CN116389149A - 一种基于声誉值的可扩展拜占庭容错共识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声誉值的可扩展拜占庭容错共识方法，首先基于sigmoid函数的声誉评估模型，通过节点参与度来量化节点声誉值；根据所述节点声誉值来确定各节点的不同身份，并由不同身份的节点构建不同的共识层；基于所构建的共识层进行共识过程，并设计节点动态加入机制用以满足系统扩展性需求。上述方法可以有效降低通信复杂度、提高共识效率，具有良好的可扩展性，能够满足实际数据存储和共享需求。

Description

一种基于声誉值的可扩展拜占庭容错共识方法

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及一种基于声誉值的可扩展拜占庭容错共识方法。

背景技术

区块链是一种去中心化、不可篡改、可追溯的分布式数据库系统，区块链技术融合了多种技术，比如P2P网络协议,块链结构、共识算法、非对称加密、智能合约。区块链技术在互不可信的多方之间架起了安全沟通的桥梁，按照区块链的部署类型，可以将其分为公共链和许可链，许可链又包括私有链和联盟链。公共链的去中心化程度最高，对接入网络的节点的操作没有特别限制，如比特币，以太坊等；而许可区块链会对参与网络的节点进行身份验证，符合要求的节点才能接入网络，如Hyperledger；联盟区块链可以看做是一个多中心的系统，而私有区块链是由一个节点来控制的。由于这些透明、可靠、安全的特性，区块链技术可以为医疗信息安全提供新的解决方案。

共识算法是区块链系统的核心机制，共识算法可以用来保障区块链中各节点的数据一致，促进数据在数据存储机构间达成共识，推动数据的安全共享。目前共识算法的数量很多，如RAFT、工作量证明算法(Proof of work，PoW)、权益证明算法(Proof of stake，PoS)、授权股份证明算法(Delegated proof of stake，DPoS)、实用拜占庭容错共识算法(Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT)等。RAFT主要用于私有链中，RAFT没有考虑系统中存在恶意节点的情况，无法解决拜占庭容错问题；PoW共识算法稳定性强，安全性高，容错能力强，但节点通过算力资源竞争主节点，造成了电力的大量消耗；PoS共识算法使用币龄作为权益进行竞争，减少了资源的浪费，但可能会因为币龄集中出现去中心化降低的问题；DPoS共识算法选举代表结点参与数据打包，减少了确认时间，提高了共识效率，但DPoS仍存在中心化的风险，且DPoS引入了21个超级节点，增加了数据管理系统的启动成本；PBFT共识算法不需要进行资源竞争，没有权益抵押，数据处理量较大，且启动成本较低，只需要4个以上节点便可以启动，但PBFT算法也存在许多不足，当节点数量增大时，PBFT算法的消息传递次数急剧增加，系统共识效率急剧下降，扩展性较差，而且主节点选取方式较为随意，若连续选取出的主节点为恶意节点，则将极大的影响系统的安全性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声誉值的可扩展拜占庭容错共识方法，该方法可以有效降低通信复杂度、提高共识效率，具有良好的可扩展性，能够满足实际数据存储和共享需求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于声誉值的可扩展拜占庭容错共识方法，所述方法包括：

步骤1、基于sigmoid函数的声誉评估模型，通过节点参与度来量化节点声誉值；

步骤2、根据所述节点声誉值来确定各节点的不同身份，并由不同身份的节点构建不同的共识层；

步骤3、基于所构建的共识层进行共识过程，并设计节点动态加入机制用以满足系统扩展性需求。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法可以有效降低通信复杂度、提高共识效率，具有良好的可扩展性，能够满足实际数据存储和共享需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于声誉值的可扩展拜占庭容错共识方法流程示意图；

图2为本发明实施例所述a＝0时的sigmoid函数示意图；

图3为本发明实施例节点角色及共识层的结构图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示为本发明实施例提供的基于声誉值的可扩展拜占庭容错共识方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、基于sigmoid函数的声誉评估模型，通过节点参与度来量化节点声誉值；

在该步骤中，节点声誉值可以直接反映节点的行为偏向，声誉好的节点行为更趋向诚实，声誉差的节点更易发生拜占庭行为，节点声誉值通过节点在系统中的参与程度来反映，节点积极参与与其他节点之间的事务往来，则说明该节点的声誉值高，其他节点也更愿意与其进行事务往来，反之则说明该节点的声誉值低；

