CN115766616A - 一种基于HoneyBadgerBFT共识算法的数据共享方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于HoneyBadgerBFT共识算法的数据共享方法，属于联盟区块链异步共识技术领域。本发明采用HoneyBadgerBFT‑Pro共识算法，由联盟区块链实现分布式数据共享系统。在数据共享系统中，用户双方通过HoneyBadgerBFT‑Pro共识算法中的可靠广播协议和异步二进制协议，进行数据交易，并将交易记录存储在区块链中。HoneyBadgerBFT‑Pro共识算法将传统的异步公共子集协议进行解耦，在可靠广播协议中增加一个随机选取实例的步骤，并在可靠广播协议和异步二进制协议之间增加若干个缓存区，缓存区与其相应的协议进行交互，使得两个协议并行执行，避免其相互牵制。本发明提升了共识算法中的吞吐量，降低了通信延迟，进而提升了数据共享系统中的整体性能；实现了数据共享系统完成安全，高效的可信共享。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于HoneyBadgerBFT共识算法的数据共享方法，属于联盟区块链异步共识技术领域。
背景技术
现有大多数的数据共享平台依赖于第三方服务提供商。在这种数据共享平台中进行数据交易，用户双方必须信任第三方服务提供商以及该平台所规定的协议。一旦第三方服务提供商出现任何问题，都会极大的降低数据共享的效率。甚至数据的安全性，用户的隐私问题都会遭受破坏。在这种情况下，解决数据共享系统中第三方服务提供商带来的各种安全隐患，提高系统整体性能成为了数据共享系统得以实施的前提。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于HoneyBadgerBFT共识算法的数据共享方法，从而解决当前数据共享系统中数据共享的效率低且安全性不足的问题。
本发明的技术方案是：一种基于HoneyBadgerBFT共识算法的数据共享方法，其特征在于：
Step1：节点将自己的身份信息发送到数据共享系统中，并申请加入数据共享系统，数据共享系统收到节点的申请和身份信息后对该节点进行审核，对身份信息审核通过的节点发送其公私钥对，并且根据HoneyBadgerBFT-Pro共识算法将该节点身份信息广播给系统中的用户进行存储，系统中所有用户的区块内均存有新加入的节点信息，该节点成为数据共享系统中的合法用户。
Step2：在数据共享系统中，用户双方交易成功之后，将数据交易合约信息存入本地交易池中，等待与其它交易一起进入后续的广播和共识过程，直至存入区块链中。
在数据共享系统中有N个用户。U表示所有用户，用户U”是指其中一个用户，下文以一个用户Ui为例讲述HoneyBadgerBFT-Pro共识算法中可靠广播和达成共识的流程，其他用户都是相同的工作流程。其中，Step 3-5为可靠广播的流程，Step 6-9为达成共识的流程，二者并行进行。
Step3：用户Ui从本地交易池中随机选取T/N个交易数量作为提案Pi，对提案Pi进行门限加密，将加密后的消息作为ERBCi实例的输入，T表示系统中所有用户提议的交易数量，N表示系统中的用户数量。
HoneyBadgerBFT-Pro共识算法中的ERBC协议是在传统RBC协议中增加了一个随机选取实例的步骤。在数据共享系统中，每个用户在每轮共识都会生成一个RBC实例作为RBC协议的输入。这些RBC实例会参与后续的二元共识协议，参与二元共识协议的实例数量越大，数据交易的通信量便会越大。本发明提出的ERBC协议降低了参与二元共识协议的实例数量，大大降低了数据交易的通信量，增大了数据共享系统的吞吐量，同时降低了数据共享系统的计算资源。
Step4：数据共享系统在N个ERBC实例中随机选取K个ERBC实例进入后续操作。
在ERBC协议中有N个“ERBC实例”，“ERBCi实例”是指其中的一个“ERBC实例”。就像前面的，“用户Ui”是N个用户中的一个用户。
“ERBCi实例”，“提案Pi”都是与前面“用户Ui”相对应的。比如“ERBCj实例”，“提案j”和“用户j”是相对应的。
Step5：当ERBCi实例收到用户Ui广播的加密后的提案，将加密后的提案放入缓存区Bi中，至此，用户Ui发起的一个提案消息的可靠广播步骤完成，重复Step3- Step5，等待接收用户Ui发起的下一个提案广播。
HoneyBadgerBFT共识算法中的ACS协议是严格串行执行的。即在数据交易共识过程中，可靠广播过程和二元共识过程是串行执行的。在二元共识过程结束之后才能够开启新一轮的数据交易共识，进行数据交易的可靠广播过程。本发明提出的缓存区，分别与其相应的ERBC协议和ABA协议进行交互。分解ACS协议，使得ERBC协议和ABA协议可以并行执行，互不牵制，能够有效提高数据交易共识的效率，增大数据共享系统的吞吐量。
