CN116614516A - 基于声誉改进的pbft共识方法 - Google Patents

基于声誉改进的pbft共识方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于声誉改进的PBFT共识方法，包括以下步骤：在联盟链中根据综合实力和社会信誉对各节点分配初始声誉值，选取声誉值高的节点作为候选节点，剩余节点为普通节点，并选取候选节点中声誉最高的节点为主节点；在一个共识阶段内进行多轮共识；记录每个节点在当前共识阶段中做出正确判断的轮数以及一个共识阶段内的总轮数；根据声誉值更新规则计算每个节点的声誉值，对节点的声誉进行更新；取上一轮共识阶段中的最小声誉作为本轮的声誉阈值，将低于声誉阈值的节点驱逐；根据更新后的声誉值，重新划分节点类型，进行下一阶段的共识。本发明能够降低通信复杂度，提高共识效率，降低恶意节点带来的影响。

Description

基于声誉改进的PBFT共识方法
技术领域
本发明涉及一种区块链共识技术，具体地说是一种基于声誉改进的PBFT共识方法。
背景技术
区块链技术的诞生是为了应对现有中心化体系所带来的资源垄断等问题，其本质是一种去中心化的分布式账本数据库，具有去中心化、防篡改、可追溯等特点，是P2P网络，共识机制，加密算法，智能合约等多种技术的组合。根据节点的准入机制不同，区块链一般分为公有链、私有链和联盟链，公有链是完全开放去中心化的系统，任何节点都可以自由地加入或退出。联盟链和私有链都需要经身份验证和授权才能进入网络，不同的是，私有链只应用于企业或组织内部，而联盟链一般应用于企业或组织之间，由多家企业或组织共同维护以实现合作，在需多方协作的供应链场景中得到了更广泛地应用。
共识算法作为区块链系统的核心组件，可以使节点通过一定的规则保持数据的一致性，在维护区块链的效率和安全方面起着至关重要的作用。典型的区块链共识算法大致可分为证明类共识算法(如PoW、PoS、DPoS)和拜占庭共识算法，对于已知每个参与者身份的联盟链，拜占庭共识算法是首选技术。拜占庭错误允许节点通过任意行为进行攻击，顾名思义，拜占庭共识算法讨论的是在拜占庭情况下系统如何达成共识。
PBFT算法是一种基于状态机副本复制的分布式算法，因能够解决拜占庭问题而得到广泛应用。基于少数节点服从多数节点的原则，主节点发起提议其他节点进行确认，当超过三分之二的节点确认时，该提议被通过，每个状态机副本保存服务状态，从而实现用户的合法请求。PBFT算法在保证系统安全性和可靠性的前提下提供了(n-1)*3的容错性(n为系统中的节点总数)，即允许系统至多存在1*3的失效节点。然而传统的PBFT中存在节点的选取简单，通信复杂度高，缺乏行为反馈机制等问题，不适应于大规模的动态网络。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于声誉改进的PBFT共识方法，以解决现有PBFT共识方法系统安全性差且通信复杂度高的问题。
本发明是这样实现的：一种基于声誉改进的PBFT共识方法，包括以下步骤。
a.在联盟链中根据综合实力和社会信誉对各节点分配初始声誉值。
b.将所有节点按照声誉值高低排序，选取声誉值高的节点作为候选节点，剩余节点为普通节点，并选取候选节点中声誉最高的节点为主节点，确定不同类型节点的声誉值更新规则；
c.在一个共识阶段内进行多轮共识。
d.记录每个节点在当前共识阶段中做出正确判断的轮数以及一个共识阶段内的总轮数。
e.根据声誉值更新规则计算每个节点的声誉值，对节点的声誉进行更新。
f.取上一轮共识阶段中的最小声誉作为本轮的声誉阈值，将低于声誉阈值的节点驱逐。
g.根据更新后的声誉值，重新划分节点类型，进行下一阶段的共识。
节点的声誉更新规则为：
RT＝βRT-1+(1-β)ST
其中，RT是节点更新后的声誉值，RT-1是节点上一共识阶段的声誉值，ST是节点在当前共识阶段中的行为分数，β为可调节参数，处于0-1之间；
其中，tsucc为节点在一个共识阶段中做出正确判断的轮数，t为一个共识阶段内的总轮数。
对于不同类型的节点选取不同的β值，普通节点的β值>候选节点的β值>主节点的β值。
步骤c中的共识过程包括：
主节点收到客户端的请求消息后，经验证后将消息发送到系统中的所有节点；