节点之间的事务往来分为两种，一种是直接事务往来，一种是间接事务往来，在声誉评估模型中反映为直接参与度与间接参与度；其中，直接参与度DP：在直接进行事务交易的节点之间进行评估；间接参与度IP：在没有直接进行交易的节点之间进行评估；间接参与度与直接参与度有关，节点i的全局参与度T_i表示成T_i＝DP_i+IP_i；

在计算节点i的直接参与度DP_i时，如果节点i的直接事务节点集不是空集，则查询节点i与节点j的成功交易数量和失败交易数量，根据结果计算节点i与节点j之间的相互直接参与度DP_ij；最后节点i的直接参与度DP_i等于节点i的所有相互直接参与度DP_ij的和；

在计算节点i的间接参与度IP_i时，只考虑与节点i的交易路径为2的节点。交易路径大于2的节点，认为其对节点i的声誉评估影响度较小，如果节点i的直接事务节点集是空集，则节点i的间接参与度等于0；如果节点i的直接事务节点集不是空集，则查找是否存在一个中间节点既属于节点i的直接事务节点集，又属于节点j的直接事务节点集，如果存在，则节点i与j的相互间接参与度IP_ij＝1/n，n为节点总数；最后节点i的间接参与度IP_i等于节点i所有的相互间接参与度的和；

节点的声誉值是基于sigmoid函数计算得到的，sigmoid函数是一种S型的函数，具有良好的阈值性，可以更方便筛选声誉值更高的节点，sigmoid函数可以抑制好和坏两个极端方向，保障系统节点的稳定性，所述sigmoid函数的公式为

如图2所示为本发明实施例所述a＝0时的sigmoid函数示意图。

通过调节sigmoid函数的参数b来改变声誉评估的难度，控制参与共识的节点的数量和质量，参数a用于控制函数中心点，f(a)＝0.5，并设节点的初始声誉值R′＝a；

根据节点i的全局参与度T_i和初始声誉值R′，利用sigmoid函数得到节点i的声誉值R_i，表示为R_i＝sigmoid(R′+T_i)。

步骤2、根据所述节点声誉值来确定各节点的不同身份，并由不同身份的节点构建不同的共识层；

在该步骤中，所构建的共识层包括大共识层和小共识层，如图3所示为本发明实施例节点角色及共识层的结构图，小共识层由共识成员节点组成，大共识层由机构节点和主节点组成；两层的共识结构减少了机构间成员节点共识的过程，减少了共识过程中的消息传播数量，降低了算法复杂度；

首先定义四类节点，分别是主节点、机构节点、共识成员节点和普通成员节点；参与共识的节点由主节点、机构节点、共识成员节点组成，其中：

所述主节点由机构节点构成的主节点组随机选取产生，负责接收客户端请求并发起投票；所述机构节点由共识成员节点产生，在大共识层中参与共识并构称主节点组，在小共识层中充当主节点；所述共识成员节点为声誉值高的成员节点，参与小共识；所述普通成员节点是不参与共识的普通节点；

其中，将同属于一个机构的节点划分到同一节点集合中，如果节点i属于机构K，则将节点i放入节点集InstNodes_k中；

所述共识成员节点的确定过程为：如果节点i的声誉值R_i≥0.8，则将节点i划分到所属机构的共识成员节点集合ConNodes_k中；否则划分到非共识节点集合NonConNodes_k中；

所述机构节点的确定过程为：首先根据声誉值对机构K内的所有共识成员节点进行排序；如果节点i的声誉值排在第一位，则将节点i定义为机构K的机构节点OrgNode_k；

通过对各节点身份的划分完成共识层的构建，由机构节点构建大共识层；除去主节点和机构节点之外的参与共识的成员节点构成小共识层。

具体实现中，这些节点并不像PBFT中的节点全部参与共识，参与共识的节点主要由主节点、机构节点、共识成员节点组成，这样参与共识的节点数量减少，加速了共识进程，降低了算法的复杂度，此外这三类节点都是由声誉评估模型选择的声誉值较高的节点，减少了参与共识的拜占庭节点数量，增加了系统的稳健性。

另外，为防止主节点的拜占庭行为，改进了主节点的选取方式，主节点由主节点组中的节点轮流当选，且所述主节点组由声誉值高的节点组成。如果主节点发生拜占庭行为，将由主节点组中的下一个节点担任主节点，而不是触发视图切换协议，由此来降低视图切换协议带来的额外开销。