Step6：数据共享系统中的所有用户U分别对其相应的缓存区B定期查询，当缓存区Bi中存在某个提案的序号是已经完成共识的交易序号+1，并且还没有给ABAi实例提供输入，那么就给ABAi实例提供输入值1。
系统中有N个用户，N个ERBC实例，N个ABA实例，N个缓存区B。有下标为“i”的都是指的其中的一个，其他的工作流程都是相同的，只是以一个为例子进行讲解。没有下标的，都是指的全部，对应的整个集合。
Step7：当ABAi实例执行二元共识协议结束后，将二元共识结果result[i]设置为1，当至少N-f个ABA实例输出值为1时，给剩余没有提供输入值的ABA实例的输入值设置为0，加速没有输入值的ABA实例的执行。
Step8：当所有ABA实例均执行结束后，遍历二元共识结果向量result。设置下标：j=0,1,2,...,K-1。若result[j]=1，将已完成的共识的交易序号自增1，缓存区Bj中该交易提案删除，将缓存区Bj中的队头交易提案放入数据交易集合中。
Step9：所有用户利用其私钥片段将数据交易集合中相应的加密提案片段进行解密，将解密后的片段广播发送给其他用户，当某个用户接收到f+1个用户发送过来的解密片段，对其进行解密恢复明文提案，将明文提案存入区块中，对其进行去重，按时间戳顺序排序，每个用户都会接收到来自其他用户的解密片段，对其恢复明文提案并存入区块中，至此，系统中的所有用户会获得一致的交易区块，将二元共识结果向量result重置为0，继续重复Step6- Step9，进行新一轮的共识。
所述HoneyBadgerBFT-Pro共识算法采用ACS（Asynchronous Common Subset）协议，所述ACS协议由RBC（Reliable Broadcast）协议和ABA（Asynchronous BinaryAgreement）协议两部分组成，所述RBC协议是可靠广播协议，通过纠删码算法降低用户之间的数据交易传输，主要用于广播每个用户提交的交易集合，所述ABA协议是异步二进制协议，经过共识协议后会得到一串共识后的二进制列表，ACS协议的主要功能是通过RBC协议广播交易，再通过ABA协议形成一致的交易序列。ACS协议是HoneyBadgerBFT共识算法的基石。
所述HoneyBadgerBFT-Pro共识算法将传统的ACS协议进行解耦，在N个用户输出N个ERBC实例后随机选出K个实例进行后续的ABA协议操作，3/N +1<K<N，减少了数据交易在ABA协议共识过程中的通信。在ERBC协议和ABA协议中增加K个缓存区，缓存区分别与其相对应的ERBC协议和ABA协议交互，使得数据交易的广播过程和共识过程并行执行。避免其相互牵制，进而提升数据共享系统共享数据的效率。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用HoneyBadgerBFT-Pro共识算法，由联盟区块链实现分布式数据共享系统。分布式的数据共享系统，存在多处备份，保证用户之间进行的数据交易信息不会被篡改，极大的保证了数据共享系统的安全性。还可以方便数据共享系统能够能清晰确切的显示每个数据信息的被使用情况。
（2）本发明解决了传统数据共享系统中容错性较低的问题。分布式数据共享系统不存在中心节点，有一定的容错性。在数据共享系统中，如果存在小于1/3的用户出现错误，系统仍然可以正常运行，并且向外界传送出正确的结果。
（3）本发明所述的数据共享系统采用HoneyBadgerBFT-Pro共识算法。HoneyBadgerBFT-Pro共识算法降低了用户之间的通信量，有着更低的延迟，更高的吞吐量，进而使得本发明所提出的数据共享系统有着更高的性能。实现了数据共享系统完成高效的可信共享。
附图说明
图1是本发明数据共享系统的工作流程图；
图2是本发明HoneyBadgerBFT-Pro共识算法运行结构图；
图3是HoneyBadgerBFT-Pro共识算法和HoneyBadgerBFT共识算法的CPU利用率对比图；
