CN116962449A - 一种面向物联网系统的改进共识算法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种面向物联网系统的改进共识算法，将物联网设备的位置信息与时间信息作为评价诚信设备的条件，使用改进的双层PBFT共识算法，并创新激励机制，降低了底层恶意设备攻击的可能性，提高了系统的吞吐量。该机制首先根据边缘服务器的位置信息对设备进行分组，使用GeoHash(Geographical Hash,GeoHash)协议创建设备的位置定时器，根据定时器的可信时间遴选出诚信设备；其次基于边缘服务器的信用值生成两层网络，并行开展共识，分解共识任务；最后引入基于Token的信用评价机制，激励边缘服务器规范共识行为。

Description

一种面向物联网系统的改进共识算法
技术领域
本发明涉及物联网区块链技术领域，具体为一种面向物联网系统的改进共识算法。
背景技术
随着网络通信技术的发展，物联网设备，包括各种传感器、智能设备等，能够通过不同的网络通信方式，能够高效实现远程控制和数据共享，推动了物联网的普及。现今，物联网已经在诸多领域取得了长足发展，包括制造业、能源行业、医保行业等。但是，物联网技术仍有很多的问题亟待解决。例如，物联网设备的数据安全性等级较低，容易成为各种攻击的对象。目前，Sybil attack攻击是常见的物联网设备攻击。此外，传统的物联网系统通常采用中心服务器进行数据处理，这使得系统内物联网设备的连通性较弱，设备间通信的安全性较低。此外，数据隐私也是物联网系统需要面对的一个难题。
区块链本质上是一种分布式的数据库技术，利用密码学、点对点通信、共识算法等多项技术来解决现有中心化机制存在的数据垄断问题和数据安全问题，共同维护全网数据的有效性和安全性，已在车联网、智慧医疗等领域展开应用，在未来物联网系统的建设中具有更广阔的应用前景。针对基于区块链的物联网系统存在通信复杂度高、系统吞吐量低、物联网设备易受攻击等问题，本文提出一种基于可信位置和时间的双层拜占庭容错共识算法，即CBFT 共识算法。通过将物联网系统构建在一个分布式、多层次的区块链共识算法模型上，提高物联网设备参与共识的效率，减少共识过程的通信次数，增加系统整体的数据吞吐量
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于位置和时间的可信双层PBFT共识算法(Credible- location-and-time-based Byzantine Fault Tolerant Algorithm，CBFT)，该共识首先根据边缘服务器的位置信息对设备进行分组，使用GeoHash(GeographicalHash,GeoHash)协议创建设备的位置定时器，根据定时器的可信时间遴选出诚信设备；其次基于边缘服务器的信用值生成两层网络，并行开展共识，分解共识任务；最后引入基于Token的信用评价机制，激励边缘服务器规范共识行为。
一种基于位置和时间的可信双层PBFT共识算法，包括以下几个步骤：
(1)边缘服务器根据物联网设备所发送的位置与时间戳信息遴选出诚信设备；
(2)边缘服务器对诚信设备发送的交易进行双层共识；
(3)通过激励的方式，规范边缘服务器的共识行为；
附图说明
图1为本发明的处理流程图。
图2为共识过程图。
图3为本发明与PBFT的共识响应时延对比图。
图4为本发明在不同数量物联网设备下的共识响应时延图。
图5为本发明与PBFT的共识耗时对比图
图6为本发明与PBFT的系统吞吐量对比图
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步的说明。
本发明涉及物联网区块链技术领域，具体为一种面向物联网系统的改进共识算法，如图1所示。一种面向物联网系统的改进共识算法包括以下步骤：
(1)初始阶段：根据边缘服务器的位置信息对设备进行分组，使用GeoHash(Geographical Hash,GeoHash)协议创建设备的位置定时器，根据定时器的可信时间遴选出诚信设备；
(2)共识阶段：基于边缘服务器的信用值生成两层网络，并行开展共识，分解共识任务；
(3)激励阶段：引入基于Token的信用评价机制，激励边缘服务器规范共识行为。
初始阶段：初始阶段包括预分配和遴选两个部分。首先为每个强节点分配密钥，分配初始信用币等。并根据GeoHash(Geographical Hash,GeoHash)协议将所有的强节点划分成k 个子集合。GeoHash编码长度越长所表示的位置越精确，两个编码的相似相似度越高代表两个位置离得越近。最后，各个子集合中Token最多的节点被选为子集合中的全节点。由此，边缘计算层构成一个双层多中心化的网络结构。遴选时，根据边缘服务器的工作特性，轻节点在规定时间内发送一定数量的位置信息和时间戳信息给距离近的强节点，形成以强节点为中心、四周分布着轻节点的从集合。从集合中的强节点根据轻节点发送的GeoHash和时间戳，生成位置定时器列表(Locational Clock，LC)，通过位置定时器对从集合中的轻节点进行遴选，挑选出诚信节点，参与共识过程。经过初始阶段，轻节点通过遴选被分为k个子集合，每个集合中都具有一个强节点，强节点组成的每个子集合中都有一个信用值最高即Token最多的全节点，为共识做好了准备。