步骤3、基于所构建的共识层进行共识过程，并设计节点动态加入机制用以满足系统扩展性需求。

在该步骤中，共识过程包括大共识过程和小共识过程，两个共识过程总共9个共识阶段，具体为：

请求阶段，客户端向主节点发送一条请求消息

其中，o是一个状态机操作；t是当前的时间戳；c是客户端的标识符；σ_m为对消息m的签名；

大共识层预准备阶段，主节点对收到的消息进行检查和处理，然后向机构节点广播一条预准备消息

其中，v是视图编号；n表示主节点为该请求分配的序号；d是消息m的摘要；σ_p为主节点的签名；每个机构节点接收消息并进行验证，验证通过后，进入小共识层预准备阶段；

小共识层预准备阶段，机构节点向所属小共识层的共识成员节点广播预准备消息

i为当前发送消息节点的标识，σ_i为当前节点的签名；小共识层的共识成员节点收到消息后，对消息签名σ_i进行验证，一旦验证通过，共识成员节点将接受请求并进入小共识层准备阶段；

小共识层准备阶段，共识成员节点向彼此广播准备消息，并接受其他不同共识成员节点的准备消息，准备消息为

当每个共识成员节点获得2f₁+1条有效的准备消息时，小共识层准备阶段就完成了，其中f₁是本机构中拜占庭节点的数量；

小共识层确认阶段，此时每个共识成员节点都向其他不同共识成员节点广播一个确认消息以进行验证，即

当每个共识成员节点已经接收了2f₁+1个确认消息且与预准备消息一致时，则小共识层确认阶段结束；

小共识层回复阶段，各共识成员节点向本机构的机构节点发送回复消息

当本机构的机构节点收到了f₁+1条不同共识成员节点发送的相同回复消息时，则小共识阶段完成，进入大共识层准备阶段；

大共识层准备阶段，每个机构节点向其他机构节点广播准备消息，并接受其他机构节点的准备消息，即

当每个机构节点获得2f₂+1条有效的准备消息时，大共识层准备阶段就完成了；其中，f₂是大共识层中拜占庭节点的数量；

大共识层确认阶段，每个机构节点都向其他机构节点广播一个确认消息以进行验证，即

当每个机构节点接收了2f₂+1个确认消息且与预准备消息一致时，则大共识层确认阶段结束；

大共识层回复阶段，每个机构节点向客户端发送回复消息，即

其中，r是操作结果；当客户端收到了f₂+1条不同机构节点发送的相同回复消息时，表示请求执行成功，达成最终共识。

另外，所述节点动态加入机制具体为：

新节点在加入时首先选择自己的所属机构，而后在所属机构内部共识成员节点之间完成加入请求，不需要进行全网节点验证，大大降低了节点加入时的通信复杂度，具体包括5个阶段：

加入请求阶段，新节点向所属机构的所有共识成员节点发送一条加入请求消息

其中，t是当前的时间戳；j是新节点标识；PK为新节点的公钥；σ_j为新节点的签名；

加入阶段，所属机构内的共识成员节点收到消息后，对新节点身份进行检查和验证，新节点身份通过验证后，共识成员节点广播一条加入消息

其中，v是视图编号；h是已知的最近的一个稳定检查点的编号；C是一个集合，其中包括2f+1条有效的检查点信息；i为当前节点的标识；σ_i为当前节点的签名；f是该机构内拜占庭节点的数量；

视图转换阶段，当所属机构的机构节点收到2f+1条有效的加入消息时，该机构节点向大共识层发送View_Change消息，触发大共识层视图转换；

新视图阶段，所属机构的机构节点向新节点和所属机构内的其他共识成员节点广播一条消息，即

其中D是2f+1条有效的View_Change消息；O是预准备消息的集合；所属机构内的共识成员节点验证通过后，将新节点j添加到系统中；

加入回复阶段，所属机构内的共识成员节点向新节点j发送加入回复消息，即

其中，p包含一组与集合O中的消息相关的客户端请求，以便新节点j在新视图中处理这些请求；如果新节点j接收到f+1条有效的Join_Reply消息，则开始参与共识，节点加入完成。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述方法具有如下优点：