图4是HoneyBadgerBFT-Pro共识算法和HoneyBadgerBFT共识算法的吞吐量对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，本发明从优化共识算法进行研究。由于异步共算法更加贴合于实际网络的情况，本发明对HoneyBadgerBFT共识算法进行了深入研究，提出HoneyBadgerBFT-Pro共识算法。HoneyBadgerBFT-Pro共识算法将传统的ACS协议进行解耦，在RBC协议中增加了一个随机选取实例的步骤，称为ERBC协议。并且在ERBC协议和ABA协议之间增加了缓存区，使得交易的广播过程和共识过程并行执行，互不交互，提升算法的吞吐量。本发明采用联盟区块链和HoneyBadgerBFT-Pro共识算法实现分布式数据共享系统。节点通过数据共享系统的身份审核后成为合法用户，用户双方在系统中进行数据交易。用户双方的数据交易执行HoneyBadgerBFT-Pro共识算法中的ERBC协议和ABA协议，达成一致后，数据交易记录会被写入区块链中，永久存储。本发明提出的数据共享系统使用HoneyBadgerBFT-Pro共识算法将传统的ACS协议进行解耦，分为ERBC协议和ABA协议两个区域。其中Step 3-5讲述ERBC协议，为区域1，Step 6-9讲述ABA协议，为区域2。
如图2所示，具体步骤为：
Step1：节点将自己的身份信息发送到数据共享系统中，并申请加入数据共享系统，数据共享系统收到节点的申请和身份信息后对该节点进行审核，对身份信息审核通过的节点发送其公私钥对，并且根据HoneyBadgerBFT-Pro共识算法将该节点身份信息广播给系统中的用户进行存储，系统中所有用户的区块内均存有新加入的节点信息，该节点成为数据共享系统中的合法用户。
Step2：在数据共享系统中，用户双方交易成功之后，将数据交易合约信息存入本地交易池中，等待与其它交易一起进入后续的广播和共识过程，直至存入区块链中。
下文以用户Ui为例讲述HoneyBadgerBFT-Pro共识算法中可靠广播和达成共识的流程。其中，步骤3-5为可靠广播的流程，步骤6-9为达成共识的流程，二者并行进行。
Step3：用户Ui从本地交易池中随机选取T/N个交易数量作为提案Pi，用户Ui对提案Pi进行门限加密，将加密后的消息作为ERBCi实例的输入，T表示系统中所有用户提议的交易数量，N表示系统中的用户数量。
Step4：数据共享系统在N个ERBC实例中随机选取K（K<N）个ERBC实例进行后续的ABA协议，其余N-K个ERBC实例被丢弃。
Step5：当ERBCi实例收到用户Ui广播的加密后的消息，将结果提案放入缓存区Bi中，至此，用户Ui发起的提案消息的可靠广播步骤完成，重复Step3- Step5，等待接收用户Ui发起的下一个提案广播。
Step6：数据共享系统中的所有用户分别对其相应的缓存区B定期查询，当缓存区Bi中存在某个提案的序号是已经完成共识的交易序号+1，并且还没有给ABAi实例提供输入，那么就给ABAi实例提供输入值1。
Step7：当ABAi实例执行ABA协议结束后，将二元共识结果result[i]设置为1，当至少N-f个ABA实例输出值为1时，给剩余没有提供输入值的ABA实例的输入值设置为0，加速没有输入值的ABA实例的执行。
Step8：当所有ABA实例执行结束后，遍历二元共识结果向量result，设置下标：j=0,1,2,...,K-1，若result[j]=1，将缓存区Bj中的队头交易提案放入数据交易集合中，已完成的共识的交易序号自增1，缓存区Bj中该交易提案删除。
Step9：所有用户利用其私钥片段将数据交易集合中相应的加密提案片段进行解密，将解密后的片段广播发送给其他用户。当某个用户接收到f+1个用户发送过来的解密片段，对其进行解密恢复明文提案。将明文提案存入区块中，对其进行去重，按时间戳顺序排序。每个用户都会接收到来自其他用户的解密片段，对其恢复明文提案并存入区块中。至此，系统中的所有用户会获得一致的交易区块。将二元共识结果向量result重置为0，继续重复Step6- Step9，进行新一轮的共识。
如图3所示，HoneyBadgerBFT-Pro共识算法和HoneyBadgerBFT共识算法的CPU利用率对比图。
本实验设置区块批量大小为
。在节点数量相同的情况下分别运行HoneyBadgerBFT-Pro共识算法与HoneyBadgerBFT共识算法，检测主机的CPU利用率。结果如图3所示，在区块的批量大小相同的情况下，节点数量越多，CPU的利用率越高。在节点数量相同的情况下，HoneyBadgerBFT-Pro共识算法的CPU利用率均比HoneyBadgerBFT共识算法低。因此说明了HoneyBadgerBFT-Pro共识算法在计算资源方面进行了优化。
如图4所示，HoneyBadgerBFT-Pro共识算法和HoneyBadgerBFT共识算法的吞吐量对比图。
本实验设置区块批量大小为
