CN117455473A - 一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，S1、接收央行数字货币系统的标准；S2、接收具体的央行数字货币的运营架构；S3、确认运营架构内的不同共识网络；S4、为每一个共识网络进行共识算法模块化分析；S5、确认不同共识网络中的共识算法。通过本发明提供的分析方法，可以更好地分析和推荐CBDC系统中的新共识算法；可用于任何有共识过程的CBDC场景，用户可以按照流程，确定共识算法的每一个组件带来的影响，从而有效帮助CBDC设计者针对不同的场景进行快速且有效的共识算法设计。

Description

一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法
技术领域
本发明涉及共识算法技术领域，具体而言涉及一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法。
背景技术
在今天的商业世界中，许多应用或系统中都包含共识算法，特别是在区块链或分布式账本系统中。其中，区块链系统已经被广泛运用到金融、医疗、物联网等场景中。行业从业者针对不同的场景，提出了不同的共识算法来满足业务需求。
然而，商业场景数量极大。为新场景计一种共识算法十分耗时。对于任一新场景，很难有效地找到一种共识算法来满足需求。央行数字货币(CBDC)中也存在这个问题，不同国家有着不同的业务需求，因而需要不同的共识算法来作为技术基础。
申请号为CN202110306409.6的发明申请中公开了一种基于账户模型的总量受控的数字货币发行方法，基于区块链技术进行数字货币发行，数字货币发行中的参与实体包括央行实体、可发钞实体和其他参与实体，它们分别作为区块链网络中的一个参与实体；央行实体和可发钞实体在区块链中进行交易发起、交易验证、参与共识、维护本地账本，以此来实现授权发钞和发钞，央行实体通过授权发钞交易为每个可发钞实体确定可发钞额度，可发钞实体通过发钞交易在受控总量内进行发钞，任意实体可以对可发钞实体的发钞量进行审计，以确保可发钞实体诚实地在发钞额度内发钞，避免多个可发钞实体联合破坏共识。
现有的央行数字货币场景中存在多种共识算法，并通过白皮书展现给社会。其中很多共识算法并没有得到技术验证和场景针对化优化，存在很多问题。目前并没有一种有效的技术方案来提出适合不同场景的共识算法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，以便更好地分析和推荐CBDC系统中的新共识算法；该方法可用于任何有共识过程的CBDC场景，用户可以按照流程，确定共识算法的每一个组件带来的影响。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，所述方法主要包括以下步骤：
S1、接收央行数字货币系统的标准；
S2、接收具体的央行数字货币的运营架构；
S3、确认运营架构内的不同共识网络；
S4、为每一个共识网络进行共识算法模块化分析；
S5、确认不同共识网络中的共识算法。
进一步地，步骤S2中，所述央行数字货币的运营架构包括批发端CBDC网络(101)和零售端CBDC网络(102)；所述批发端CBDC网络(101)涉及中央银行(103)和一级机构(104)，处理一级机构(104)与中央银行(103)之间的批发交易；所述批发端CBDC网络(101)中的参与者通过批发端网络(108)进行交流；所述零售端CBDC网络(102)涉及若干个零售客户(105、106、107)和一级机构(104)，处理零售客户(105、106、107)与一级机构(104)之间的零售交易，所述零售端CBDC网络(102)通过零售端网络(109)进行交流。
进一步地，步骤S2中，所述一级机构(104)直接连接到中央银行(103)，所述零售客户(105、106、107)直接连接到一级机构(104)；所述一级机构(104)承担着央行数字货币系统分发的责任，并提供央行数字货币系统认证服务。
更进一步地，所述一级机构(104)为商业银行；所述批发端CBDC网络(101)、零售端CBDC网络(102)对共识算法有不同的实现方式。
进一步地，步骤S4中，每一个所述的共识网络中运行着一个共识算法；所述共识算法的运行流程包括以下内容：
