CN117527834A - 一种基于信誉评分机制的改进pbft共识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于信誉评分机制的改进PBFT共识方法，包括根据节点活跃度和交易成功率确定节点的行为分数；根据配置的激活函数确定信誉参数，根据基于信誉参数、行为分数、历史信誉值的信誉评分方法确定本轮共识节点的信誉评分；将节点按信誉评分从大到小排列，选取信誉评分前30%的节点为候选节点，选取信誉评分最高的节点为主节点，参与共识；将本轮共识结果打包上链；根据信誉评分方法及下一轮节点的行为分数更新信誉评分，进行下一轮共识。本发明利用激活函数和信誉评分方法改进PBFT共识机制，在不影响节点安全性的前提下降低了通信复杂度，提高了通信效率。

Description

一种基于信誉评分机制的改进PBFT共识方法
技术领域
本发明涉及区块链共识技术领域，具体地讲，是涉及一种基于信誉评分机制的改进PBFT共识方法。
背景技术
区块链技术具有去中心化、不篡改、不伪造和可追溯等显著优势，它非常适合防伪数据存储、数据安全共享等应用场景。它的基本思想是建立一个公共账本，每个区块记录一次网络交易的信息，所有参与用户共同在公共账本上记账，数据记录是公开透明的，全网用户可以对账本信息进行有效验证，因此不需要中心化的信任中介，在技术上解决互联网信任问题。
区块链的关键技术有分布式存储技术、加密算法、智能合约和共识算法，其中共识算法是区块链的核心技术之一，其背后是对分布式账本频繁的安全更新，以使得大量无信任分布式节点达成一致性共识以抵御外部攻击，对区块链数据处理的效率、安全性和稳定性至关重要。
典型的共识算法有工作量证明（Proof of Work, PoW）、权益证明（Proof ofStake, PoS）、代理权益证明（Delegated Proof of Stake, DPoS）和活动性证明（Proof ofActivity, PoA）。基于选举的共识算法有Raft和PBFT。PBFT（Pratical Byzantine FaultTolerance, PBFT）是第一个得到广泛应用的基于状态机副本复制的拜占庭容错共识机制，旨在统一所有分布式节点的行为以共同维护账本数据，其解决了原始拜占庭容错共识机制效率不高的问题，时间复杂度从指数级别降低到多项式级别，使其在分布式系统中应用成为可能。然而在PBFT算法中，节点之间的网络消息传输非常频繁。随着节点数量的增加，大量的共识消息通过网络传输，导致网络拥塞甚至不可用。
发明内容
针对上述现有技术中的上述问题，本发明提供一种基于信誉评分机制的改进PBFT共识方法，通过引入设定的激活函数与信誉评分方法，改进PBFT共识机制，在不影响节点安全性的前提下降低通信复杂度，提高通信效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于信誉评分机制的改进PBFT共识方法，包括以下步骤：
S10、根据联盟链中节点的节点活跃度和交易成功率确定节点的行为分数；
S20、根据配置的激活函数确定信誉参数，根据信誉评分方法确定本轮共识节点的信誉评分，其中信誉评分方法由行为分数和历史信誉值利用信誉参数进行加权处理实现，历史信誉值为上一轮共识的信誉评分；
S30、将节点按信誉评分从大到小排列，选取信誉评分前30%的节点为候选节点，在候选节点中选取信誉评分最高的节点为主节点，参与共识；
S40、将共识结果打包上链，本轮共识结束；
S50、根据信誉评分方法及下一轮节点的行为分数更新信誉评分，进行下一轮共识。
具体地，所述步骤S10中根据节点的节点活跃度和交易成功率确定节点的行为分数的过程为：
根据节点i在t0时间内的节点活跃度Ai(t0)和交易成功率Pi(t0)确定一个N×2的矩阵，N为t0时间内参与交易的节点数，并对该矩阵进行正则化标准化，由该矩阵计算欧几里得距离，得到节点i在第T轮的行为分数Si(T)，t0时间为从上一轮共识验证成功后上链的时间到本轮共识开始的时间。
具体地，所述步骤S20中配置的激活函数表示为
；
其中，；