节点收到消息后对消息进行验证，并将自身对消息的判断提交到主节点；
当主节点收到至少2f+1个来自不同节点的消息时，根据节点的判断对该消息进行最终判断，并将最终判断结果返回给系统中的所有节点，f表示系统中拜占庭节点的个数；
节点收到主节点的最终判断消息，对该消息进行响应，包括主节点在内将响应结果返回至客户端，当客户端收到f+1个相同的响应消息时表示达成共识。
将联盟链中各节点按照综合实力和社会声誉进行排序，将前1/3的节点按顺序为其在[0.8-1)之间随机分配声誉值，这些节点为候选节点，候选节点中声誉值最高的节点作为主节点，剩余的节点按顺序在(0-0.8)之间随机分配声誉值，这些节点为普通节点。
若候选节点中出现多个声誉值最高且相等的节点，则选取其中计算能力最强的节点作为主节点。
本发明提供了一种基于声誉改进的PBFT共识方案。根据节点在共识阶段的行为，计算节点的声誉值并选择主节点，解决节点选取简单，缺乏行为反馈机制的问题。同时基于声誉评估机制，对一致性协议进行优化，降低通信复杂度，提高共识效率，降低恶意节点带来的影响。
附图说明
图1为本发明基于声誉改进的PBFT共识方法的流程图。
图2为传统PBFT的共识过程图。
图3为本发明提供的共识过程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明为一种基于声誉改进的PBFT共识方法，具体包括以下步骤。
a.对联盟链中的各节点的声誉进行初始化：依赖于联盟链的身份验证机制，将链中各节点按照综合实力和社会声誉进行排序，并对各节点分配初始声誉值。
具体地，将前1/3的节点按顺序为其在[0.8-1)之间随机分配声誉值，剩余节点按序在(0-0.8)之间随机分配声誉值。其中，节点声誉值的分配比例和分配范围可以按需要选择。
b.划分节点：在完成各节点声誉的初始化后，依据声誉值对节点类型进行划分。将所有节点按照声誉值高低排序，选取声誉值高的节点作为候选节点，剩余节点为普通节点，并选取候选节点中声誉最高的节点为主节点，确定不同类型节点的声誉值更新规则。
具体地，本发明采用前述节点声誉初始化的规则，即选取声誉值前1/3的节点作为候选节点参与共识，剩余节点作为普通节点参与共识过程。其中，节点类型的划分比例可以根据需要调整。
由于候选节点都为高声誉节点，在近期共识中表现诚实，在此类节点中选取主节点能极大提升系统的稳定性。
若候选节点中出现多个声誉值最高且相等的节点，则选取其中计算能力最强的节点作为主节点。
节点的声誉更新规则为：
RT＝βRT-1+(1-β)ST
其中，RT是节点更新后的声誉值，RT-1是节点上一共识阶段的声誉值，ST是节点在当前共识阶段中的行为分数，β为可调节参数，处于0-1之间；
其中，tsucc为节点在一个共识阶段中做出正确判断的轮数，t为一个共识阶段内的总轮数；
对于不同类型的节点选取不同的β值，普通节点的β值>候选节点的β值>主节点的β值。
c.在一个共识阶段内进行多轮共识。
其中，共识过程具体包括：
主节点收到客户端的请求消息后，将消息发送到系统中的所有节点<<BROADCAST,T,d>σp>，其中T是共识阶段编号，d是客户端请求消息的摘要，σp是主节点对消息的签名。
节点收到消息后对消息进行验证，并将自身对消息的判断提交到主节点<<COMMIT,T,d,i,judgementi>σi>，其中i是节点编号，judgementi是节点的判断结果，σi是节点对提交消息的签名。
当主节点收到至少2f+1个来自不同节点的消息时，根据节点的判断对该消息进行最终判断，并将最终判断结果返回给系统中的所有节点<<REPLY1,T,d,judgementfinal，judgementL>σp>，其中judgementfinal是主节点的最终判断结果，judgementL是节点的判断结果列表。
节点收到主节点的最终判断消息，对该消息进行响应，包括主节点在内将响应结果返回至客户端<<REPLY2,T,r,i,judgementfinal>σ>，其中r是节点的响应结果，σ是节点对消息的签名。当客户端收到f+1个相同的响应消息时表示达成共识。f表示系统中拜占庭节点的个数。
d.记录每个节点在当前共识阶段中做出正确判断的轮数以及一个共识阶段内的总轮数。
