CN114338711B - 基于分布式网络的快速共识方法、系统、电子设备及可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分布式网络的快速共识方法、系统、电子设备及可读存储介质，其中快速共识方法包括根据节点间的网络传输时长，将分布式网络对应的已知网络拓扑结构组成环状网络结构，并从中选择一个节点作为主节点进行共识操作，后一轮次节点共识操作的开展无需前一轮次节点完整实现共识全过程。通过本申请提出的技术方案，能够在已知分布式网络拓扑结构的情况下，通过节点间的网络传输时长将这些节点异构为环状网络，从而实现快速拜占庭容错的共识算法：环状网络中的节点可以进行连续出块，无需等待完整的节点确认过程便可直接进入下一个共识轮次。此外，还可以通过控制轮次时间间隔的方法，保证信息的正确性和完整性，具有可推广价值。

Description

基于分布式网络的快速共识方法、系统、电子设备及可读存储 介质

技术领域

本发明涉及分布式系统共识技术领域，具体地，公开了一种基于分布式网络的快速共识方法、系统、电子设备及可读存储介质。

背景技术

在分布式系统中，多个主机通过异步通信方式组成网络集群。在这样的一个异步系统中，需要主机之间进行状态复制，以保证每个主机达成一致的状态共识。然而，异步系统中，可能出现无法通信的故障主机，而主机的性能可能下降，网络可能拥塞，这些可能导致错误信息在系统内传播。因此需要在默认不可靠的异步网络中定义容错协议，以确保各主机达成安全可靠的状态共识。

拜占庭容错算法(Byzantine Fault Tolerance，BFT)是分布式系统重要的共识算法，用于在一个存在恶意节点的分布式网络中，完成消息的同步。目前大部分分布式系统所使用的BFT算法，是Miguel Castro和Barbara Liskov在1999年发表的论文《PracticalByzantine Fault Tolerance》中提出的PBFT算法，该算法可以在恶意节点数小于节点总数1/3的情况下，保证系统的安全运行。该算法每一轮都要等待两次2/3以上节点的确认回答后，才能完成共识，通信时间长，网络数据包的结构大，无法满足高TPS的性能需求。而现有技术中其他BFT算法都是针对选择主节点或者共识验证过程进行优化，没有解决根本的网络通信性能问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种基于已知拓扑网络结构或分布式网络的快速共识方法、系统、电子设备及可读存储介质。

具体地，在本申请的第一方面提供了一种基于已知拓扑网络结构的快速共识方法，已知网络拓扑结构对应的分布式网络包括多个节点构成的网络拓扑结构，每个节点至少连接两个其他节点；

