CN117439998A - 一种面向物联网的联盟链共识协议优化方法 - Google Patents

一种面向物联网的联盟链共识协议优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种面向物联网的联盟链共识协议优化方法，针对物联网终端设备计算和存储能力弱的问题，让物联网网关等计算能力较强的边缘设备接入网络，利用信用积分机制证明节点的可靠性，并依据节点信任度划分节点类型，实现节点的动态调节；然后为了解决传统视图轮换协议的可靠性问题，引入了基于信用权重的主节点选举制度，保证主节点的可靠性；接着在原实用拜占庭容错(PBFT)的共识流程基础上，提出一种基于信用证明机制的改进拜占庭容错共识算法(CEBFT)，通过删除确认阶段节省通信开销，同时引入数据验证与同步流程，保证发生视图变更后各节点仍能保持一致性。本发明提高了面向物联网应用的联盟链系统性能。

Description

一种面向物联网的联盟链共识协议优化方法
技术领域
本发明属于分布式网络通信和物联网领域，特别是指一种面向物联网的联盟链共识协议优化方法。
背景技术
物联网技术的迅猛发展正深刻影响着人类社会的产业形态和结构，物联网应用广泛，在物流管理、医疗健康和智能家居等领域都取得了巨大成就。
物联网技术在不断发展的同时，海量设备的接入会产生大量的隐私数据，与此同时，物联网受限的设备计算能力、动态异构的网络环境给物联网数据管理的安全可靠性带来了挑战，区块链的特性正好能弥补物联网安全性的核心缺陷，被认为是未来物联网技术发展的重要方向。
区块链本质上是一个大规模的分布式系统，但区别于传统分布式系统只关注工程项目是否存在节点故障，区块链技术是为了解决社会各领域所涉及的交易信任问题，还需要考虑可能存在的节点的恶意攻击行为，所以区块链环境下采用的一致性共识算法都具备一定的拜占庭容错能力。
实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)是一种强一致性共识算法，具有响应速度快、高安全和高活性等优势，被广泛运用于联盟链中，但该算法也存在诸多不足，主要表现在：
(1)主节点选取上较随机，一旦主节点出错，共识时延会迅速增加，影响共识的效率；
(2)当分布式系统扩大时，交互数据量会随着节点数增多而急剧增加；
(3)动态调节性较差，节点无法动态的接入和退出共识网络。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种面向物联网的联盟链共识协议优化方法，针对物联网终端设备计算和存储能力弱的问题，让物联网网关等计算能力较强的边缘设备接入网络，解决原有PBFT算法存在的通信开销大、动态性差和不适用于大规模物联网节点环境等问题，大大降低了通信开销，提高了面向物联网应用的联盟链系统性能。
本发明采用如下技术方案：
一种面向物联网的联盟链共识协议优化方法，包括：构建基于物联网终端节点信任度的信用证明机制，引入信用积分衡量终端节点的可靠性，并进一步划分节点类型，实现了节点的动态调节；优化视图轮换协议，引入了基于信用权重的物联网网关选举制度，保证主节点的可靠性；在原实用拜占庭容错PBFT的共识流程基础上，提出一种基于信用证明机制的改进拜占庭容错共识算法，通过删除确认阶段节省通信开销，同时引入数据验证与同步流程，保证发生视图变更后各节点仍能保持一致性；具体如下：
步骤1，主节点接收客户端提交的数据同步请求，并将其广播到从节点；
步骤2，从节点接收主节点的广播消息，执行优化的一致性协议交互流程；
步骤3，共识节点完成一致性协议流程后，将共识结果广播到候选节点和普通节点，完成区块同步；
步骤4，根据上一轮共识流程中各节点的行为更新节点的信任度，剔除作恶节点并按照积分排序轮换更替共识节点和候选节点；
步骤5，若共识过程出现主节点宕机或作恶的情况，提前终止本轮共识，更新节点信任度并完成共识节点轮换；
步骤6，执行基于信用权重的主节点选举方法，完成视图切换；
步骤7，选举得到的新主节点将发起数据验证同步请求，确保新视图状态下各节点仍能保持一致性。
优选的，所述步骤2，具体包括：