S4.1、在共识网络部署之前，需要确定选举机制，以便有一个主节点存在并与终端用户打交道；
S4.2、终端用户向共识网络发送请求；
S4.3、主节点对该请求进行预处理，然后将请求发送给共识网络中的验证节点；
S4.4、验证节点对该提议进行处理；
S4.5、验证节点决定是否执行该交易；
S4.6、代表通过验证节点的响应来确定请求是否成功。
进一步地，步骤S4.1中，所述选举机制包括投票、预先决定、轮流制、倡议者这几种方式中的至少一种；所述投票指系统为主节点投票，投票方式存在很多延伸，如增加成为主节点的额外要求，RAFT在投票中采用了选举超时的方式来决定网络的主节点；所述预先决定指系统预先确定主节点，例如Corda平台中的公证节点在网络部署前就已确定；所述轮流制指一组节点按特定顺序轮流担任主节点，例如PBFT使用轮流的方式来选择主节点；所述倡议者指系统没有主节点，例如，在一些公共区块链系统中，倡议者收集用户的交易，并通过工作证明、股权证明向网络提议。
进一步地，步骤S4.2中，所述客户向网络提交其支付请求；所述客户向网络发送请求的方式包括对一或者对所有；所述对一是指一个客户端只向一个节点发送请求；例如，在RAFT中，如果客户没有收到回应，他们会将请求发送给另一个节点。所述对所有是指客户端将请求发送给所有节点，以确保任一节点及时接受请求。
进一步地，步骤S4.3中，主节点在收到请求后在本地进行预处理；所述预处理的内容包括以下四种方式中的至少一种：1)唯一性证明，主节点利用唯一性证明机制，如工作量证明，来发布交易；2)验证，主节点具体验证请求的交易，如检查输入是否等于输出；3)互相沟通与验证，主节点与验证节点进行沟通，并过滤交易，过滤可以减少非法交易；4)无操作，主节点不做任何事情。
进一步地，步骤S4.4中，所述验证节点的处理内容包括以下三种方式中的至少一种：1)投票，验证节点对请求进行投票；2)互相沟通与投票，验证节点相互交流并为请求投票，例如，PBFT采用这种方式来防止恶意行为的发生；3)无操作，验证节点不做任何事情，例如，RAFT中的验证节点(称为跟随者)什么都不做。
进一步地，步骤S4.5中，所述验证节点的执行包括以下三种方式中的至少一种：1)数据备份，验证节点在其本地数据库中进行备份；2)相互交流&数据备份，验证节点在备份前进行交流；3)无操作，验证节点不做任何事情。
进一步地，步骤S4.6中，主节点最终确定请求的方式主要包括以下三种：1)x％备份回复，主节点收到超过x％的备份回复，例如，在RAFT中，主节点需要在响应其客户端之前收到50％的回复；2)x％投票回复，主节点收到超过x％的投票回复；3)自主决定，主节点自己决定交易，例如，Corda中的公证节点自己验证提议的交易。
进一步地，所述验证节点为可以参与共识的非主节点，所述验证节点为动态验证节点或固定验证节点。一些共识算法需要所有节点参与共识，而另一些则需要部分或随机的动态节点。例如，RAFT和PBFT需要所有节点参与数据备份，而IBFT则依靠动态数量的验证节点。动态验证节点可以提供高性能，因为参与者数量更少；相比之下，固定验证节点更容易实现，也更安全。
进一步地，所述共识算法的运行流程中的每一个步骤均使用加密来保证传输信息的安全。加密可以保证信息传输的安全，但是会降低性能。在大多数算法中，共识算法更多的与实现一致性有关，而忽略了加密。然而，加密在CBDC大多数情况下发挥着作用，所以该方法将其纳入共识过程中。
定义解释：
共识算法：广义上指任何形成数据一致性的机制，包括但不限于RAFT、PBFT和IBFT。
运营架构：CBDC系统内部不同角色和关系的一般结构。
央行数字货币：法定货币的数字形式。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供了一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，以便更好地分析和推荐CBDC系统中的新共识算法，有效帮助CBDC设计者针对不同的场景进行快速且有效的共识算法设计；该方法可用于任何有共识过程的CBDC场景，用户可以按照流程，更高效地获得共识组件对央行数字货币网络的影响。
附图说明
图1为本发明提供的分析方法的工作流程图。
图2为本发明中的央行数字货币系统运营架构的示意图。
图3为本发明中的共识算法所遵循的共识过程示意图。