共识阶段：共识阶段分为八个步骤。pre-prepare：集合中的强节点向子集合内其它节点包括全节点发送预准备消息，消息格式为所有节点接收到预准备消息并验证通过后，进入J-prepare阶段。J-prepare：强节点将验证通过的交易以准备消息的形式向子集合内其它强节点进行广播，准备消息格式为/> 同时，该强节点接收子集合内其它强节点的准备消息。当所有强节点收到的准备消息的数量超过2numi+1时，进入S-prepare。S-prepare：子集合中的全节点在验证并接收子集合中数量超过2numi+1的准备消息后，向父集合的其它全节点发送准备消息，并接收其它全节点的准备消息，消息格式为<<S-PREPARE,h,v,t,A(B)>i,B>。当所有全节点收到父集合内的准备消息数量超过2num+1时，进入确认阶段。S-commit：父集合的全节点向其它的全节点发送确认消息，确认消息格式为<<S-COMMIT,h,v,t,A(B)>i>。当所有全节点收到确认消息的数量达到2num+1时，进入J-commit。J-commit：子集合内的强节点在进行子集合确认时，需要收到子集合中其它强节点的确认消息且数量达到2numi+1，消息格式为/> 除此以外，确认消息中还需要有来自子集合中主节点格式为<<- COMMIT,h,v,t,A(B)>i>的确认消息才能进入同步阶段。Reply：全节点接收强节点发送的回执消息，消息格式为/>当全节点收到数量为u的回执信息时，向父集合的其它全节点发送回执消息，消息格式为所有全节点收到回执消息后，进入 Update。Update：全节点向其子集合内的所有强节点发送同步消息，消息格式为/> 强节点接收同步消息，执行同步过程，并将区块缓存在本地节点，实现整个系统数据的一致性。图2是本发明的共识过程。
图3为本发明与PBFT共识响应时延的最大和最小值对比图。
图4为本发明共识响应时延结果图。
图5为本发明与PBFT共识耗时结果对比图。
激励阶段：激励阶段分为Token奖励与信用重置。仅适用于强节点与全节点。Token值的大小代表了节点信用的高低，是表示节点可靠性的一种方式，这里使用R代表节点的Token 值。在一轮共识完成后，系统根据激励模型对节点的行为奖励一定数量的Token。信用重置时对Token数过低或者过高的节点进行信用恢复。设置Token阈值评定节点信用级别，将节点划分为四个等级，最低等级的节点需要进行信用重置，而连续两次担任最高等级的节点将被重置并标识，标识后的节点在两个周期的冷却期内不参与父集合的共识过程。冷却期后，重置的节点重新参与共识过程。重置信用能够激励信用低的节点规范共识行为以获得更多的 Token奖励，并防止高信用节点出现中心化的问题。
图6为本发明与PBFT吞吐量结果对比图。
本发明旨在针对基于传统PBFT共识算法的物联网系统存在共识耗时高、通信开销大的问题，提出了CBFT共识算法。利用缘服务器的特性，将距离近的物联网设备组成从集合，使用GeoHash(Geographical Hash,GeoHash)协议创建设备的位置定时器，根据定时器的可信时间遴选出诚信设备，降低故障节点或恶意节点加入共识的可能性，减少底层的通信次数与通信开销，提高参与共识的交易质量。利用改进的双层共识结构，优化共识过程，降低边缘服务器之间的通信次数，降低共识的耗时。采用Token奖励和信用重置的激励机制，激励共识中的节点规范共识行为，提高系统处理大批量数据的能力，提升系统的数据吞吐量。
本发明所使用的技术手段可以使本领域的技术人员更好的了解本发明创造，在不脱离发明原理的前提下，可以对本发明的技术方案进行修改和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种面向物联网系统的改进共识算法，其特征在于包括以下几个步骤：
步骤S1：边缘服务器根据物联网设备所发送的位置与时间戳信息遴选出诚信设备；
步骤S2：边缘服务器对诚信设备发送的交易进行双层共识；
步骤S3：通过激励的方式，规范边缘服务器的共识行为；
2.根据权利要求1所述的一种面向物联网系统的改进共识算法，其特征在于：步骤S1是首先对所有边缘服务器进行分组，对所有参与工作的设备进行分组后，边缘服务器对设备进行遴选，具体步骤如下：
(1)预分配：为每个强节点分配密钥，分配初始信用币等。并根据GeoHash(Geographical Hash，GeoHash)协议将所有的强节点划分成k个子集合。GeoHash编码长度越长所表示的位置越精确，两个编码的相似相似度越高代表两个位置离得越近。最后，各个子集合中Token最多的节点被选为子集合中的全节点。由此，边缘计算层构成一个双层多中心化的网络结构。