步骤2.1)提议阶段：主节点接收客户端发送的请求消息，对请求编号后生成proposal消息，消息格式为<<PROPOSAL,v,n,s,p>,m>；其中v是视图编号，n是消息编号，p是消息发送方的公钥，m和s分别是消息的内容和签名；主节点向所有共识节点广播proposal消息；
步骤2.2)一致性阶段：共识节点接收proposal消息，验证主节点消息签名的正确性，并检查s和m的摘要是否一致；若消息验证通过，节点进入一致性阶段，生成consistency消息并广播到其他共识节点，同时也将proposal消息和consistency消息写进本地日志文件，消息格式为<CONSISTENCY,v,n,s,i>，i是节点自身编号；同时，该节点会接收其他节点的consistency消息，并与本地日志进行对比检查，检查内容主要包括视图编号、消息编号和签名；设f为最大可容忍的错误节点数，当收到2f+1条与本地日志一致的consistency消息后，节点进入同步步骤；
步骤2.3)同步阶段：当共识节点完成一致性验证后将进入同步阶段，此时共识节点会生成sync消息并发送给所有的候选节点和普通节点，消息格式为<<SYNC,v,n,s,i>,m>；如果候选节点或普通节点接收到f+1条sync消息后，则证明客户端的请求已达成全网共识，该节点会将sync消息记录到本地日志中。
优选的，所述步骤4，具体包括：
步骤4.1)用Ci表示节点i的信用积分，i∈{1,2,…,N}，则有：
其中，k是参与共识的轮次；C(k)表示节点i经过k轮共识后的信用积分；当k＝0时，节点的信用积分等于该节点加入共识网络的初始积分Cinit；δ是由共识节点行为确定的积分变化量；
步骤4.2)共识节点分为主节点和从节点，主节点不允许出现恶意行为，若被检测到存在作恶的情况，将受到最严格的惩罚，主节点的积分变化量δp为：
其中，bp表示累加的积分量；-dp表示扣除的积分量；benign表示节点是诚实的；down表示节点处于宕机状态；evil表示节点是恶意的；
步骤4.3)从节点允许存在拜占庭行为，若从节点在一轮共识时出现拜占庭行为将会扣除积分，若累计作恶次数达阈值τ，信用积分会被清零并重置为普通节点；从节点的积分变化量δs为：
其中，t表示从节点的累计作恶次数；bs表示从节点的正常累积积分；-ds表示从节点宕机时扣除的积分；-es表示从节点作恶扣除的积分。
优选的，所述步骤6，具体包括：
步骤6.1)为了保证主节点的可靠性，信誉高的节点应当更容易被选举为主节点，因此权重w可由式(4)得到：
其中，Cr表示候选者节点的信任积分；N表示共识网络中的节点总数；Cj表示投票节点j的信用积分；
步骤6.2)利用投票权重和所获票数计算节点的最终得分G：
其中，s是节点所获得的票数，最终得分G最高的节点即为主节点p，若出现节点总分相同的情况，则在同分节点中选取视图编号v最小的当选主节点，主节点p的选取应满足：
Gp＝max{G1,G2,...,GN}且vp＝min{v1,v2,...,vN} (6)
其中，Gp表示主节点p的最终得分；Gi表示其他候选主节点的最终得分，i∈[1,N]；vp表示主节点p的视图编号；vi表示其他候选主节点的视图编号。
优选的，步骤6中，主节点选举方法根据节点所获得的积分计算对应的投票权重，当主节点宕机或被备份节点推翻时发起新一轮的主节点选取投票，共识节点和候选节点共同参与投票，票数和投票权重乘积最大的节点即为主节点；选举过程由视图变更请求view-change、投票view-elect和视图确认new-view-ack三个阶段组成。
优选的，所述步骤7，具体包括：
步骤7.1)数据同步阶段：选举出的新主节点需要向备份节点发送数据同步请求data-sync，消息格式为<<DATA-SYNC,v0,S(b),v1>,b>；其中，v0是旧视图编号，v1是当前的视图编号，b是主节点日志所备份的待同步数据；S(b)表示待同步数据的签名；
步骤7.2)数据验证阶段：备份节点接收主节点的data-sync消息后将检查验证消息和待同步数据签名的正确性，并与本地日志备份的上一视图的consistency消息进行对比检查；验证通过后该节点进入数据验证阶段，并向其他共识节点广播data-validation消息；
步骤7.3)确认阶段：当共识节点收到来自其他节点的2f+1条data-validation消息后，更新本地日志，并向主节点、候选节点和普通节点发送comfirm消息，候选节点和普通节点收到f+1条comfirm消息后，将comfirm消息同步到本地日志。