图4为本发明中的共识算法的详细共识流程图。
图5为实施例1中RAFT共识算法的流程图。
图6为实施例2中PBFT共识算法的流程图。
其中，101-批发端CBDC网络；102-零售端CBDC网络；103-中央银行；104-一级机构；105、106、107-零售客户；108-批发端网络；109-零售端网络。
具体实施方式
下面通过具体实施例来进一步说明本发明。但这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，所述方法主要包括以下步骤：
S1、接收央行数字货币系统的标准；
S2、接收具体的央行数字货币的运营架构；
S3、确认运营架构内的不同共识网络；
S4、为每一个共识网络进行共识算法模块化分析；
S5、确认不同共识网络中的共识算法。
如图2所示，步骤S2中，所述央行数字货币的运营架构包括批发端CBDC网络101和零售端CBDC网络102；所述批发端CBDC网络101涉及中央银行103和一级机构104，处理一级机构104与中央银行103之间的批发交易；所述批发端CBDC网络101中的参与者通过批发端网络108进行交流；所述零售端CBDC网络102涉及若干个零售客户105、106、107和一级机构104，处理零售客户105、106、107与一级机构104之间的零售交易，所述零售端CBDC网络102通过零售端网络109进行交流。所述一级机构104直接连接到中央银行103，所述零售客户105、106、107直接连接到一级机构104；所述一级机构104承担着央行数字货币系统分发的责任，并提供央行数字货币系统认证服务。更进一步地，所述一级机构104为商业银行；所述批发端CBDC网络101、零售端CBDC网络102对共识算法有不同的实现方式。
如图3所示，步骤S4中，每一个所述的共识网络中运行着一个共识算法；所述共识算法的运行流程包括以下内容：
S4.1、在共识网络部署之前，需要确定选举机制，以便有一个主节点存在并与终端用户打交道；
S4.2、终端用户向共识网络发送请求；
S4.3、主节点对该请求进行预处理，然后将请求发送给共识网络中的验证节点；
S4.4、验证节点对该提议进行处理；
S4.5、验证节点决定是否执行该交易；
S4.6、代表通过验证节点的响应来确定请求是否成功。
如图4所示，步骤S4.1中，所述选举机制包括投票、预先决定、轮流制、倡议者这几种方式中的至少一种；所述投票指系统为主节点投票，投票方式存在很多延伸，如增加成为主节点的额外要求，RAFT在投票中采用了选举超时的方式来决定网络的主节点；所述预先决定指系统预先确定主节点，例如Corda平台中的公证节点在网络部署前就已确定；所述轮流制指一组节点按特定顺序轮流担任主节点，例如PBFT使用轮流的方式来选择主节点；所述倡议者指系统没有主节点，例如，在一些公共区块链系统中，倡议者收集用户的交易，并通过工作证明、股权证明向网络提议。
如图4所示，步骤S4.2中，所述客户向网络提交其支付请求；所述客户向网络发送请求的方式包括对一或者对所有；所述对一是指一个客户端只向一个节点发送请求；例如，在RAFT中，如果客户没有收到回应，他们会将请求发送给另一个节点。所述对所有是指客户端将请求发送给所有节点，以确保任一节点及时接受请求。
如图4所示，步骤S4.3中，主节点在收到请求后在本地进行预处理；所述预处理的内容包括以下四种方式中的至少一种：1)唯一性证明，主节点利用唯一性证明机制，如工作量证明，来发布交易；2)验证，主节点具体验证请求的交易，如检查输入是否等于输出；3)互相沟通与验证，主节点与验证节点进行沟通，并过滤交易，过滤可以减少非法交易；4)无操作，主节点不做任何事情。
如图4所示，步骤S4.4中，所述验证节点的处理内容包括以下三种方式中的至少一种：1)投票，验证节点对请求进行投票；2)互相沟通与投票，验证节点相互交流并为请求投票，例如，PBFT采用这种方式来防止恶意行为的发生；3)无操作，验证节点不做任何事情，例如，RAFT中的验证节点(称为跟随者)什么都不做。
如图4所示，步骤S4.5中，所述验证节点的执行包括以下三种方式中的至少一种：1)数据备份，验证节点在其本地数据库中进行备份；2)相互交流&数据备份，验证节点在备份前进行交流；3)无操作，验证节点不做任何事情。
