CN116389009A - 一种基于联盟链的支持动态集群变更的共识算法切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于联盟链的支持动态集群变更的共识算法切换方法，该方法通过在原共识算法之上增加一层算法切换协议，不仅可以在无需节点停机的情况下实现任意BFT类共识算法的切换，还综合考虑了在联盟区块链中共识集群动态变更以及存在落后节点的情况，并给予了相应的解决方案。本发明避免了在原共识算法逻辑上做侵入性修改，在不影响原共识模块的安全性和活性的情况下提高了其自适应性和可靠性。
Description
技术领域
本申请属于联盟区块链技术领域，特别是涉及一种基于联盟链的支持动态集群变更的共识算法切换方法。
背景技术
共识问题无论是从分布式系统还是到近年兴起的区块链技术一直都是备受关注的核心问题，其可靠性决定了整个系统的可靠性。BFT(Byzantine Fault Tolerance)共识算法通常应用于联盟区块链系统中。其目标是在一个拜占庭节点总数不超过某个阈值f的区块链系统中，使集群对某个目标值达成一致，从而保证区块链系统的一致性。
近年来，有关BFT类型算法的研究层出不穷，各项研究都有不同的优化思路，各有各自的优缺点和最佳适用环境。区块链系统在运行过程中，其所处的环境条件可能并不是稳定的，目前并不存在一种所谓的“超级”共识算法来适应任何不同的环境条件。当外界环境条件发生变化时，当前运行的算法可能会失去原本的优势进而影响系统的整体性能，此时我们可能需要对共识算法的配置做一些动态的调整，甚至是切换新的共识算法。
目前已有一些有关自适应共识协议的研究，但大多都侧重于研究如何根据各项指标来评估最优算法，对于如何可靠地切换算法这部分没有深入探讨，缺少对联盟链实际生产环境所会存在的问题的思考。
发明内容
本发明的目的是针对联盟区块链中难以保证共识模块重新配置的可靠性的不足，并且考虑了在联盟链的实际生产环境中会经常出现集群变更的情况，提供了一种基于联盟链的支持动态集群变更的共识算法切换方法。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种基于联盟链的支持动态集群变更的共识算法切换方法，该方法在原共识算法层之上增加一层算法切换协议层，切换共识算法或共识集群变更以一种特殊形式的区块触发共识集群来执行该操作，该特殊形式的区块定义为配置区块；节点需要先完成所述配置区块的共识再进行切换；为了降低对原共识算法逻辑的修改以及安全性和活性的影响，算法切换协议层通过记录所述配置区块共识完成的证据，并构造一种链式证明结构来保证切换操作的可靠性；该方法具体包括如下步骤：
(1)一笔记录了新算法或新集群具体配置的配置交易被共识集群接收，并被共识节点单独打包成一个配置区块后，像其他普通区块一样开始正常的共识流程；
(2)待所述配置区块共识完成后，共识节点将该其提交给执行模块，共识节点的共识状态从正常共识状态切换到配置变更状态，等待执行结果；
(3)执行结果首先返回到所述算法切换协议层，共识节点的算法切换协议层生成该配置区块对应的检查点，并附带上自身签名后，广播给所有共识节点；待共识节点收齐quorum个不同节点的状态相同的检查点后，共识节点的算法切换协议层将其组合构造为稳定检查点，作为本次变更操作的合法共识执行证据，同时用于记录共识集群当前共识状态；之后共识节点的算法切换协议层将该稳定检查点中包含的配置信息和共识状态信息传递给原共识算法层；
(4)共识节点根据算法切换协议层返回的相关信息，若需要切换算法，则切换相应算法并初始化新算法的共识初始状态；若需要变更共识集群，则只需更新共识集群相关的配置信息；然后，共识节点从配置变更状态切换到正常共识状态，继续推进新的共识流程；
(5)对于未完成共识算法切换或共识集群变更的落后节点，通过获取来自其他完成共识的节点的算法切换协议层的共识执行证据，即通过稳定检查点来同步状态，进而完成共识算法切换或共识集群变更，并参与到正常的共识流程中。
进一步地，算法切换协议层记录一个字段version用于标识当前的配置版本，每次配置变更完成后，无论是共识算法变更还是共识集群变更，都会使得该字段依次递增；所述检查点和稳定检查点中均应该包含该字段；且每个检查点和稳定检查点都有唯一的version值相对应；所述算法切换协议层中生成的稳定检查点应当包含quorum个节点的合法签名，用于证明该稳定检查点结构的合法性，稳定检查点结构中的共识状态信息需要包含新的配置信息，还包含其对应的配置区块的执行结果。