1)本发明提出了基于sigmoid函数的声誉评估模型，通过该模型对节点声誉值进行量化，缩小参与共识节点数量，提高共识效率，同时通过调节函数参数，达到难度可调的功能，实现对系统中参与共识的节点数量的动态控制；

2)本发明定义了四种节点角色，构建双共识层结构，减少了机构间成员节点共识的过程，减少了共识过程中的消息传播数量，降低了算法复杂度；

3)本发明设计节点动态加入机制，提高系统灵活性和可扩展性；改进了主节点的选取方式，提高系统的安全性，降低视图切换协议的触发概率，减少由此带来的额外开销。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，相应的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种基于声誉值的可扩展拜占庭容错共识方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、基于sigmoid函数的声誉评估模型，通过节点参与度来量化节点声誉值；

步骤2、根据所述节点声誉值来确定各节点的不同身份，并由不同身份的节点构建不同的共识层；

步骤3、基于所构建的共识层进行共识过程，并设计节点动态加入机制用以满足系统扩展性需求。

2.根据权利要求1所述基于声誉值的可扩展拜占庭容错共识方法，其特征在于，在步骤1中，节点声誉值通过节点在系统中的参与程度来反映，节点积极参与与其他节点之间的事务往来，则说明该节点的声誉值高；反之则说明该节点的声誉值低；

节点之间的事务往来分为两种，一种是直接事务往来，一种是间接事务往来，在声誉评估模型中反映为直接参与度与间接参与度；其中，直接参与度DP：在直接进行事务交易的节点之间进行评估；间接参与度IP：在没有直接进行交易的节点之间进行评估；节点i的全局参与度T_i表示成T_i＝DP_i+IP_i；

在计算节点i的直接参与度DP_i时，如果节点i的直接事务节点集不是空集，则查询节点i与节点j的成功交易数量和失败交易数量，根据结果计算节点i与节点j之间的相互直接参与度DP_ij；最后节点i的直接参与度DP_i等于节点i的所有相互直接参与度DP_ij的和；

在计算节点i的间接参与度IP_i时，如果节点i的直接事务节点集是空集，则节点i的间接参与度等于0；如果节点i的直接事务节点集不是空集，则查找是否存在一个中间节点既属于节点i的直接事务节点集，又属于节点j的直接事务节点集；如果存在，则节点i与j的相互间接参与度IP_ij＝1n，n为节点总数；最后节点i的间接参与度IP_i等于节点i所有的相互间接参与度的和；

节点声誉值是基于sigmoid函数计算得到的，所述sigmoid函数的公式为

通过调节sigmoid函数的参数b来改变声誉评估的难度，控制参与共识的节点的数量和质量；参数a用于控制函数中心点，f(a)＝0.5，并设节点的初始声誉值R′＝a；

根据节点i的全局参与度T_i和初始声誉值R′，利用sigmoid函数得到节点i的声誉值R_i，表示为R_i＝sigmoid(R′+T_i)。

3.根据权利要求1所述基于声誉值的可扩展拜占庭容错共识方法，其特征在于，在步骤2中，所构建的共识层包括大共识层和小共识层，小共识层由共识成员节点组成，大共识层由机构节点和主节点组成；

首先定义四类节点，分别是主节点、机构节点、共识成员节点和普通成员节点；参与共识的节点由主节点、机构节点、共识成员节点组成，其中：

所述主节点由机构节点构成的主节点组随机选取产生，负责接收客户端请求并发起投票；所述机构节点由共识成员节点产生，在大共识层中参与共识并构称主节点组，在小共识层中充当主节点；所述共识成员节点为声誉值高的成员节点，参与小共识；所述普通成员节点是不参与共识的普通节点；

其中，将同属于一个机构的节点划分到同一节点集合中，如果节点i属于机构K，则将节点i放入节点集InstNodes_k中；

所述共识成员节点的确定过程为：如果节点i的声誉值R_i≥0.8，则将节点i划分到所属机构的共识成员节点集合ConNodes_k中；否则划分到非共识节点集合NonConNodes_k中；

所述机构节点的确定过程为：首先根据声誉值对机构K内的所有共识成员节点进行排序；如果节点i的声誉值排在第一位，则将节点i定义为机构K的机构节点OrgNode_k；

通过对各节点身份的划分完成共识层的构建，由机构节点构建大共识层；除去主节点和机构节点之外的参与共识的成员节点构成小共识层。

4.根据权利要求3所述基于声誉值的可扩展拜占庭容错共识方法，其特征在于，为防止主节点的拜占庭行为，改进了主节点的选取方式，主节点由主节点组中的节点轮流当选，且所述主节点组由声誉值高的节点组成。