优选的，所述节点类型包括：普通节点、候选节点和共识节点三种，物联网网关设备经过授权加入共识网络后将初始化为普通节点，普通节点通过参与区块同步可以累计信用积分；当普通节点的信用分Co大于等于阈值时可转为候选节点，加入共识轮换流程。
优选的，所述信用证明机制包括：为不同类型的节点划分权限，同时引入信用奖惩机制保证共识节点轮换流程的可行性，在每轮共识结束更新共识节点的信用积分，按照积分排序轮换更替共识节点和候选节点。
优选的，步骤7中，所述数据验证同步请求在视图状态发生变更即产生新的主节点后进行，用于同步上一轮共识中尚未完成一致性验证的数据，确保新视图状态下各节点仍能保持一致性。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过引入节点信任度，随着共识轮次的增加，共识节点的错误率会不断降低，发生视图切换的频率也会降低，从而降低共识过程的通信开销，提高吞吐量；
(2)本发明通过划分节点类型和权限等级，在实现节点数的动态调节的同时可以保证副本节点数的固定，这样在节点动态加入或退出共识网络时，不会影响一致性协议交互流程，从而减少不必要的系统资源浪费；
(3)本发明引入信任度机制可以确保在网络环境发生波动时(拜占庭节点数发生变化)，共识过程受波动的影响会随着节点信用度的提升而不断降低，稳定性较高；
(4)本发明采用优化的一致性协议交互流程，通信开销缩小为原PBFT算法的一半，可适用于存在大规模节点的网络环境。
附图说明
图1是本发明实施例中改进共识模型的算法流程图；
图2是本发明实施例中改进共识模型的节点类型图；
图3是本发明实施例中改进算法的主节点选举流程图；
图4是本发明实施例中改进算法的优化一致性协议交互流程图；
图5是本发明实施例中改进算法的数据验证与同步流程图；
图6是本发明实施例中改进算法与原PBFT算法的通信开销对比图；
图7是本发明实施例中改进算法与原PBFT算法的吞吐量对比图；
图8是本发明实施例中改进算法与原PBFT算法的稳定性对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本实施例中，为了更好的对比改进方案的可行性，实施过程需要构建分布式的网络仿真环境，获取改进方案和原PBFT算法在实施过程中的各项性能指标，网络仿真环境的各项参数设置参见表1所示。
表1
参见图1所示，本实施例一种面向物联网的联盟链共识协议优化方法，包括：
步骤1，主节点接收客户端提交的数据同步请求，并将其广播到从节点；
步骤2，从节点接收主节点的广播消息，执行优化一致性协议交互流程；
步骤3，共识节点完成一致性协议流程后，将共识结果广播到候选节点和普通节点，完成区块同步；
步骤4，根据上一轮共识流程中各节点的行为更新节点的信任度，剔除作恶节点并按照积分排序轮换更替共识节点和候选节点；
步骤5，若共识过程出现主节点宕机或作恶的情况，系统会提前终止本轮共识，更新节点信任度并完成共识节点轮换；
步骤6，执行基于信用权重的主节点选举方法，完成视图切换；
步骤7，选举得到的新主节点将发起数据验证与同步请求，确保新视图状态下各节点仍能保持一致性。
参见图2所示，所述节点类型分为普通节点(Ordinary Node)、候选节点(Candidate Node)和共识节点(Consensus Node)三种,共识节点由于信用级别较高可以参与一致性协议交互流程。候选节点参与主节点选举，在每一轮共识节点轮换中可通过积分升降级成为共识节点。普通节点权限等级最低，仅完成区块信息的同步。
参见图3所示，所述主节点选举流程分为视图变更请求(view-change)、投票(view-elect)和视图确认(new-view-ack)三个阶段，从节点检测到主节点宕机或作恶时会发起view-change；当其他节点收到2f+1条view-change请求后，生成view-elect证书，广播自己的投票信息；节点接收其他节点的view-elect，验证并统计投票结果，选举出新的主节点并向其发送new-view-ack证书。
参见图4所示，优化一致性协议交互流程由共识节点完成，候选节点和普通节点只参与数据的一致性同步，优化共识流程删除了确认阶段，减少了一半的通信开销。