(2)遴选：根据边缘服务器的工作特性，轻节点在规定时间内发送一定数量的位置信息和时间戳信息给距离近的强节点，形成以强节点为中心、四周分布着轻节点的从集合。从集合中的强节点根据轻节点发送的GeoHash和时间戳，生成位置定时器表(LocationalClock，LC)，通过位置定时器对从集合中的轻节点进行遴选，挑选出诚信节点，参与共识过程。
3.根据权利要求1所述的一种面向物联网系统的改进共识算法，其特征在于：步骤S2使用改进后的双层PBFT共识算法对轻节点即底层物联网设备发送的交易进行共识，具体如下：
(1)pre-prepare：子集合中的强节点向子集合内其它节点包括全节点发送预准备消息，消息格式为所有节点接收到预准备消息并验证通过后，进入准备阶段。其中，J-PRE-PREPARE表示强节点的预准备消息内容，h表示当前时段的区块高度，v表示节点当前视图，t表示时间戳，/>表示第i个子集合中第m个强节点对区块B数字签名，/>表示第i个子集合中第m个强节点的位置信息。
(2)J-prepare：强节点将验证通过的交易以准备消息的形式向子集合内其它强节点进行广播，准备消息格式为同时，该强节点接收子集合内其它强节点的准备消息。当所有强节点收到的准备消息的数量超过2numi+1时，进入S-prepare。其中，J-PREPARE表示强节点的准备消息内容，numi表示第i个子集合内拜占庭节点的最大数量。
(3)S-prepare：子集合中的全节点在验证并接收子集合中数量超过2numi+1的准备消息后，向父集合的其它全节点发送准备消息，并接收其它全节点的准备消息，消息格式为<<S-PREPARE，h，v，t，A(B)>i，B>。当所有全节点收到父集合内的准备消息数量超过2num+1时，进入确认阶段。其中，S-PREPARE表示全节点的准备消息，A(B)i表示第i个全节点对区块B数字签名。
(4)S-commit：父集合的全节点向其它的全节点发送确认消息，确认消息格式为<<S-COMMIT，h，v，t，A(B)>i>。当所有全节点收到确认消息的数量达到2num+1时，进入J-commit。其中，S-COMMIT表示全节点的确认消息内容，num表示父集合内拜占庭节点的最大数量。
(5)J-commit：子集合内的强节点在进行子集合确认时，需要收到子集合中其它强节点的确认消息且数量达到2numi+1，消息格式为除此以外，确认消息中还需要有来自子集合中主节点格式为<<S-COMMIT，h，u，t，A(B)>i>的确认消息才能进入同步阶段。其中，J-COMMIT表示强节点的确认消息内容。
(6)Reply：全节点接收强节点发送的回执消息，消息格式为当全节点收到数量为u的回执信息时，向父集合的其它全节点发送回执消息，消息格式为/>所有全节点收到回执消息后，进入Update。其中，J-REPLY表示强节点的回执消息内容，S-REPLY表示全节点的回执消息内容。
(7)Update：全节点向其子集合内的所有强节点发送同步消息，消息格式为 强节点接收同步消息，执行同步过程，并将区块缓存在本地节点，实现整个系统数据的一致性。其中，S-UPDATE表示全节点的更新信息内容。
4.根据权利要求1所述的一种面向物联网系统的改进共识算法，其特征在于：步骤S3使用Token奖励与信用重置的方法规范边缘服务器的共识行为。具体如下：
(1)Token奖励：Token值的大小代表了节点信用的高低，是表示节点可靠性的一种方式，这里使用R代表节点的Token值。在一轮共识完成后，系统根据激励模型对节点的行为奖励一定数量的Token。初始状态下参与共识的强节点，R值统一设置为c，c的取值为固定值100。子集合中每个强节点的R值具体计算如下：De∈(0，1]，/>r1∈(0，1]，r2∈(0，1]，其中，/>为第i个子集合中第m个强节点在当前共识中的R值，/>为第i个子集合中第m个强节点的哈希计算能力，De为集合的离散程度，o为每个强节点在子集合中共识时间的权重，/>为第i个子集合中第m个强节点在第n轮共识后的R值，Rl为当前强节点的R值，Rp为强节点上一轮共识的R值。r1和r2为当前信用值和上一轮共识信用值的权重，赋值大小取决于系统对交易质量的要求高低。
(2)对R值过低或者过高的节点进行信用恢复。按照节点的R值赋予节点等级，阈值的具体取值根据系统对边缘服务器效率的要求设置。当节点的R值低于x时，节点仍可以继续发送交易，但从下一周期开始，该节点的R值将被重置为c。子集合内连续两次担任全节点或者R值高于z的节点，其R值被重置为x并标识。标识后的节点在下面两个周期中不能参与父集合的共识过程。在两个周期后，标记节点的信用值重置为c，重新参与共识过程。
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