CN114760135A - 一种区块链容错共识方案的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种区块链容错共识方案的优化方法。包括：使用多叉树堆数据结构构建和维护节点网络拓扑；主节点共享秘密、分发准备信息、分发确认消息时按照多叉树堆自顶向下分发；每个主动节点获取消息时为对应子节点准备计时器，主节点获取子节点的时延，根据时延权值计算对应子节点的时延权值；通过时延启动故障检测机制来检测和替换故障节点，再根据权值更新多叉树堆结构；主节点通过聚合子节点的子密钥重建原始密钥，组装回复消息发送给客户端。本发明解决了共识算法中故障节点影响消息聚合阶段的时延、消息传递的复杂性、网络带宽开销大等瓶颈，限制了区块链的交易速度问题。

Description

一种区块链容错共识方案的优化方法
技术领域
本发明涉及了区块链技术领域的一种共识方案的优化方法，具体涉及了一种区块链容错共识方案的优化方法。
背景技术
区块链是一种去中心化的点对点系统，具备分布式的特点。通常，区块链由一个区块列表组成，每个区块中包含一组事务。这样的去中心化网络遵守节点间通信和验证新区块协议的网络管理方法，这依赖于一个共识协议来实现分散节点之间的一致性。达成共识的过程，需要由一组成员参与决策过程，该过程支持某决定，并服从决策过程中所有参与的成员的利益。在区块链中，通常选择一些节点作为共识节点，可以执行共识方案，这被称之为选举阶段。然后，共识节点负责将一批事务打包到一个新区块中。最后，将生成的区块广播到网络中，并确认区块中的交易。经过计算验证之后，该区块中的数据成功上链。
传统的拜占庭共识方案允许去中心化网络对网络状态达成一致，这使其可以集成到区块链共识层，允许各机构安全地对事务达成共识。然而，在实际的应用中，其存在着故障节点影响消息聚合阶段的时延、消息传递的复杂性、网络带宽开销大等瓶颈，限制了区块链的交易速度。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题和需求，本发明的目的是提供一种区块链容错共识方案的优化方法，实现解决消息聚合中故障节点时延过大而影响网络拓扑性能问题。
本发明采用的技术方案是：
包括以下步骤：
1)使用多叉树堆数据结构构建节点网络拓扑，节点网络拓扑的主节点作为多叉树堆数据结构的根节点，将节点网络拓扑的所有主动节点按初始化权重组织为多叉树堆数据结构的各个子节点；
2)主节点生成一组随机密钥，将随机密钥分成多个份额并作为各个子密钥，接着主节点通过多叉树堆数据结构向各个主动节点对应地发送一个子密钥；
3)客户端向主节点发送请求信息，主节点接收到客户端发来的请求信息后对客户端发来的请求信息进行处理，获得对应的准备信息并通过多叉树堆数据结构传播到所有主动节点；
4)所有主动节点接收到准备信息后通过自身的子密钥验证准备信息的签名，并启动所有主动节点对应子节点的计时器；
5)通过多叉树堆数据结构自底而上地将各个验证通过的主动节点对应的子密钥进行聚合并发送给主节点，其中根据每个验证通过的主动节点对应子节点的计时器确定主动节点对应子节点的时延，若每个子节点的时延超过时延阈值则启动故障检测机制，同时根据时延计算对应子节点的权值并更新，最后根据更新后的各个子节点的权值更新多叉树堆数据结构；
6)主节点通过预设数量的子密钥一次重建原始密钥，接着主节点根据一次重建原始密钥执行客户端请求后生成对应的执行结果并作为确认消息，主节点通过多叉树堆数据结构将确认信息发送给所有主动节点；
7)所有主动节点验证确认消息后自身执行客户端请求的结果，如果每个主动节点自身执行客户端请求的结果与确认消息一致，则通过多叉树堆数据结构自底而上地将所有主动节点对应的子密钥进行聚合并发送给主节点；
8)主节点再通过当前预设数量的子密钥二次重建原始密钥，主节点再根据二次重建原始密钥组装回复消息并发送给客户端；
9)重复步骤3)-8)，主节点不断接收并执行接收客户端请求信息，当主节点接收预设客户端请求信息数目后，根据各个子节点的权值更新多叉树堆数据结构。
所述步骤5)中若每个子节点的时延超过时延阈值则启动故障检测机制，具体为：
当每个子节点的时延超过时延阈值时，则当前子节点作为产生故障的主动节点，当前子节点的父节点作为报告故障的主动节点自底而上地向主节点发送故障信号，主节点接收到故障信号后，将产生故障的主动节点用被动节点替代，替代后的被动节点作为主动节点，替代前的主动节点作为被动节点；接着主节点将报告故障的主动节点对应子节点的权值设为最大值并更新，根据各个子节点更新后的权值更新多叉树堆数据结构。
当每次客户端请求执行后获得回复消息时，主节点将当前回复消息发送给被动节点；被动节点对回复消息进行验证后，验证通过后根据对应的主动节点更新自身的内部状态。
所述根据各个子节点更新后的权值更新多叉树堆数据结构，具体为：