进一步地，当共识节点处于配置变更状态时，拒绝开始新的共识轮次，确保该配置区块是共识集群通过原配置共识的最后一个区块，即确保共识集群在配置变更前处于一个共同的状态；当共识节点处于正常共识状态时，则正常推进共识流程。
进一步地，落后节点获取到的共识执行证据包含至少一个稳定检查点，包含的稳定检查点的个数取决于落后节点的落后状态；若节点当前verion＝n，集群中正常节点version＝n+m，则共识执行证据中应当包含version＝n、version＝n+1···version＝n+m-1时对应的稳定检查点；落后节点将状态从version＝n更新至version＝n+1，再从version＝n+1更新至version＝n+2，以此类推，直到从version＝n+m-1更新至version＝n+m。
进一步地，共识节点间发送的每条共识消息都会附带version字段，用于标识共识节点所处的配置信息版本；假设某落后节点node-x处于version＝n,该节点会通过以下两种情况同步状态：
1)若node-x先收到来自正常节点的version＝N的共识消息，N>n，则主动发送消息，请求version＝n到version＝N的同步信息；
2)正常节点先收到来自node-x的version＝n的共识消息，则主动发送version＝n到version＝N的同步信息，帮助恢复；
对于上述两种情况，node-x最终都会收到正常节点回复的version＝n至version＝N的若干稳定检查点，然后更新至最新配置，同步到version＝N，然后正常参与共识。
进一步地，对于version值连续的稳定检查点，其间若发生共识集群变更，通过将上一个稳定检查点中记录的新的共识集群配置信息与下一个稳定检查点中的共识集群签名列表相对应，形成一种可验证的链式共识执行证据，使得处于任意落后状态的节点都可以恢复到最新状态，从而使得当在区块链系统中发生过集群动态变更的情况下，也能保证切换算法操作的安全性。
本发明的有益效果如下：
本发明基于联盟区块链的共识算法线上切换方案，考虑了联盟链实际部署环境存在的动态集群变更所带来的安全性问题，充分结合了共识模块的特性，通过配置区块的方式实现线上共识算法切换，保证了切换操作的一致性，并将对原算法逻辑进行的修改降到最低；通过协议层实现检查点机制构造链式可验证共识执行证据，使得算法切换操作不影响原算法活性与安全性，并且使得在集群发生变更过的情况下也能实现可靠的算法切换。
附图说明
图1为本发明实施例的基于联盟链的支持动态集群变更的共识算法切换方法的流程图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的基于联盟链的支持动态集群变更的共识算法切换方法，该方法在原共识算法层之上增加一层算法切换协议层，切换共识算法或共识集群变更以一种特殊形式的区块触发共识集群来执行该操作，该特殊形式的区块定义为配置区块；节点需要先完成所述配置区块的共识再进行切换；为了降低对原共识算法逻辑的修改以及安全性和活性的影响，算法切换协议层通过记录所述配置区块共识完成的证据，并构造一种链式证明结构来保证切换操作的可靠性；该方法具体包括如下步骤：
(1)一笔记录了新算法或新集群具体配置的配置交易被共识集群接收，并被共识节点单独打包成一个配置区块后，像其他普通区块一样开始正常的共识流程。
(2)待所述配置区块共识完成后，共识节点将该其提交给执行模块，共识节点的共识状态从正常共识状态切换到配置变更状态，等待执行结果。
配置区块的共识流程和其他普通区块的共识流程基本一致，特殊之处在于共识完成之后，配置区块会使得共识集群中的所有共识节点进入到配置变更状态，这是为了保证配置变更时共识集群状态的一致性。该配置区块应当是通过旧配置共识的最后一个区块，所以一旦共识节点进入到配置变更状态，共识节点应当阻塞新一轮共识流程的推进，即停止新区块的共识。
当共识节点处于配置变更状态时，拒绝开始新的共识轮次，确保该配置区块是共识集群通过原配置共识的最后一个区块，即确保共识集群在配置变更前处于一个共同的状态；当共识节点处于正常共识状态时，则正常推进共识流程。