如图4所示，步骤S4.6中，主节点最终确定请求的方式主要包括以下三种：1)x％备份回复，主节点收到超过x％的备份回复，例如，在RAFT中，主节点需要在响应其客户端之前收到50％的回复；2)x％投票回复，主节点收到超过x％的投票回复；3)自主决定，主节点自己决定交易，例如，Corda中的公证节点自己验证提议的交易。
所述验证节点为可以参与共识的非主节点，所述验证节点为动态验证节点或固定验证节点。一些共识算法需要所有节点参与共识，而另一些则需要部分或随机的动态节点。例如，RAFT和PBFT需要所有节点参与数据备份，而IBFT则依靠动态数量的验证节点。动态验证节点可以提供高性能，因为参与者数量更少；相比之下，固定验证节点更容易实现，也更安全。
所述共识算法的运行流程中的每一个步骤均使用加密来保证传输信息的安全。加密可以保证信息传输的安全，但是会降低性能。在大多数算法中，共识算法更多的与实现一致性有关，而忽略了加密。然而，加密在CBDC大多数情况下发挥着作用，所以该方法将其纳入共识过程中。
实施例1
央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，具体实施方式包以下步骤:
(1)央行数字货币设计者制定其系统设计的标准。
(2)确认CBDC系统的参与者以及参与者之间的关系，构建运营架构，并确认运营架构中存在的网络。
(3)针对不同的网络进行共识算法分析。
(4)图5是共识算法RAFT的例子。RAFT共识过程在主节点选举中采用了投票和选举超时机制。然后客户端向网络中的主节点发送请求。在主节点的验证下，验证节点进行备份并回应主节点。当收到一半以上的回复时，这个交易将被视为有效。
实施例2
央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，具体实施方式包以下步骤:
(1)央行数字货币设计者制定其系统设计的标准。
(2)确认CBDC系统的参与者以及参与者之间的关系，构建运营架构，并确认运营架构中存在的网络。
(3)针对不同的网络进行共识算法分析。
(4)图6是共识算法PBFT的例子。首先，PBFT以轮流制选择一个主节点。然后，客户端向网络中的所有节点发送请求，主节点将进行简单的验证并发布该请求。然后验证节点将进行通信，以确保67％以上的节点通过验证。然后，它们之间进行新一轮通信，以确保超过67％的节点完成数据备份。最后，客户端等待来自验证节点的33％的回复，以确保没有恶意行为出现。
不同的共识算法可以为央行数字货币中网络带来不同的影响，RAFT由于验证节点进行了数据备份，因此具备容错性；PBFT由于验证节点进行沟通购票确定数据合法性，因此可以防止恶意行为。
通过对不同共识模块的分析，实施者可以更高效地获得共识组件对央行数字货币网络地影响。该方法可以有效帮助CBDC设计者针对不同的场景进行快速且有效的共识算法设计。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (13)

1.一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，其特征在于，所述方法主要包括以下步骤：
S1、接收央行数字货币系统的标准；
S2、接收具体的央行数字货币的运营架构；
S3、确认运营架构内的不同共识网络；
S4、为每一个共识网络进行共识算法模块化分析；
S5、确认不同共识网络中的共识算法。
2.如权利要求1所述的一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，其特征在于：步骤S2中，所述央行数字货币的运营架构包括批发端CBDC网络(101)和零售端CBDC网络(102)；所述批发端CBDC网络(101)涉及中央银行(103)和一级机构(104)，处理一级机构(104)与中央银行(103)之间的批发交易；所述批发端CBDC网络(101)中的参与者通过批发端网络(108)进行交流；所述零售端CBDC网络(102)涉及若干个零售客户(105、106、107)和一级机构(104)，处理零售客户(105、106、107)与一级机构(104)之间的零售交易，所述零售端CBDC网络(102)通过零售端网络(109)进行交流。