该种快速共识方法包括：

根据节点间的网络传输时长，将分布式网络包括多个节点构成的网络拓扑结构，网络拓扑结构再组成为环状网络结构；

于环状网络结构中，选择任意一个节点作为预设主节点，并对每个节点按预设次序进行排序；

根据环状网络结构中每个节点之间的网络传输时长，确定每个节点的待共识视图或指令数量以及共识视图或指令的间隔时间；

节点根据对应的待共识视图数量和共识视图间隔时间，向网络中的其他节点广播待共识指令；

自预设主节点起，依照节点的排序顺序，在任意一个节点完成全部对应的待共识指令的广播后，将下一节点作为当前主节点执行对应的待共识指令的广播。

在上述第一方面的一种可能的实现中，对任意一个节点所广播的指令，在接收到三分之二以上剩余全部节点的共识确认的情况下，将该指令记为不可逆指令。

在上述第一方面的一种可能的实现中，环状网络结构中的每两个相邻节点组成的边的数量等于全部节点的数量；

于环状网络结构中，相邻两个节点间网络传输时长的和最小。

在上述第一方面的一种可能的实现中，于环状网络结构中，对每个节点按预设次序进行排序的过程包括：

将预设主节点作为排序的起点；

于排序中，将与前一节点间网络传输时长较短的节点作为排序中前一节点的后一顺位节点。

在上述第一方面的一种可能的实现中，每个节点的待共识视图数量以及共识视图间隔时间根据下式进行确定：

其中：

n为分布式网络中全部节点的数量；

di为分布式网络中第i个节点与第i+1个节点之间的网络传输时长；

li为分布式网络中第i个节点的待共识指令的数量；

si为分布式网络中第i个节点的共识指令的间隔时间。

在上述第一方面的一种可能的实现中，任意一个节点在接收到当前主节点和前一节点的待共识指令，且当前主节点提供的待共识指令与前一节点提供的待共识指令相同的情况下，向当前主节点反馈共识确认信息；

节点还用于将接收到的待共识指令传输给后一顺位的(主)节点。

本申请的第二方面提供了一种基于已知拓扑网络结构或分布式网络的快速共识系统，应用于前述实施例所提供的基于已知拓扑网络结构的快速共识方法中，包括：

转换模块，用于根据节点间的网络传输时长，将分布式网络对应的已知网络拓扑结构变形为环状网络结构；

排序模块，用于于环状网络结构中，选择任意一个节点作为预设主节点，并对每个节点按预设次序进行排序；

共识预备模块，用于根据环状网络结构中每个节点之间的网络传输时长，确定每个节点的待共识视图数量以及共识视图间隔时间；

共识模块，用于使节点根据对应的待共识视图数量和共识视图间隔时间，向网络中的其他节点广播待共识指令；以及

自预设主节点起，依照节点的排序顺序，在任意一个节点完成全部对应的待共识指令的广播后，直接转向下一个节点执行对应的待共识指令的广播。

在上述第二方面的一种可能的实现中，该种快速共识系统还包括：

标记模块，用于对任意一个节点产生的广播指令，在接收到三分之二以上剩余全部节点的共识确认的情况下，将该指令记为不可逆指令。

本申请的第三方面提供了一种电子设备，包括：存储器，存储器用于存储处理程序；处理器，处理器执行处理程序时实现前述第一方面所提供的基于已知拓扑网络结构的快速共识方法。

本申请的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，该种计算机可读存储介质上存储有处理程序，处理程序被处理器执行时实现前述第一方面所提供的基于已知拓扑网络结构的快速共识方法。

与现有技术相比，本申请具有如下的有益效果：

通过本申请提出的技术方案，能够在已知分布式网络拓扑结构的情况下，通过节点间的网络传输时长将这些节点异构为环状网络，从而实现快速拜占庭容错的共识算法：环状网络中的节点可以进行连续视图的广播，无需等待完整的节点确认过程便可直接进入下一次共识轮次。此外，还可以通过控制轮次时间间隔的方法，保证信息的正确性和完整性，具有可推广价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1根据本申请实施例，示出了一种基于已知拓扑网络结构的快速共识方法的流程示意图。

图2根据本申请实施例，示出了一种基于已知拓扑网络结构的快速共识系统的结构示意图。

图3根据本申请实施例，示出了一种为于分布式网络中的已知拓扑网络结构组成环状网络结构示意图。

图4根据本申请实施例，示出了一种环状网络结构依次共识广播的状态示意图。

图5根据本申请实施例，示出了一个轮次的广播共识示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

针对现有技术中存在的共识算法网络交互过多、共识确认等待时间过长的问题，本申请提出了一种基于已知拓扑网络结构的快速共识方法及其系统。通过本申请，基于已知拓扑网络结构的快速共识方法。

具体地，图1根据本申请的一些实施例，示出了一种基于已知拓扑网络结构的快速共识方法，该种基于已知拓扑网络结构的快速共识方法具体包括：

步骤101：根据节点间的网络传输时长，将分布式网络对应的已知网络拓扑结构变形为环状网络结构。可以理解的是，将分布式网络对应的已知网络托部结构变形为环状网络结构的具体步骤可以参考如图3所示的示意。