5.根据权利要求3所述基于声誉值的可扩展拜占庭容错共识方法，其特征在于，在步骤3中，共识过程包括大共识过程和小共识过程，两个共识过程总共9个共识阶段，具体为：

请求阶段，客户端向主节点发送一条请求消息

其中，o是一个状态机操作；t是当前的时间戳；c是客户端的标识符；σ_m为对消息m的签名；

大共识层预准备阶段，主节点对收到的消息进行检查和处理，然后向机构节点广播一条预准备消息

其中，v是视图编号；n表示主节点为该请求分配的序号；d是消息m的摘要；σ_p为主节点的签名；每个机构节点接收消息并进行验证，验证通过后，进入小共识层预准备阶段；

小共识层预准备阶段，机构节点向所属小共识层的共识成员节点广播预准备消息

i为当前发送消息节点的标识，σ_i为当前节点的签名；小共识层的共识成员节点收到消息后，对消息签名σ_i进行验证，一旦验证通过，共识成员节点将接受请求并进入小共识层准备阶段；

小共识层准备阶段，共识成员节点向彼此广播准备消息，并接受其他不同共识成员节点的准备消息，准备消息为

当每个共识成员节点获得2f₁+1条有效的准备消息时，小共识层准备阶段就完成了，其中f₁是本机构中拜占庭节点的数量；

小共识层确认阶段，此时每个共识成员节点都向其他不同共识成员节点广播一个确认消息以进行验证，即

当每个共识成员节点已经接收了2f₁+1个确认消息且与预准备消息一致时，则确认阶段结束；

小共识层回复阶段，各共识成员节点向本机构的机构节点发送回复消息

当本机构的机构节点收到了f₁+1条不同共识成员节点发送的相同回复消息时，则小共识阶段完成，进入大共识层准备阶段；

大共识层准备阶段，每个机构节点向其他机构节点广播准备消息，并接受其他机构节点的准备消息，即

当每个机构节点获得2f₂+1条有效的准备消息时，大共识层准备阶段就完成了；其中，f₂是大共识层中拜占庭节点的数量；

大共识层确认阶段，每个机构节点都向其他机构节点广播一个确认消息以进行验证，即

当每个机构节点接收了2f₂+1个确认消息且与预准备消息一致时，则大共识层确认阶段结束；

大共识层回复阶段，每个机构节点向客户端发送回复消息，即

其中，r是操作结果；当客户端收到了f₂+1条不同机构节点发送的相同回复消息时，表示请求执行成功，达成最终共识。

6.根据权利要求1所述基于声誉值的可扩展拜占庭容错共识方法，其特征在于，在步骤3中，所述节点动态加入机制具体为：

新节点在加入时首先选择自己的所属机构，而后在所属机构内部共识成员节点之间完成加入请求，不需要进行全网节点验证，具体包括5个阶段：

加入请求阶段，新节点向所属机构的所有共识成员节点发送一条加入请求消息

其中，t是当前的时间戳；j是新节点标识；PK为新节点的公钥；σ_j为新节点的签名；

加入阶段，所属机构内的共识成员节点收到消息后，对新节点身份进行检查和验证，新节点身份通过验证后，共识成员节点广播一条加入消息

其中，v是视图编号；h是已知的最近的一个稳定检查点的编号；C是一个集合，其中包括2f+1条有效的检查点信息；i为当前节点的标识；σ_i为当前节点的签名；f是该机构内拜占庭节点的数量；

视图转换阶段，当所属机构的机构节点收到2f+1条有效的加入消息时，该机构节点向大共识层发送View_Change消息，触发大共识层视图转换；

新视图阶段，所属机构的机构节点向新节点和所属机构内的其他共识成员节点广播一条消息，即

其中D是2f+1条有效的View_Change消息；O是预准备消息的集合；所属机构内的共识成员节点验证通过后，将新节点j添加到系统中；

加入回复阶段，所属机构内的共识成员节点向新节点j发送加入回复消息，即

其中，P包含一组与集合O中的消息相关的客户端请求，以便新节点j在新视图中处理这些请求；如果新节点j接收到f+1条有效的Join_Reply消息，则开始参与共识，节点加入完成。

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