e.根据声誉值更新规则计算每个节点的声誉值，对节点的声誉进行更新。
例如，取普通节点的β值为0.5，候选节点的β值为0.4，主节点的β值为0.3，完成一轮共识阶段后，普通节点的声誉值为：
候选节点的声誉值：
主节点的声誉值：
由上述三个式子可知，声誉越高的节点其历史声誉的的影响因子越小，其声誉值更依赖于本共识阶段的表现，使得高声誉节点作恶后声誉值降低得更多，同时可以防止系统内节点的声誉差过大。
各个节点的声誉值与其在本共识阶段各轮共识中的表现相关，以候选节点为例，其声誉值为：
假设一个共识阶段为5轮共识，候选节点在本共识阶段中表现诚实，即每一轮都表现诚实，则：
若候选节点在本共识阶段中并非完全诚实，比如有4轮共识中表现诚实，则：
若候选节点在本共识阶段中是恶意的，在5轮共识中都不诚实，则
由上述公式可知其声誉值将大幅度降低。
f.取上一轮共识阶段中的最小声誉作为本轮的声誉阈值，将低于声誉阈值的节点从系统中驱逐。
g.根据更新后的声誉值，重新划分节点类型，进行下一阶段的共识。
本发明通过指数加权平均公式计算声誉值，考虑了历史声誉和本阶段的共识表现两个方面。
对于历史声誉，考虑到历史声誉对声誉值计算的影响，即节点历史行为的参考意义随着轮数的迭代而减小，可以把β视作时间衰减因子，将节点的声誉更新规则公式进行变形：
其中，βT-k是呈指数衰减的函数，由此可知，本共识阶段的声誉值等于历史的行为分数乘以随时间变化的权重求和。因此，节点距离当前越久的行为被赋予较小的权重，距离当前越近的行为被赋予较大的权重。
对于本阶段的共识表现，本阶段的共识表现即为节点成功参与共识的次数，由节点的声誉更新规则公式可知，节点的表现越差，其声誉更新的幅度越大，这使得恶意节点的声誉快速降低。节点本阶段的共识表现相比于历史声誉占据更大的比重，避免系统的集中化。
此外，声誉值R约等于轮行为分数的平均，当β越大，意味着对更多轮的行为分数做了平均处理，即是在一个更大的时间窗口内计算声誉，由此声誉值会适应得更加缓慢。而在β的值较小时，即在很小的时间窗口内计算声誉值，得到的结果更容易受到最近几轮共识表现的影响，声誉值会适应得更加“敏感”。
所以节点的声誉受到历史声誉以及本阶段共识中表现的共同影响，这需要节点在系统中的长期良好表现，因此可有效地抵制节点恶意/惰性投票行为，女巫攻击以及共谋攻击，特别是高声誉节点间的共谋攻击：相比于普通节点而言，高声誉节点(候选节点)的本轮表现在声誉计算中占据更大的比重，因此高声誉节点作恶其声誉值下降的幅度更大。且在每轮共识阶段结束后对异常声誉值的节点进行排除，这些异常声誉值可以通过设置阈值来检测，而声誉阈值也是基于历史声誉计算的，使得恶意节点的目的因欺骗成本过高而难以实现。
相对于传统的PBFT的共识过程，本发明根据声誉值动态划分节点类型，保证主节点选取过程的安全性，降低恶意节点成为主节点的可能性，设置声誉阈值来识别和驱逐恶意用户，防止恶意节点占据资源。
由于筛选出诚实的节点参与共识，对一致性协议进行简化，能够降低共识过程中的通信复杂度，提高共识效率。
如图2所示，传统的PBFT的共识过程如下：
预准备阶段：主节点收到客户端的请求消息后，将消息发送到系统中的所有节点。
准备阶段：节点接收到预准备消息进行验证，之后向系统中的所有节点发送准备消息，同时接收来自其他节点的准备消息，当收到至少2f+1个准备消息后，进入提交阶段。f表示系统中拜占庭节点的个数。
提交阶段：节点向包括主节点在内的其他节点发送确认消息。
回复阶段：当节点收到至少2f+1个确认消息后向客户端发送回复消息，当客户端收到f+1个消息时表示达成共识。
本发明基于传统的PBFT，在引入了声誉评估机制后，降低了主节点为恶意节点的概率，同时声誉反馈机制动态调整系统中节点的可信程度，将声誉低于阈值的恶意节点从系统中驱逐，因此参与共识过程的节点大概率为诚实节点，如图3所示，可以把共识过程简化如下：
主节点收到客户端的请求消息后，将消息发送到系统中的所有节点<<BROADCAST,T,d>σp>，其中T是共识阶段编号，d是客户端请求消息的摘要，σp是主节点对消息的签名。
节点收到消息后对消息进行验证，并将自身对消息的判断提交到主节点<<COMMIT,T,d,i,judgementi>σi>，其中i是节点编号，judgementi是节点的判断结果，σi是节点对提交消息的签名。