步骤102：于环状网络结构中，选择任意一个节点作为预设主节点，并对每个节点按预设次序进行排序。

步骤103：根据环状网络结构中每个节点之间的网络传输时长，确定每个节点的待共识视图数量以及共识视图间隔时间。

步骤104：节点根据对应的待共识视图数量和共识视图间隔时间，向网络中其他节点广播待共识指令。

步骤105：自预设主节点起，依照节点的排序顺序，在任意一个节点完成全部对应的待共识指令的广播后，将下一节点作为当前主节点执行对应的待共识指令的广播。

在本申请的一些实施例中，进一步地，对任意一个节点产生的广播指令，在接收到三分之二以上剩余全部节点的共识确认的情况下，将该指令记为不可逆指令。

在本申请的一些实施例中，进一步地，环状网络结构中的每两个相邻节点组成的边的数量等于全部节点的数量。于环状网络结构中，相邻两个节点间网络传输时长的和最小。

在本申请的一些实施例中，进一步地，于环状网络结构中，对每个节点按预设次序进行排序的过程包括：首先将预设主节点作为排序的起点；进而于排序中，将与前一节点间网络传输时长最短的节点作为排序中前一节点的后一顺位节点。

在本申请的一些实施例中，进一步地，每个节点的待共识视图数量以及共识视图间隔时间根据下式进行确定：

其中：

n为分布式网络中全部节点的数量；

di为分布式网络中第i个节点与第i+1个节点之间的网络传输时长；

li为分布式网络中第i个节点的待共识视图数量；

si为分布式网络中第i个节点的共识视图间隔时间。

在上述第一方面的一种可能的实现中，任意一个节点在接收到当前主节点和前一节点的待共识指令，且当前主节点提供的待共识指令与前一节点提供的待共识指令相同的情况下，向当前主节点反馈共识确认信息。于上述实施例中，节点还用于将接收到的待共识指令传输给后一节点。可以理解的是，图4根据上述实施例示出了一种环状网络结构依次共识广播的状态示意图。

可以理解的是，对于每一个共识广播，所有节点需要进行两轮网络通信：第一轮是预共识阶段，需要超过2/3个全部节点进行轮次的确认；第二轮是共识阶段，该阶段广播真正的数据信息，节点在收到大于2/3个其他节点确认后，即计为指令不可逆。

于本技术方案中，可以理解的是，由于离当前主节点最近的下一个节点理论上可以是除当前主节点外最快完成不可逆指令确认的节点，所以当其成为下一个当前主节点时，可以最大程度的避免分叉或消息丢失。

本申请的第二方面提供了一种基于已知拓扑网络结构的快速共识系统，应用于前述实施例所提供的基于已知拓扑网络结构的快速共识方法中，包括：

转换模块001，用于根据节点间的网络传输时长，将分布式网络对应的已知网络拓扑结构变形为环状网络结构。

排序模块002，用于于环状网络结构中，选择任意一个节点作为预设主节点，并对每个节点按预设次序进行排序。

共识预备模块003，用于根据环状网络结构中每个节点之间的网络传输时长，确定每个节点的待共识视图数量以及共识视图间隔时间。

共识模块004，用于使节点根据对应的待共识视图数量和共识视图间隔时间，向网络中的其他节点广播待共识指令；以及

自预设主节点起，依照节点的排序顺序，在任意一个节点完成全部对应的待共识指令的广播后，直接转向下一个节点执行对应的待共识指令的广播。

在本申请的一些实施例中，进一步地，该种快速共识系统还包括：

标记模块005，用于对任意一个节点产生的广播指令，在接收到三分之二以上剩余全部节点的共识确认的情况下，将该指令记为不可逆指令。

可以理解的是，上述快速共识系统中的各个功能模块所实现的功能，与前述实施例中快速共识方法中各个步骤的实现相一致，在此不做赘述。

在本申请的一些实施例中，还提供了一种电子设备。该种电子设备中包含存储器和处理器，其中存储器用于对处理程序进行存储，处理器则根据指令对处理程序进行执行。当处理器对处理程序进行执行时，使得前述实施例中的基于已知拓扑网络结构的快速共识方法得以实现。