(3)执行结果首先返回到所述算法切换协议层，共识节点的算法切换协议层生成该配置区块对应的检查点，并附带上自身签名后，广播给所有共识节点；待共识节点收齐quorum个不同节点的状态相同的检查点后，共识节点的算法切换协议层将其组合构造为稳定检查点，作为本次变更操作的合法共识执行证据，同时用于记录共识集群当前共识状态；之后共识节点的算法切换协议层将该稳定检查点中包含的新的配置信息传递给原共识算法层。
算法切换协议层记录一个字段version用于标识当前的配置版本，每次配置变更完成后，无论是共识算法变更还是共识集群变更，都会使得该字段依次递增。所述检查点和稳定检查点中均应该包含该字段；且每个检查点和稳定检查点都有唯一的version值相对应；所述算法切换协议层中生成的稳定检查点应当包含quorum个节点的合法签名，用于证明该稳定检查点结构的合法性，稳定检查点结构中的共识状态信息需要包含新的配置信息，还包含其对应的配置区块的执行结果。之所以协议层需要实现checkpoint机制，是为了整个切换协议的通用性。
(4)共识节点根据算法切换协议层返回的相关信息，若需要切换算法，则切换相应算法并初始化新算法的共识初始状态；若需要变更共识集群，则只需更新共识集群相关的配置信息；然后，共识节点从配置变更状态切换到正常共识状态，继续推进新的共识流程。这里的配置信息比如公钥、ip地址等。
(5)对于未完成共识算法切换或共识集群变更的落后节点，通过获取来自其他完成共识的节点的算法切换协议层的共识执行证据，即通过稳定检查点来同步状态，进而完成共识算法切换或共识集群变更，并参与到正常的共识流程中。
落后节点获取到的共识执行证据包含至少一个稳定检查点，包含的稳定检查点的个数取决于落后节点的落后状态；若节点当前verion＝n，集群中正常节点version＝n+m，则共识执行证据中应当包含version＝n、version＝n+1···version＝n+m-1时对应的稳定检查点；落后节点将状态从version＝n更新至version＝n+1，再从version＝n+1更新至version＝n+2，以此类推，直到从version＝n+m-1更新至version＝n+m。
另外，共识节点间发送的每条共识消息都会附带version字段，用于标识共识节点所处的配置信息版本；假设某落后节点node-x处于version＝n,该节点会通过以下两种情况同步状态：
1)若node-x先收到来自正常节点的version＝N的共识消息，N>n，则主动发送消息，请求version＝n到version＝N的同步信息；
2)若正常节点先收到来自node-x的version＝n的共识消息，则主动发送version＝n到version＝N的同步信息，帮助恢复；
对于上述两种情况，node-x最终都会收到正常节点回复的version＝n至version＝N的若干稳定检查点，然后更新至最新配置，同步到version＝N，然后正常参与共识。
再一方面，对于version值连续的稳定检查点，其间若发生共识集群变更，通过将上一个稳定检查点中记录的新的共识集群配置信息与下一个稳定检查点中的共识集群签名列表相对应，形成一种可验证的链式共识执行证据，使得处于任意落后状态的节点都可以恢复到最新状态，从而使得当在区块链系统中发生过集群动态变更的情况下，也能保证切换算法操作的安全性。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于联盟链的支持动态集群变更的共识算法切换方法，其特征在于，该方法在原共识算法层之上增加一层算法切换协议层，切换共识算法或共识集群变更以一种特殊形式的区块触发共识集群来执行该操作，该特殊形式的区块定义为配置区块；节点需要先完成所述配置区块的共识再进行切换；为了降低对原共识算法逻辑的修改以及安全性和活性的影响，算法切换协议层通过记录所述配置区块共识完成的证据，并构造一种链式证明结构来保证切换操作的可靠性；该方法具体包括如下步骤：
(1)一笔记录了新算法或新集群具体配置的配置交易被共识集群接收，并被共识节点单独打包成一个配置区块后，像其他普通区块一样开始正常的共识流程；
(2)待所述配置区块共识完成后，共识节点将该其提交给执行模块，共识节点的共识状态从正常共识状态切换到配置变更状态，等待执行结果；