参见图5所示，验证与同步流程主要用于确保新视图状态下各节点仍能保持一致性，优化共识流程删除了确认阶段，因此在主节点选举完成后需要进行数据同步与验证流程。
参见图6、图7和图8所示，为改进算法与原PBFT算法在通信开销、吞吐量和稳定性三个方面上的性能对比，结果表明在相同网络条件下，改进共识算法相比PBFT算法具有更高的吞吐量和更低的通信开销，且随着节点数的增加，改进共识算法的吞吐量降低速率和通信开销的增长速率显著低于PBFT算法。此外，当网络环境中拜占庭节点数量变化时，CEBFT的稳定性也明显高于PBFT。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种面向物联网的联盟链共识协议优化方法，其特征在于，包括：构建基于物联网终端节点信任度的信用证明机制，引入信用积分衡量终端节点的可靠性，并进一步划分节点类型，实现了节点的动态调节；优化视图轮换协议，引入了基于信用权重的物联网网关选举制度，保证主节点的可靠性；在原实用拜占庭容错PBFT的共识流程基础上，提出一种基于信用证明机制的改进拜占庭容错共识算法，通过删除确认阶段节省通信开销，同时引入数据验证与同步流程，保证发生视图变更后各节点仍能保持一致性；具体如下：
步骤1，主节点接收客户端提交的数据同步请求，并将其广播到从节点；
步骤2，从节点接收主节点的广播消息，执行优化的一致性协议交互流程；
步骤3，共识节点完成一致性协议流程后，将共识结果广播到候选节点和普通节点，完成区块同步；
步骤4，根据上一轮共识流程中各节点的行为更新节点的信任度，剔除作恶节点并按照积分排序轮换更替共识节点和候选节点；
步骤5，若共识过程出现主节点宕机或作恶的情况，提前终止本轮共识，更新节点信任度并完成共识节点轮换；
步骤6，执行基于信用权重的主节点选举方法，完成视图切换；
步骤7，选举得到的新主节点将发起数据验证同步请求，确保新视图状态下各节点仍能保持一致性。
2.根据权利要求1所述的面向物联网的联盟链共识协议优化方法，其特征在于，所述步骤2，具体包括：
步骤2.1)提议阶段：主节点接收客户端发送的请求消息，对请求编号后生成proposal消息，消息格式为<<PROPOSAL,v,n,s,p>,m>；其中v是视图编号，n是消息编号，p是消息发送方的公钥，m和s分别是消息的内容和签名；主节点向所有共识节点广播proposal消息；
步骤2.2)一致性阶段：共识节点接收proposal消息，验证主节点消息签名的正确性，并检查s和m的摘要是否一致；若消息验证通过，节点进入一致性阶段，生成consistency消息并广播到其他共识节点，同时也将proposal消息和consistency消息写进本地日志文件，消息格式为<CONSISTENCY,v,n,s,i>，i是节点自身编号；同时，该节点会接收其他节点的consistency消息，并与本地日志进行对比检查，检查内容主要包括视图编号、消息编号和签名；设f为最大可容忍的错误节点数，当收到2f+1条与本地日志一致的consistency消息后，节点进入同步步骤；
步骤2.3)同步阶段：当共识节点完成一致性验证后将进入同步阶段，此时共识节点会生成sync消息并发送给所有的候选节点和普通节点，消息格式为<<SYNC,v,n,s,i>,m>；如果候选节点或普通节点接收到f+1条sync消息后，则证明客户端的请求已达成全网共识，该节点会将sync消息记录到本地日志中。
3.根据权利要求2所述的面向物联网的联盟链共识协议优化方法，其特征在于，所述步骤4，具体包括：
步骤4.1)用Ci表示节点i的信用积分，i∈{1,2,…,N}，则有：
其中，k是参与共识的轮次；C(k)表示节点i经过k轮共识后的信用积分；当k＝0时，节点的信用积分等于该节点加入共识网络的初始积分Cinit；δ是由共识节点行为确定的积分变化量；
步骤4.2)共识节点分为主节点和从节点，主节点不允许出现恶意行为，若被检测到存在作恶的情况，将受到最严格的惩罚，主节点的积分变化量δp为：
其中，bp表示累加的积分量；-dp表示扣除的积分量；benign表示节点是诚实的；down表示节点处于宕机状态；evil表示节点是恶意的；