。节点数量分别为32，64，100。测试HoneyBadgerBFT共识算法和HoneyBadgerBFT-Pro共识算法，分别进行20轮共识，取其平均值，并对其吞吐量大小进行计算和分析。结果如图4所示，当节点的数量在负荷的范围内时，共识算法的吞吐量随着节点数量的增加而提升。当节点数量过多，超过负荷后，共识算法的吞吐量会随之降低。在相同的区块批量大小和节点数量中，HoneyBadgerBFT-Pro均比HoneyBadgerBFT共识算法的吞吐量要高。在节点数量为64时，HoneyBadgerBFT-Pro共识算法的吞吐量是HoneyBadgerBFT共识算法的7倍。
图3和图4的实验均采用Windows11，64位操作系统的单台主机完成测试，机带RAM为16.0GB，处理器为11th Gen Intel(R) Core(TM) i5-1135G7 @ 2.40GHz 2.42 GHz。本文使用go语言实现HoneyBadgerBFT-Pro共识算法和HoneyBadgerBFT共识算法。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种基于HoneyBadgerBFT共识算法的数据共享方法，其特征在于：
Step1：节点将自己的身份信息发送到数据共享系统中，并申请加入数据共享系统，数据共享系统收到节点的申请和身份信息后对该节点进行审核，对身份信息审核通过的节点发送其公私钥对，并且根据HoneyBadgerBFT-Pro共识算法将该节点身份信息广播给系统中的用户进行存储，系统中所有用户的区块内均存有新加入的节点信息，该节点成为数据共享系统中的合法用户；
Step2：在数据共享系统中，用户双方交易成功之后，将数据交易合约信息存入本地交易池中，等待与其它交易一起进入后续的广播和共识过程，直至存入区块链中；
Step3：用户Ui从本地交易池中随机选取T/N个交易数量作为提案Pi，对提案Pi进行门限加密，将加密后的消息作为ERBCi实例的输入，T表示系统中所有用户提议的交易数量，N表示系统中的用户数量；
Step4：数据共享系统在N个ERBC实例中随机选取K个ERBC实例进入后续操作；
Step5：当ERBCi实例收到用户Ui广播的加密后的提案，将加密后的提案放入缓存区Bi中，至此，用户Ui发起的一个提案消息的可靠广播步骤完成，重复Step3- Step5，等待接收用户Ui发起的下一个提案广播；
Step6：数据共享系统中的所有用户U分别对其相应的缓存区B定期查询，当缓存区Bi中存在某个提案的序号是已经完成共识的交易序号+1，并且还没有给ABAi实例提供输入，那么就给ABAi实例提供输入值1；
Step7：当ABAi实例执行二元共识协议结束后，将二元共识结果result[i]设置为1，当至少N-f个ABA实例输出值为1时，给剩余没有提供输入值的ABA实例的输入值设置为0，加速没有输入值的ABA实例的执行；
Step8：当所有ABA实例均执行结束后，遍历二元共识结果向量result，设置下标：j=0,1,2,...,K-1，若result[j]=1，将已完成的共识的交易序号自增1，缓存区Bj中该交易提案删除，将缓存区Bj中的队头交易提案放入数据交易集合中；
Step9：所有用户利用其私钥片段将数据交易集合中相应的加密提案片段进行解密，将解密后的片段广播发送给其他用户，当某个用户接收到f+1个用户发送过来的解密片段，对其进行解密恢复明文提案，将明文提案存入区块中，对其进行去重，按时间戳顺序排序，每个用户都会接收到来自其他用户的解密片段，对其恢复明文提案并存入区块中，至此，系统中的所有用户会获得一致的交易区块，将二元共识结果向量result重置为0，继续重复Step6- Step9，进行新一轮的共识。
2.根据权利要求1所述的HoneyBadgerBFT共识算法，其特征在于：所述HoneyBadgerBFT-Pro共识算法采用ACS协议，所述ACS协议由RBC协议和ABA协议两部分组成，所述RBC协议是可靠广播协议，通过纠删码算法降低用户之间的数据交易传输，主要用于广播每个用户提交的交易集合，所述ABA协议是异步二进制协议，经过共识协议后会得到一串共识后的二进制列表，ACS协议的通过RBC协议广播交易，再通过ABA协议形成一致的交易序列。
3.根据权利要求2所述的HoneyBadgerBFT共识算法，其特征在于，所述Step4为：所述HoneyBadgerBFT-Pro共识算法将ACS协议进行解耦，在N个用户输出N个ERBC实例后随机选出K个实例进行后续的ABA协议操作，3/N +1<K<N，在ERBC协议和ABA协议中增加K个缓存区，缓存区分别与其相对应的ERBC协议和ABA协议交互，使得数据交易的广播过程和共识过程并行执行。
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