CN115118732B - 一种区块链赋能数据共享的基于动态权重的共识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种区块链赋能数据共享的基于动态权重的共识方法，属于区块链领域。该方法包括以下步骤：S1：建立基于DAG的区块链结构；S2：进行动态权值分配；S3：贪婪广度搜索遍历。本发明针对基于区块链的数据共享效率问题提出一种基于动态权重的Conflux共识机制，提高区块链网络吞吐量。在基于动态权值的Conflux共识机制中将交易打包为区块存储为图的顶点，事务可以并发地附加到DAG上，更高的权值鼓励矿工在空闲期间创建更多的区块，在计算时排除了冲突或重复的交易，提高了系统吞吐量和可伸缩性。

Description

一种区块链赋能数据共享的基于动态权重的共识方法

技术领域

本发明属于区块链领域，涉及一种区块链赋能数据共享的基于动态权重的共识方法。

背景技术

图1为基于雾网络的数据共享模型。大量部署的IDs产生物联网数据，具有一定存储和计算能力的节点可以作为位于网络边缘的雾设备，维护和处理数据，大大降低传输带宽以及数据的传输延迟。数据传播方案可分为主动或请求-响应模式。在主动模式中，FNs定期向其覆盖范围内的IDs收集并广播数据。在请求-响应模式中，IDs向FNs发送数据请求，FNs将查询的数据作为响应分发给IDs。FNs对IDs的数据提供临时存储，相关的数据可以上传到云数据中心进行永久存储，也可以在数据过期后被雾节点删除。

为了减轻传统云计算数据中心的负担，雾计算作为一种补充解决方案出现，以支持地理分布、延迟敏感和QoS感知的物联网应用程序。在物联网的场景中，数据共享发生在设备与设备之间，设备与基础设施之间等，无处不在的数据共享为人们的生活带来极大的便利。雾计算为移动设备之间的数据共享提供了一个平台。但恶意的设备可以扭曲对数据的认识，或传播误导性的知识。虽然基于单链结构区块链的数据共享方法在很大程度上可以消除恶意设备的影响，但是在提高安全性的同时伴随着过低的业务吞吐量和较长的共识时延。侧链包含相当多有效交易和合格的哈希运算。尤其对物联网设备来说，他们的计算资源、存储资源等网络资源是非常宝贵的，简单地否定侧链造成的资源浪费是不可接受的。较低的区块链系统吞吐量同样会导致设备获取到的数据质量低下。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种区块链赋能数据共享的基于动态权重的共识方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种区块链赋能数据共享的基于动态权重的共识方法，该方法包括以下步骤：

S1：建立基于DAG的区块链结构；

S2：进行动态权值分配；

S3：贪婪广度搜索遍历。

可选的，所述S1具体为：

所述基于DAG的区块链结构的基本单位是区块，每个区块包含不同的事务；包括主链、边链和未经过验证的区块；

每个新块在上链之前通过PoW算法与父块和引用块捆绑形成DAG的区块链结构；设H(·)表示为哈希函数，执行PoW算法即打包事务的过程描述为：

output＝H(父块hash||引用块hash||nonce)≤target

其中，目标target是预定义的，nonce是一个随机数；如果哈希函数的输出满足最小长度前缀为零的要求，表示矿工找到有效的nonce值，具有产生块的权力；

DAG结构的区块链由以下几个元素组成：

顶点：一个区块称为一个顶点，Tips指的是入度为0的顶点；

边：表示两个顶点之间的参考关系，矿工在创建块G后，通过两个Tips，即块E和块D的哈希值填充参考哈希；块E和块D的哈希值分别为父块哈希和引用块哈希；

父边投票边，指向当前主链的Tips；矿工根据改进的Conflux机制选取主链，父边看成当前块验证指向的Tips，等同于赞成票；除创世块以外，每个块都有且只有一个父边，包括区块D到C，E到B；

引用边指参考边指向当前侧链的Tips，每个区块有多个参考边，代表区块产生的时间先后顺序，包括区块E到C；

Epoch：在树结构中，采用改进的Conflux共识算法从创始块到叶子块选一个主链出来；主链上每个块负责一个Epoch，这个块能够到达的区块就属于这个Epoch。

可选的，所述S2具体为：

将任何给定顶点的动态权重分为三个方面：基数值、数据有效性和连接度；

基数值：一个区块的基数值与当前该矿工的区块创建率呈正相关；当矿工的总计算能力提高时，增加基数值能够增加该区块的权值，更高的权值将鼓励矿工创造更多有效的区块；

数据有效性：定义为每个区块打包有效事务的总数，在计算动态权值时将排除冲突或重复的交易；通过考虑数据的有效性，基于DAG结构的区块链获得了更大的机会选择携带最有效的交易到主链的区块中，从而最大化网络吞吐量；