在本申请的一些实施例中，还提供了一种可读存储介质，该可读存储介质可以为非易失性可读存储介质，也可以为易失性可读存储介质。该可读存储介质中存储有指令，当该指令在计算机上运行时，使得包含该种可读存储介质的电子设备执行前述的基于已知拓扑网络结构的快速共识方法。

快速BFT是针对已知网络拓扑机构的分布式系统而优化的PBFT协议，其主要的步骤与PBFT基本一致，区别在于共识轮次开始的时机选择和不可逆信息的确认步骤上。网络中的共识流水可以并行工作，主节点信息广播后，不等待两次确认，继续生产同时参与并处理上一个轮次(指令)的共识数据，在一个指令窗口内可以出多个块，并可以在O(n2)内完成指令窗口切换，同时接受其他节点的确认信息，超过2/3节点确认后，即修改为不可逆，从而提高共识效率。

该算法分为两个阶段，A选主和B共识。

A在选主阶段，设共有n个节点参与共识，所有参与共识的节点首先会根据初始设定好的已知网络拓扑结构(一个加权全连通无向图)组成一个环(如图3所示过程)，该环共有n条边，每条边的距离(网络传输时长)设为di,该环满足的值最小。

建立好环状网络后，主节点的顺序就可以按环上节点的顺序来进行，随机指定一个节点为0号，然后其权重最小边链接的节点即为1号，依次的，环上的下一个节点为2号，直到n-1号。

B共识阶段

(1)根据di的值，自动决定当前主节点的指令数量和指令间隔时间，设指令数量为li，指令间隔时间为si秒，di、l和s之间的关系为：

(2)如图4所示，如当前主节点为i节点连续产生li个间隔为si秒的共识广播，不用等待区块全部确认，轮次时间到后，i+1节点即成为下一个Leader，开始按照1)的规则连续广播，随后节点依次进行，直到n-1个节点轮流广播完毕，再回到i(I)节点继续下一轮流转。

(3)对于每一个共识广播，所有节点需要进行两轮网络通信，第一轮是pre-commit阶段，需要超过2/3n个节点确认轮次，第二轮是commit阶段，该阶段广播真正的数据信息，节点在收到大于2/3n个其他节点确认后，即计为不可逆，而由于离主节点最近的i+1节点理论上可以是除i节点外最快完成不可逆消息确认的节点，所以当其成为下一个主节点时，可以最大程度的避免分叉或消息丢失。

(4)如图5所示，主节点一边等待si秒生产下一个区块，同时会接收其他节点对于上一个视图消息的确认结果。新视图的消息广播和旧视图的消息确认同时进行。大部分的情况下，交易会在秒之内确认为不可逆。

可以理解的是，对于前述快速共识系统中的各个功能模块，如果均以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。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或者该技术方案的全部或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中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-only memory，ROM)、随机存取存储器(Random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

计算机可读存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读存储介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。可读存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF射频等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请所公开的技术方案所涉及的程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如C语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

综上所述，通过本申请提出的技术方案，能够在已知分布式网络拓扑结构的情况下，通过节点间的网络传输时长将这些节点异构为环状网络，从而实现快速拜占庭容错的共识算法：环状网络中的节点可以进行连续出块，无需等待完整的节点确认过程便可直接进入下一次共识轮次。此外，还可以通过控制轮次时间间隔的方法，保证信息的正确性和完整性，具有可推广价值。

上面结合附图对本公开的实施方式作了详细说明，但是本公开并不限于上述实施方式。即使对本公开做出各种变化，倘若这些变化属于本公开权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本公开的保护范围之中。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于分布式网络的快速共识方法，所述分布式网络包括多个节点构成的网络拓扑结构，每个节点至少连接两个其他所述节点；