步骤4.3)从节点允许存在拜占庭行为，若从节点在一轮共识时出现拜占庭行为将会扣除积分，若累计作恶次数达阈值τ，信用积分会被清零并重置为普通节点；从节点的积分变化量δs为：
其中，t表示从节点的累计作恶次数；bs表示从节点的正常累积积分；-ds表示从节点宕机时扣除的积分；-es表示从节点作恶扣除的积分。
4.根据权利要求3所述的面向物联网的联盟链共识协议优化方法，其特征在于，所述步骤6，具体包括：
步骤6.1)为了保证主节点的可靠性，信誉高的节点应当更容易被选举为主节点，因此权重w可由式(4)得到：
其中，Cr表示候选者节点的信任积分；N表示共识网络中的节点总数；Cj表示投票节点j的信用积分；
步骤6.2)利用投票权重和所获票数计算节点的最终得分G：
其中，s是节点所获得的票数，最终得分G最高的节点即为主节点p，若出现节点总分相同的情况，则在同分节点中选取视图编号v最小的当选主节点，主节点p的选取应满足：
Gp＝max{G1,G2,...,GN}且vp＝min{v1,v2,...,vN} (6)
其中，Gp表示主节点p的最终得分；Gi表示其他候选主节点的最终得分，i∈[1,N]；vp表示主节点p的视图编号；vi表示其他候选主节点的视图编号。
5.根据权利要求4所述的面向物联网的联盟链共识协议优化方法，其特征在于，步骤6中，主节点选举方法根据节点所获得的积分计算对应的投票权重，当主节点宕机或被备份节点推翻时发起新一轮的主节点选取投票，共识节点和候选节点共同参与投票，票数和投票权重乘积最大的节点即为主节点；选举过程由视图变更请求view-change、投票view-elect和视图确认new-view-ack三个阶段组成。
6.根据权利要求5所述的面向物联网的联盟链共识协议优化方法，其特征在于，所述步骤7，具体包括：
步骤7.1)数据同步阶段：选举出的新主节点需要向备份节点发送数据同步请求data-sync，消息格式为<<DATA-SYNC,v0,S(b),v1>,b>；其中，v0是旧视图编号，v1是当前的视图编号，b是主节点日志所备份的待同步数据；S(b)表示待同步数据的签名；
步骤7.2)数据验证阶段：备份节点接收主节点的data-sync消息后将检查验证消息和待同步数据签名的正确性，并与本地日志备份的上一视图的consistency消息进行对比检查；验证通过后该节点进入数据验证阶段，并向其他共识节点广播data-validation消息；
步骤7.3)确认阶段：当共识节点收到来自其他节点的2f+1条data-validation消息后，更新本地日志，并向主节点、候选节点和普通节点发送comfirm消息，候选节点和普通节点收到f+1条comfirm消息后，将comfirm消息同步到本地日志。
7.根据权利要求1所述的面向物联网的联盟链共识协议优化方法，其特征在于，所述节点类型包括：普通节点、候选节点和共识节点三种，物联网网关设备经过授权加入共识网络后将初始化为普通节点，普通节点通过参与区块同步可以累计信用积分；当普通节点的信用分Co大于等于阈值时可转为候选节点，加入共识轮换流程。
8.根据权利要求1所述的面向物联网的联盟链共识协议优化方法，其特征在于，所述信用证明机制包括：为不同类型的节点划分权限，同时引入信用奖惩机制保证共识节点轮换流程的可行性，在每轮共识结束更新共识节点的信用积分，按照积分排序轮换更替共识节点和候选节点。
9.根据权利要求1所述的面向物联网的联盟链共识协议优化方法，其特征在于，步骤7中，所述数据验证同步请求在视图状态发生变更即产生新的主节点后进行，用于同步上一轮共识中尚未完成一致性验证的数据，确保新视图状态下各节点仍能保持一致性。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117834656A (zh) * 2024-03-06 2024-04-05 广州优刻谷科技有限公司 一种边缘计算跨域同步方法及系统

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CN117834656A (zh) * 2024-03-06 2024-04-05 广州优刻谷科技有限公司 一种边缘计算跨域同步方法及系统

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