连接度：连接度的概念来源于Phantom，Phantom强调攻击者产生的侧链比诚实节点产生的侧链互连性差；一个顶点的连接度等于通过父边或引用边到达该区块的总和；

一个顶点的动态权重值被定义为基数值、数据有效性以及连接度的和；在进行贪婪遍历之前，机制为每个顶点分配对应的动态权值。

可选的，所述S3具体为：

采用广度优先搜索策略，从创世块开始，逐级比较顶点的权重值；对于同一级的多个顶点，选择拥有最大权重值的顶点作为下一级的起点，依次遍历，最终确定主链；

为确定区块链上交易的顺序，首先根据动态权值分配和贪婪搜索遍历确定主链，主链上每个块负责一个Epoch，这个块能够到达的区块就属于这个Epoch；然后对不同的Epoch进行排序，再去同一个Epoch内的区块根据偏好关系进行排序；如果同一个Epoch中的块不存在偏序关系，就根据区块的Hash大小排序；最后根据区块的顺序，剔除冲突交易，生成交易顺序。

本发明的有益效果在于：本发明针对基于区块链的数据共享效率问题提出一种基于动态权重的Conflux共识机制，提高区块链网络吞吐量。在基于动态权值的Conflux共识机制中将交易打包为区块存储为图的顶点，事务可以并发地附加到DAG上，更高的权值鼓励矿工在空闲期间创建更多的区块，在计算时排除了冲突或重复的交易，提高了系统吞吐量和可伸缩性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为基于雾网络的数据共享模型；

图2为DAG结构区块链的数据结构。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为了解决所提出的问题，本技术方案公开了为此提出一种基于动态权重的Conflux共识协议，即一种排序协议，将DAG的结构转化为一个线性链，处理所有分叉上的交易，该机制分为两个过程，动态权重分配和贪婪遍历。

一、基于DAG的区块链结构

图2显示DAG结构区块链的数据结构，其基本单位是区块，每个区块包含不同的事务。绿色的块构成主链，蓝色的块构成边链，灰色的块是未经过验证的区块。每个新块在上链之前通过PoW算法与两个以前的块(父块和引用块)捆绑形成DAG的区块链结构。设H(·)表示为哈希函数，执行PoW算法即打包事务的过程可以描述为：

output＝H(父块hash||引用块hash||nonce)≤target

其中，目标target是预定义的，nonce是一个随机数。如果哈希函数的输出满足最小长度前缀为零的要求，表示该矿工找到有效的nonce值，具有产生块的权力。DAG结构的区块链由以下几个元素组成：

顶点：一个区块称为一个顶点，Tips指的是入度为0的顶点；

边：表示两个顶点之间的参考关系，例如矿工在创建块G后，通过两个Tips(块E和块D)的哈希值(父块哈希、引用块哈希)填充参考哈希；

父边(实线)：父边也称为投票边，指向当前主链(如图2中绿色的链)的Tips。由于矿工根据改进的Conflux机制选取主链，父边可以看成当前块验证了指向的Tips，相当于赞成票。除了创世块以外，每个块都有且只有一个父边，例如区块D到C，E到B；

引用边(虚线)：参考边指向当前侧链(如图2中蓝色的链)的Tips，每个区块可以有多个参考边，代表了区块产生的时间先后顺序，例如区块E到C；

Epoch：在该树结构中，采用改进的Conflux共识算法从创始块到叶子块选一个主链出来。主链上每个块负责一个Epoch，这个块可到达的区块就属于这个Epoch。

二、动态权值分配方法

在传统的Conflux共识机制中，所有块的权重是固定的，在改进的Conflux共识机制中，区块的权重是动态分配的，可以更好地反映账本的实时状态，如吞吐量。具体来说，将任何给定顶点的动态权重分为三个方面：基数值、数据有效性、连接度。

基数值：一个区块的基数值与当前该矿工的区块创建率呈正相关。当矿工的总计算能力提高时，增加基数值可以增加该区块的权值。更高的权值将鼓励矿工创造更多有效的区块。

数据有效性：定义为每个区块打包有效事务的总数，在计算动态权值时将排除冲突或重复的交易。通过考虑数据的有效性，基于DAG结构的区块链获得了更大的机会选择携带最有效的交易到主链的区块中，从而最大化网络吞吐量。