S1：根据各个子节点更新后的权值进行升序排列，从前到后取预设比例的主动节点或将子节点的权值小于权值阈值的主动节点均作为主节点的直接主动节点；
S2：再按照自顶向下权值增大的方式将剩下的主动节点组织为一个二叉树堆数据结构并作为主节点的子树。
所述根据时延计算对应子节点的权值，具体公式如下：
Figure BDA0003603544770000031
其中，Wy为子节点y的时延权值，β为超参数，ny为子节点y从其父节点接收消息到聚合子节点y的子密钥的时延。
所述步骤3)中，主节点对客户端发来的请求信息进行签名，然后将客户端的请求信息绑定到随机密钥中；接着，主节点组装准备信息，然后将准备信息通过多叉树堆数据结构传播到所有主动节点。
本发明的有益效果是：
1)通过将主动节点组织为多叉树堆，能够把时延大的主动节点作为主节点的直接子节点，使得叶节点到根节点的平均时延降低。
2)对于时延小的主动节点，按照权值组织为一个二叉树堆，时延越大则位置越靠近主节点，若发生故障，故障消息传递给主节点的路径长度降低，检测到故障消息的速度增快。
3)对于故障检测方法，将主动节点权值设为最大值，能够在接下来的更新过程中将其置于叶节点的位置，仅允许主动节点报告其直接子节点的故障，减少其恶意报告故障的可能性。
附图说明
图1为本发明提出的区块链容错共识方案的优化方法的共识步骤流程图；
图2为本发明提出的主节点与主动节点构成的多叉树堆拓扑结构；
图3为本发明提出的故障检测机制原理图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括以下步骤：
1)使用多叉树堆数据结构构建和维护节点网络拓扑，如图2所示，节点网络拓扑的主节点作为多叉树堆数据结构的根节点，主节点将从节点划分为主动节点和被动节点，将节点网络拓扑的所有主动节点按初始化权重组织为多叉树堆数据结构的各个子节点，其中被动节点用于主动节点的替换；
2)主节点生成一组随机密钥，将随机密钥中的每个密钥分成多个份额并作为各个子密钥，接着主节点通过多叉树堆数据结构自顶向下地向各个主动节点对应地发送一个子密钥；
3)客户端向主节点发送请求信息，请求信息包含请求的操作、时间戳、客户端信息、客户端签名，主节点接收到客户端发来的请求信息，接着主节点对请求信息进行签名，然后将客户端的请求信息绑定到随机密钥中；
接着，主节点组装准备信息，然后将准备信息通过多叉树堆数据结构自顶向下地传播到所有主动节点；
4)所有主动节点接收到准备信息后通过自身的子密钥验证准备信息的签名，并启动所有主动节点对应子节点的计时器；
5)通过多叉树堆数据结构自底而上地将各个验证通过的主动节点对应的子密钥进行聚合并发送给主节点，其中根据每个验证通过的主动节点对应子节点的计时器确定主动节点对应子节点的时延，若每个子节点的时延超过时延阈值则启动故障检测机制，同时根据时延计算对应子节点的权值并更新，最后根据更新后的各个子节点的权值更新多叉树堆数据结构；
步骤5)中若每个子节点的时延超过时延阈值则启动故障检测机制，具体为：
当每个子节点的时延超过时延阈值时，即主节点在时延阈值内未接收到当前子节点发送的子密钥，则当前子节点作为产生故障的主动节点，当前子节点的父节点作为报告故障的主动节点自底而上地向主节点发送故障信号，主节点接收到故障信号后，将产生故障的主动节点用被动节点替代，替代后的被动节点作为主动节点，替代前的主动节点作为被动节点，如图3所示，图中故障节点A被主动节点1检测到，由被动节点B进行替换；接着主节点将报告故障的主动节点对应子节点的权值设为最大值并更新，根据各个子节点更新后的权值更新多叉树堆数据结构。
根据时延计算对应子节点的权值，具体公式如下：
Figure BDA0003603544770000041
其中，Wy为子节点y的时延权值，β为超参数，能够指示时延过大时权值的平滑性，ny为子节点y从其父节点接收消息到聚合子节点y的子密钥的时延。
6)主节点通过预设数量的子密钥一次重建原始密钥，接着主节点根据一次重建原始密钥执行客户端请求后生成对应的执行结果并作为确认消息，主节点通过多叉树堆数据结构自顶向下地将确认信息发送给所有主动节点；
7)所有主动节点验证确认消息后自身执行客户端请求的结果，如果每个主动节点自身执行客户端请求的结果与确认消息一致，即主节点成功重建原始密钥，则通过多叉树堆数据结构自底而上地将所有主动节点对应的子密钥进行聚合并发送给主节点；
8)主节点再通过当前预设数量的子密钥二次重建原始密钥，主节点再根据二次重建原始密钥组装回复消息并发送给客户端；一次和二次重建原始密钥的子密钥的数量至少为节点网络拓扑中节点总数的三分之二。
当每次客户端请求执行后获得回复消息时，主节点将当前回复消息进行签名后发送给被动节点；被动节点根据对应主动节点的子密钥对回复消息进行验证后，验证通过后根据对应的主动节点更新自身的内部状态。