3.如权利要求2所述的一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，其特征在于：步骤S2中，所述一级机构(104)直接连接到中央银行(103)，所述零售客户(105、106、107)直接连接到一级机构(104)；所述一级机构(104)承担着央行数字货币系统分发的责任，并提供央行数字货币系统认证服务。
4.如权利要求2或3所述的一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，其特征在于：所述一级机构(104)为商业银行；所述批发端CBDC网络(101)、零售端CBDC网络(102)对共识算法有不同的实现方式。
5.如权利要求1所述的一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，其特征在于，步骤S4中，每一个所述的共识网络中运行着一个共识算法；所述共识算法的运行流程包括以下内容：
S4.1、在共识网络部署之前，需要确定选举机制，以便有一个主节点存在并与终端用户打交道；
S4.2、终端用户向共识网络发送请求；
S4.3、主节点对该请求进行预处理，然后将请求发送给共识网络中的验证节点；
S4.4、验证节点对该提议进行处理；
S4.5、验证节点决定是否执行该交易；
S4.6、代表通过验证节点的响应来确定请求是否成功。
6.如权利要求5所述的一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，其特征在于：步骤S4.1中，所述选举机制包括投票、预先决定、轮流制、倡议者这几种方式中的至少一种；所述投票指系统为主节点投票；所述预先决定指系统预先确定主节点；所述轮流制指一组节点按特定顺序轮流担任主节点；所述倡议者指系统没有主节点。
7.如权利要求5所述的一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，其特征在于：步骤S4.2中，所述客户向网络发送请求的方式包括对一或者对所有；所述对一是指一个客户端只向一个节点发送请求；所述对所有是指客户端将请求发送给所有节点，以确保任一节点及时接受请求。
8.如权利要求5所述的一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，其特征在于，步骤S4.3中，所述预处理的内容包括以下四种方式中的至少一种：1)唯一性证明，主节点利用唯一性证明机制来发布交易；2)验证，主节点具体验证请求的交易；3)互相沟通与验证，主节点与验证节点进行沟通，并过滤交易；4)无操作，主节点不做任何事情。
9.如权利要求5所述的一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，其特征在于，步骤S4.4中，所述验证节点的处理内容包括以下三种方式中的至少一种：1)投票，验证节点对请求进行投票；2)互相沟通与投票，验证节点相互交流并为请求投票；3)无操作，验证节点不做任何事情。
10.如权利要求5所述的一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，其特征在于，步骤S4.5中，所述验证节点的执行包括以下三种方式中的至少一种：1)数据备份，验证节点在其本地数据库中进行备份；2)相互交流&数据备份，验证节点在备份前进行交流；3)无操作，验证节点不做任何事情。
11.如权利要求5所述的一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，其特征在于，步骤S4.6中，主节点最终确定请求的方式主要包括以下三种：1)x％备份回复，主节点收到超过x％的备份回复；2)x％投票回复，主节点收到超过x％的投票回复；3)自主决定，主节点自己决定交易。
12.如权利要求5所述的一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，其特征在于：所述验证节点为可以参与共识的非主节点，所述验证节点为动态验证节点或固定验证节点。
13.如权利要求5所述的一种央行数字货币系统中共识算法的模块化分析方法，其特征在于：所述共识算法的运行流程中的每一个步骤均使用加密来保证传输信息的安全。
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