连接度：连接度的概念来源于Phantom，Phantom强调攻击者产生的侧链比诚实节点产生的侧链互连性差。一个顶点的连接度等于通过父边或引用边到达该区块的总和。

在度量上述指标后，一个顶点的动态权重值被定义为基数值、数据有效性、连接度的和。在进行贪婪遍历之前，该机制为每个顶点分配对应的动态权值。

三、贪婪广度搜索遍历

动态权值的分配代表对区块的确认，在处理区块链分叉的情况时，获得最多确认的块共同构成主链。因此，进一步提出一种贪婪遍历算法确认主链。采用广度优先搜索策略，从创世块开始，逐级比较顶点的权重值。对于同一级的多个顶点，选择拥有最大权重值的顶点作为下一级的起点，依次遍历，最终确定主链。

为确定区块链上交易的顺序，首先根据动态权值分配和贪婪搜索遍历确定主链，主链上每个块负责一个Epoch，这个块可到达的区块就属于这个Epoch。然后对不同的Epoch进行排序，再去同一个Epoch内的区块根据偏好关系进行排序。如果同一个Epoch中的块不存在偏序关系，就根据区块的Hash大小排序，例如图2中的区块顺序是A，C，B，E，D，F，G。最后根据区块的顺序，剔除冲突交易，生成交易顺序。例如图2中的区块A和区块B均包含交易2，因此最终只承认区块A中的交易2，剔除在区块B中包含的重复交易2。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种区块链赋能数据共享的基于动态权重的共识方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：建立基于DAG的区块链结构；

S2：进行动态权值分配；

S3：贪婪广度搜索遍历；

所述S1具体为：

所述基于DAG的区块链结构的基本单位是区块，每个区块包含不同的事务；包括主链、边链和未经过验证的区块；

每个新块在上链之前通过PoW算法与父块和引用块捆绑形成DAG的区块链结构；设H(·)表示为哈希函数，执行PoW算法即打包事务的过程描述为：

output＝H(父块hash||引用块hash||nonce)≤target

其中，目标target是预定义的，nonce是一个随机数；如果哈希函数的输出满足最小长度前缀为零的要求，表示矿工找到有效的nonce值，具有产生块的权力；

DAG结构的区块链由以下几个元素组成：

顶点：一个区块称为一个顶点，Tips指的是入度为0的顶点；

边：表示两个顶点之间的参考关系，矿工在创建块G后，通过两个Tips，即块E和块D的哈希值填充参考哈希；块E和块D的哈希值分别为父块哈希和引用块哈希；

父边投票边，指向当前主链的Tips；矿工根据改进的Conflux机制选取主链，父边看成当前块验证指向的Tips，等同于赞成票；除创世块以外，每个块都有且只有一个父边，包括区块D到C，E到B；

引用边指参考边指向当前侧链的Tips，每个区块有多个参考边，代表区块产生的时间先后顺序，包括区块E到C；

Epoch：在树结构中，采用改进的Conflux共识算法从创始块到叶子块选一个主链出来；主链上每个块负责一个Epoch，这个块能够到达的区块就属于这个Epoch；

所述S2具体为：

将任何给定顶点的动态权重分为三个方面：基数值、数据有效性和连接度；

基数值：一个区块的基数值与当前该矿工的区块创建率呈正相关；当矿工的总计算能力提高时，增加基数值能够增加该区块的权值，更高的权值将鼓励矿工创造更多有效的区块；

数据有效性：定义为每个区块打包有效事务的总数，在计算动态权值时将排除冲突或重复的交易；通过考虑数据的有效性，基于DAG结构的区块链获得了更大的机会选择携带最有效的交易到主链的区块中，从而最大化网络吞吐量；

连接度：连接度的概念来源于Phantom，Phantom强调攻击者产生的侧链比诚实节点产生的侧链互连性差；一个顶点的连接度等于通过父边或引用边到达该区块的总和；

一个顶点的动态权重值被定义为基数值、数据有效性以及连接度的和；在进行贪婪遍历之前，机制为每个顶点分配对应的动态权值；

所述S3具体为：

采用广度优先搜索策略，从创世块开始，逐级比较顶点的权重值；对于同一级的多个顶点，选择拥有最大权重值的顶点作为下一级的起点，依次遍历，最终确定主链；

为确定区块链上交易的顺序，首先根据动态权值分配和贪婪搜索遍历确定主链，主链上每个块负责一个Epoch，这个块能够到达的区块就属于这个Epoch；然后对不同的Epoch进行排序，再去同一个Epoch内的区块根据偏好关系进行排序；如果同一个Epoch中的块不存在偏序关系，就根据区块的Hash大小排序；最后根据区块的顺序，剔除冲突交易，生成交易顺序。