当主节点收到至少2f+1个来自不同节点的消息时，根据节点的判断对该消息进行最终判断，并将最终判断结果返回给系统中的所有节点<<REPLY1,T,d,judgementfinal，judgementL>σp>，其中judgementfinal是主节点的最终判断结果，judgementL是节点的判断结果列表。
节点收到主节点的最终判断消息，对该消息进行响应，包括主节点在内将响应结果返回至客户端<<REPLY2,T,r,i,judgementfinal>σ>，其中r是节点的响应结果，σ是节点对消息的签名。当客户端收到f+1个相同的响应消息时表示达成共识。
在传统PBFT中，如图2所示，节点之间的通信主要存在于三个阶段：预准备、准备和提交。
在预准备阶段，主节点向其他节点发送预准备消息，其通信次数为N-1；在准备阶段，节点接收到消息验证后，将准备消息广播至其他所有节点，其通信次数为(N-1)2；最后，节点接收到准备消息验证后，将提交消息广播至其他所有节点，其通信次数为N(N-1)。
所以在传统的PBFT共识过程中，总的通信次数为(N-1)+(N-1)2+N(N-1)，因此传统PBFT的通信复杂度为O(n2)。而随着系统中节点数目的增加，消息呈爆炸式增长，这使得共识过程中的通信消耗迅速增多，共识效率显著降低。
如图3所示，在本发明中节点间的通信主要来自主节点和其他节点之间发送消息的过程，即主节点向其他节点发送消息和其他节点向主节点返回消息，是一对多和多对一的通信过程。因此，本发明的通信复杂度为O(n)，在保障系统安全的前提下，大大降低了节点间的通信开销。

Claims (5)

1.一种基于声誉改进的PBFT共识方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.在联盟链中根据综合实力和社会信誉对各节点分配初始声誉值；
b.将所有节点按照声誉值高低排序，选取声誉值高的节点作为候选节点，剩余节点为普通节点，并选取候选节点中声誉最高的节点为主节点，确定不同类型节点的声誉值更新规则；
c.在一个共识阶段内进行多轮共识；
d.记录每个节点在当前共识阶段中做出正确判断的轮数以及一个共识阶段内的总轮数；
e.根据声誉值更新规则计算每个节点的声誉值，对节点的声誉进行更新；
f.取上一轮共识阶段中的最小声誉作为本轮的声誉阈值，将低于声誉阈值的节点驱逐；
g.根据更新后的声誉值，重新划分节点类型，进行下一阶段的共识。
2.根据权利要求1所述的基于声誉改进的PBFT共识方法，其特征在于，节点的声誉更新规则为：
RT＝PRT-1+(1-β)ST
其中，RT是节点更新后的声誉值，RT-1是节点上一共识阶段的声誉值，ST是节点在当前共识阶段中的行为分数，β为可调节参数，处于0-1之间；
其中，tsucc为节点在一个共识阶段中做出正确判断的轮数，t为一个共识阶段内的总轮数；
对于不同类型的节点选取不同的β值，普通节点的β值>候选节点的β值>主节点的β值。
3.根据权利要求1所述的基于声誉改进的PBFT共识方法，其特征在于，步骤c中的共识过程包括：
主节点收到客户端的请求消息后，经验证后将消息发送到系统中的所有节点；
节点收到消息后对消息进行验证，并将自身对消息的判断提交到主节点；
当主节点收到至少2f+1个来自不同节点的消息时，根据节点的判断对该消息进行最终判断，并将最终判断结果返回给系统中的所有节点，f表示系统中拜占庭节点的个数；
节点收到主节点的最终判断消息，对该消息进行响应，包括主节点在内将响应结果返回至客户端，当客户端收到f+1个相同的响应消息时表示达成共识。
4.根据权利要求1所述的基于声誉改进的PBFT共识方法，其特征在于，将联盟链中各节点按照综合实力和社会声誉进行排序，将前1/3的节点按顺序为其在[0.8-1)之间随机分配声誉值，这些节点为候选节点，候选节点中声誉值最高的节点作为主节点，剩余的节点按顺序在(0-0.8)之间随机分配声誉值，这些节点为普通节点。
5.根据权利要求4所述的基于声誉改进的PBFT共识方法，其特征在于，若候选节点中出现多个声誉值最高且相等的节点，则选取其中计算能力最强的节点作为主节点。
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