(3)执行结果首先返回到所述算法切换协议层，共识节点的算法切换协议层生成该配置区块对应的检查点，并附带上自身签名后，广播给所有共识节点；待共识节点收齐quorum个不同节点的状态相同的检查点后，共识节点的算法切换协议层将其组合构造为稳定检查点，作为本次变更操作的合法共识执行证据，同时用于记录共识集群当前共识状态；之后共识节点的算法切换协议层将该稳定检查点中包含的配置信息和共识状态信息传递给原共识算法层；
(4)共识节点根据算法切换协议层返回的相关信息，若需要切换算法，则切换相应算法并初始化新算法的共识初始状态；若需要变更共识集群，则只需更新共识集群相关的配置信息；然后，共识节点从配置变更状态切换到正常共识状态，继续推进新的共识流程；
(5)对于未完成共识算法切换或共识集群变更的落后节点，通过获取来自其他完成共识的节点的算法切换协议层的共识执行证据，即通过稳定检查点来同步状态，进而完成共识算法切换或共识集群变更，并参与到正常的共识流程中。
2.根据权利要求1所述的基于联盟链的支持动态集群变更的共识算法切换方法，其特征在于，算法切换协议层记录一个字段version用于标识当前的配置版本，每次配置变更完成后，无论是共识算法变更还是共识集群变更，都会使得该字段依次递增；所述检查点和稳定检查点中均应该包含该字段；且每个检查点和稳定检查点都有唯一的version值相对应；所述算法切换协议层中生成的稳定检查点应当包含quorum个节点的合法签名，用于证明该稳定检查点结构的合法性，稳定检查点结构中的共识状态信息需要包含新的配置信息，还包含其对应的配置区块的执行结果。
3.根据权利要求1所述的基于联盟链的支持动态集群变更的共识算法切换方法，其特征在于，当共识节点处于配置变更状态时，拒绝开始新的共识轮次，确保该配置区块是共识集群通过原配置共识的最后一个区块，即确保共识集群在配置变更前处于一个共同的状态；当共识节点处于正常共识状态时，则正常推进共识流程。
4.根据权利要求1所述的基于联盟链的支持动态集群变更的共识算法切换方法，其特征在于，落后节点获取到的共识执行证据包含至少一个稳定检查点，包含的稳定检查点的个数取决于落后节点的落后状态；若节点当前verion＝n，集群中正常节点version＝n+m，则共识执行证据中应当包含version＝n、version＝n+1···version＝n+m-1时对应的稳定检查点；落后节点将状态从version＝n更新至version＝n+1，再从version＝n+1更新至version＝n+2，以此类推，直到从version＝n+m-1更新至version＝n+m。
5.根据权利要求1所述的基于联盟链的支持动态集群变更的共识算法切换方法，其特征在于，共识节点间发送的每条共识消息都会附带version字段，用于标识共识节点所处的配置信息版本；假设某落后节点node-x处于version＝n,该节点会通过以下两种情况同步状态：
1)若node-x先收到来自正常节点的version＝N的共识消息，N>n，则主动发送消息，请求version＝n到version＝N的同步信息；
2)若正常节点先收到来自node-x的version＝n的共识消息，则主动发送version＝n到version＝N的同步信息，帮助恢复；
对于上述两种情况，node-x最终都会收到正常节点回复的version＝n至version＝N的若干稳定检查点，然后更新至最新配置，同步到version＝N，然后正常参与共识。
6.根据权利要求1所述的基于联盟链的支持动态集群变更的共识算法切换方法，其特征在于，对于version值连续的稳定检查点，其间若发生共识集群变更，通过将上一个稳定检查点中记录的新的共识集群配置信息与下一个稳定检查点中的共识集群签名列表相对应，形成一种可验证的链式共识执行证据，使得处于任意落后状态的节点都可以恢复到最新状态，从而使得当在区块链系统中发生过集群动态变更的情况下，也能保证切换算法操作的安全性。
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| CN116723200B (zh) * | 2023-08-11 | 2023-11-10 | 武汉趣链数字科技有限公司 | 集群变更方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质 |
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