全局共识。
3.根据权利要求2所述多区域自治的混合链系统的设计方法，其特征在于，所述步骤3)获得全局节点的具体方法如下：
3.1)各节点在自治域内广播自己的参选意愿和本节点的参数，参数包括cal和sto，cal和sto分别代表节点的计算能力和存储能力；
3.2)根据cal与sto的信息计算出各节点的评分score＝cal*a+sto*b,a,b为参数对应的权重系数；
3.3)所有节点根据计算出的score建立一个排名表，从而选举出设定比例的的节点作为全局节点。
4.根据权利要求2或3所述多区域自治的混合链系统的设计方法，其特征在于，所述步骤4)中全局共识采用Honey Badger BFT共识算法进行全局共识，该算法通过将区块数据划分成n个部分在各个自治域之间传播，各代表节点通过共识算法打包出块形成主链。
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