其特征在于，所述快速共识方法包括：

在所述网络拓扑结构中组成一环状网络结构，所述环状网络结构满足的值最小；

其中，所述环状网络结构共有n+1条边，每条边的距离设为di，每条边的距离与节点之间的网络传输时长成正比；

于所述环状网络结构中，选择任意一个所述节点作为预设主节点，并按预设次序设定所述环状网络结构中的其他所述节点为当前的所述主节点；

根据所述环状网络结构中每个所述节点之间的所述网络传输时长，确定每个所述节点的待共识指令数量以及共识指令间隔时间；

所述节点根据对应的所述待共识指令数量和所述共识指令间隔时间，向所述分布式网络中的其他节点广播待共识指令；

自所述预设主节点起，依照所述节点的预设次序，在任意一个当前所述主节点完成全部对应的所述待共识指令的广播后，直接转向下一个顺位的所述主节点执行对应的所述待共识指令的广播；

每个所述节点的待共识指令数量以及共识指令间隔时间根据下式进行确定：

其中：

di为所述分布式网络中第i个节点与第i+1个节点之间的网络传输时长；

li为所述分布式网络中第i个节点的所述待共识指令的数量；

si为所述分布式网络中第i个节点的所述共识指令的间隔时间。

2.如权利要求1所述的基于分布式网络的快速共识方法，其特征在于，对任意一个所述节点广播的指令，在接收到三分之二以上剩余全部所述节点的共识确认的情况下，将所述指令记为不可逆指令。

3.如权利要求2所述的基于分布式网络的快速共识方法，其特征在于，于所述分布式网络中，对每个所述节点按预设次序进行排序的过程包括：

将所述预设主节点作为所述排序的起点；

于所述排序中，将与所述主节点链接的所述网络传输时长最短的所述节点作为所述主节点的后一顺位的所述节点。

4.如权利要求1所述的基于分布式网络结构的快速共识方法，其特征在于，任意一个所述节点在接收到当前的所述主节点和前一所述节点的所述待共识指令，且所述当前的所述主节点提供的所述待共识指令与前一所述节点提供的所述待共识指令相同的情况下，向当前的所述主节点反馈共识确认信息；

所述节点还用于将接收到的所述待共识指令传输给后一顺位的节点。

5.一种基于分布式网络的快速共识系统，其特征在于，应用于如权利要求1至4中任意一项所述的基于分布式网络的快速共识方法中，包括：

转换模块，用于根据所述节点之间的网络传输时长，将所述分布式网络包括的多个节点构成的所述网络拓扑结构，在所述网络拓扑结构中组成一所述环状网络结构；

排序模块，用于于所述环状网络结构中，选择任意一个所述节点作为预设主节点，并按预设次序设定所述环状网络结构中的其他所述节点为当前的所述主节点；

共识预备模块，用于根据所述环状网络结构中每个所述节点之间的所述网络传输时长，确定每个所述节点的待共识指令数量以及共识指令间隔时间；

共识模块，用于使所述节点根据对应的所述待共识指令数量和所述共识指令间隔时间，向所述网络节点广播待共识指令；以及

自所述预设主节点起，依照所述节点的排序顺序，在任意一个当前所述主节点完成全部对应的所述待共识指令的广播后，直接转向下一个顺位的所述主节点执行对应的所述待共识指令的广播。

6.如权利要求5所述的基于分布式网络的快速共识系统，其特征在于，还包括：

标记模块，用于对任意一个所述节点产生的广播指令，在接收到三分之二以上剩余全部所述节点的共识确认的情况下，将所述指令记为不可逆指令。

7.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器，所述存储器用于存储处理程序；

处理器，所述处理器执行所述处理程序时实现如权利要求1至4中任意一项所述的基于分布式网络的快速共识方法。

8.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有处理程序，所述处理程序被处理器执行时实现如权利要求1至4中任意一项所述的基于分布式网络的快速共识方法。