9)重复步骤3)-8)，主节点不断接收并执行接收客户端请求信息，当主节点接收预设客户端请求信息数目后，根据各个子节点的权值更新多叉树堆数据结构。
根据各个子节点更新后的权值更新多叉树堆数据结构，具体为：
S1：根据各个子节点更新后的权值进行升序排列，从前到后取预设比例的主动节点或将子节点的权值小于权值阈值的主动节点均作为主节点的直接主动节点；如图2所示，主动节点7与主动节点8为由于时延过大而作为主节点的直接主动节点。
S2：再按照自顶向下权值增大的方式将剩下的主动节点组织为一个二叉树堆数据结构并作为主节点的子树。因此，对于时延大的主动节点直接作为根节点的直接子节点，对于时延小的主动节点，按照权值组织为一个二叉树堆，时延越大则位置越靠近主节点，故障消息传递给主节点的路径长度降低。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种区块链容错共识方案的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)使用多叉树堆数据结构构建节点网络拓扑，节点网络拓扑的主节点作为多叉树堆数据结构的根节点，将节点网络拓扑的所有主动节点按初始化权重组织为多叉树堆数据结构的各个子节点；
2)主节点生成一组随机密钥，将随机密钥分成多个份额并作为各个子密钥，接着主节点通过多叉树堆数据结构向各个主动节点对应地发送一个子密钥；
3)客户端向主节点发送请求信息，主节点接收到客户端发来的请求信息后对客户端发来的请求信息进行处理，获得对应的准备信息并通过多叉树堆数据结构传播到所有主动节点；
4)所有主动节点接收到准备信息后通过自身的子密钥验证准备信息的签名，并启动所有主动节点对应子节点的计时器；
5)通过多叉树堆数据结构自底而上地将各个验证通过的主动节点对应的子密钥进行聚合并发送给主节点，其中根据每个验证通过的主动节点对应子节点的计时器确定主动节点对应子节点的时延，若每个子节点的时延超过时延阈值则启动故障检测机制，同时根据时延计算对应子节点的权值并更新，最后根据更新后的各个子节点的权值更新多叉树堆数据结构；
6)主节点通过预设数量的子密钥一次重建原始密钥，接着主节点根据一次重建原始密钥执行客户端请求后生成对应的执行结果并作为确认消息，主节点通过多叉树堆数据结构将确认信息发送给所有主动节点；
7)所有主动节点验证确认消息后自身执行客户端请求的结果，如果每个主动节点自身执行客户端请求的结果与确认消息一致，则通过多叉树堆数据结构自底而上地将所有主动节点对应的子密钥进行聚合并发送给主节点；
8)主节点再通过当前预设数量的子密钥二次重建原始密钥，主节点再根据二次重建原始密钥组装回复消息并发送给客户端；
9)重复步骤3)-8)，主节点不断接收并执行接收客户端请求信息，当主节点接收预设客户端请求信息数目后，根据各个子节点的权值更新多叉树堆数据结构。
2.根据权利要求1所述的一种区块链容错共识方案的优化方法，其特征在于，所述步骤5)中若每个子节点的时延超过时延阈值则启动故障检测机制，具体为：
当每个子节点的时延超过时延阈值时，则当前子节点作为产生故障的主动节点，当前子节点的父节点作为报告故障的主动节点自底而上地向主节点发送故障信号，主节点接收到故障信号后，将产生故障的主动节点用被动节点替代，替代后的被动节点作为主动节点，替代前的主动节点作为被动节点；接着主节点将报告故障的主动节点对应子节点的权值设为最大值并更新，根据各个子节点更新后的权值更新多叉树堆数据结构。
3.根据权利要求2所述的一种区块链容错共识方案的优化方法，其特征在于，当每次客户端请求执行后获得回复消息时，主节点将当前回复消息发送给被动节点；被动节点对回复消息进行验证后，验证通过后根据对应的主动节点更新自身的内部状态。
4.根据权利要求1或2所述的一种区块链容错共识方案的优化方法，其特征在于，所述根据各个子节点更新后的权值更新多叉树堆数据结构，具体为：
S1：根据各个子节点更新后的权值进行升序排列，从前到后取预设比例的主动节点或将子节点的权值小于权值阈值的主动节点均作为主节点的直接主动节点；
S2：再按照自顶向下权值增大的方式将剩下的主动节点组织为一个二叉树堆数据结构并作为主节点的子树。
5.根据权利要求1所述的一种区块链容错共识方案的优化方法，其特征在于，所述根据时延计算对应子节点的权值，具体公式如下：
Figure FDA0003603544760000021
其中，Wy为子节点y的时延权值，β为超参数，ny为子节点y从其父节点接收消息到聚合子节点y的子密钥的时延。
6.根据权利要求1所述的一种区块链容错共识方案的优化方法，其特征在于，所述步骤3)中，主节点对客户端发来的请求信息进行签名，然后将客户端的请求信息绑定到随机密钥中；接着，主节点组装准备信息，然后将准备信息通过多叉树堆数据结构传播到所有主动节点。
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