信誉参数表示为/>，其中，Ri(T-1)表示上一轮共识节点i的信誉评分。
具体地，所述信誉评分方法通过以下公式实现：
其中，T为轮数，Ri(T)表示本轮共识节点i的信誉评分，Si(T)表示本轮共识节点i的行为分数，Ri(T-1)表示上一轮共识节点i的信誉评分，为信誉参数。
进一步地，对于区块中新加入的节点，节点的信誉评分取其行为分数，Ri(T)= Si(T)，且T=1。
进一步地，所述步骤S30中，当候选节点中存在多个信誉评分并列最高的节点时，选取信誉参数最高的节点作为主节点。
具体地，所述步骤S30中，共识的过程为：
请求阶段：客户端节点向主节点发送请求消息，其中o代表客户端节点请求的具体操作，t表示时间戳，c为客户端节点执行，/>代表客户端节点的数字签名；
提案阶段：主节点对客户端节点请求做出响应之后，为该请求分配唯一的序列号n，主节点给候选节点发送格式为的提案消息，其中/>表示当前视图的编号，d是请求的哈希值，m表示客户端节点请求，/>为主节点的数字签名，其他候选节点进行消息合法性检查、水线检查、视图检查的一系列验证操作后，主节点将提案消息签名之后广播给候选节点；
确认阶段：候选节点接收并验证来自主节点的提案消息，验证成功后进入确认阶段，候选节点广播格式为的准备消息，当节点收到来自2f个不同节点的消息且请求消息的哈希值d、当前视图的编号/>、序列号n与提案消息一致时，确认阶段完成，候选节点将消息写入本地日志中，其中i为节点编号，/>为节点i的数字签名，f表示共识中拜占庭节点的个数；
回复阶段：确认状态完成后，节点将执行操作o，并向客户端节点发送回复消息，r代表请求操作执行后的结果，当客户端节点c收到2f+1个时间戳相同、结果一致的回复消息，则可以证明结果r是正确的，客户端节点接受该回复结果，本轮共识结束。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明引入欧几里得距离计算节点的行为分数，将节点活跃度和交易成功率这两个节点属性联系起来，更能体现节点行为分数的客观性和可信性；并且采用激活函数作为信誉评分方法的信誉参数，信誉参数的取值范围能使节点本轮共识的行为表现比历史信誉值占比更大，且信誉参数的变化趋势能有效防止节点始终处于高评分或者低评分，有效保证共识节点的安全性。而且本发明在基于信誉评分机制的条件下，选取信誉评分最高的30%节点参与共识，同时优化传统的PBFT共识算法过程，在保证安全性的前提下减小通信复杂度，提高通信效率。
附图说明
图1为本发明-实施例的流程示意图。
图2为本发明-实施例中的激活函数图像。
图3为传统PBFT共识算法的共识机制图。
图4为本发明的改进PBFT共识算法的共识机制图。
图5为本发明的改进PBFT共识算法与传统PBFT共识算法的通信量对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1所示，该基于信誉评分机制的改进PBFT共识方法，包括以下步骤：
S10、对联盟链中各节点进行行为分数初始化，根据节点的节点活跃度和交易成功率确定节点的行为分数。
具体地，节点i在t0时间内的节点活跃度用Ai(t0)表示，交易成功率用Pi(t0)表示，t0时间为从上一轮共识验证成功后上链的时间到本轮共识开始的时间。
交易成功率可表示为
其中，pi(t0)为节点i在t0时间内的成功交易数，tp为节点i在t0时间内发起的总交易数。
节点活跃度可表示为
其中，表示节点i在t0时间内未成功的交易数，/>表示节点z在t0时间内的成功交易数，/>表示节点z在t0时间内未成功的交易数，N为T轮共识的t0时间内的节点总数，故/>可表示在t0时间内所有节点的总交易数，/>表示t0时间内的历史平均交易量；/>为可调节参数，它们之间的关系为/>。
由此可以得到在T轮共识时节点关于节点活跃度Ai和交易成功率Pi的属性矩阵
，
将该属性矩阵进行正则化标准化，计算欧几里得距离：
计算最大值：，
计算最小值：，
节点i与最大值的距离：，
节点i与最小值的距离：，
得到第T轮共识节点i的行为分数：。
本方法根据节点的活跃度和交易成功率确定节点行为分数的方法引入欧几里得距离，使得节点更加公平客观。
S20、根据配置的激活函数确定信誉参数，根据信誉评分方法确定本轮共识节点的信誉评分，其中信誉评分方法由行为分数和历史信誉值利用信誉参数进行加权处理实现，历史信誉值为上一轮共识的信誉评分。
具体地，首先引入激活函数，表示为
；
其中，。
由此确定信誉参数，表示为
其中，Ri(T-1)表示上一轮共识节点i的信誉评分。
所述信誉评分方法通过以下公式实现：
其中，T为轮数，Ri(T)表示本轮共识节点i的信誉评分，Si(T)表示本轮共识节点i的行为分数，Ri(T-1)表示上一轮共识节点i的信誉评分即历史信誉值，为信誉参数。
本发明根据节点的本轮表现和历史信誉共同确定节点本轮的信誉值。
对于区块中新加入的节点，节点的信誉评分取其行为分数，Ri(T)= Si(T)，且T=1。
更进一步地，如图2所示，由于激活函数的值域为，根据/>与/>的关系，可以得到/>。在信誉评分方法中，节点本轮的信誉评分由本轮表现及历史信誉共同确定，这就需要节点长期表现良好，可以有效解决节点之间的作恶行为。根据信誉参数/>的取值范围可以得到节点i本轮的行为分数比历史信誉分对本轮信誉值的影响更大，节点的信誉评分更能真实反映节点本轮的可信程度。
更进一步地，信誉参数的变化呈现“两边缓，中间急”的趋势，即上一轮信誉值高的节点在本轮表现良好也不会增加很多分数，上一轮信誉值低的节点在本轮作恶也不会降低很多分数，而信誉值中等的节点分数变化比较大。
对于信誉值高的节点，它表现好增加的信誉评分会比作恶减少的信誉评分更少，这样节点信誉值不会始终处于很高的状态，以防信誉值高的节点作恶以后仍能参与共识从而影响共识的安全性，有效防止高信誉值节点的共谋攻击。同理，对于一个信誉值低的节点，它表现好增加的信誉评分会比作恶减少的信誉评分更多，这样该节点不会一直定义为恶意节点，有效防止了恶意节点占用过多的资源。
S30、将节点按信誉评分从大到小排列，选取信誉评分前30%的节点为候选节点，在候选节点中选取信誉评分最高的节点为主节点，参与共识。
具体地，将信誉评分由高到低快速排序，评分最低的节点被定义为恶意节点，选取信誉评分高的前30%的节点为候选节点，在候选节点中选取信誉评分最高者为主节点。根据节点信誉值有本轮行为分数和历史信誉值共同确定的关系及信誉参数的变化规律，可以看出在前30%的节点信誉值变化率不大，其行为分数和累计信誉值比较稳定，具有较高的可信度，在参与共识时，其作恶的可能性大大降低。
若同时有多个信誉评分最高且相同的节点，即存在多个信誉评分并列最高的节点时，则选取信誉参数最高者为主节点。选取的参与共识的节点能够保证本轮共识中节点的相对安全性，同时降低了通信复杂度，提高通信效率。
如图3所示为传统PBFT共识算法的共识机制图，其共识的过程如下：
发送请求阶段：客户端节点向主节点发送请求消息，其中o代表客户端请求的具体操作，t表示时间戳， c为客户端执行，/>代表客户端的数字签名；
预准备阶段：主节点对客户端请求做出响应之后，为该请求分配唯一序列号n，主节点构造格式为的预准备消息，其中/>表示当前视图的编号，d是请求的哈希值，m表示客户端请求，/>为主节点的数字签名，其他副本节点进行消息合法性检查、水线检查、视图检查等验证操作后，主节点将预准备消息签名之后广播给副本节点；
准备阶段：副本节点接收并验证来自主节点的预准备消息，验证成功后进入准备阶段。副本节点广播格式为的准备消息，当副本节点收到来自2f个不同节点的消息且请求消息的哈希值d，当前视图的编号/>，序号n与预准备消息一致时，准备阶段完成，节点将消息写入本地日志中，其中f为拜占庭节点的个数，i为节点编号，为节点i的数字签名；
确认阶段：节点构造格式为的确认消息，节点之间将确认消息互相广播并验证，当节点i收到2f+1个来自不同节点发送给的确认消息，且视图编号、消息序号及请求的数字签名与准备消息匹配，确认阶段完成，各节点将收到的确认消息写入本地日志；
回复阶段：确认状态完成后，节点将执行操作o，并向客户端发送回复消息，r代表请求操作执行后的结果，当客户端节点c收到f+1个时间戳相同、结果一致的回复消息，则可以证明结果r是正确的，客户端节点接受该回复结果，本轮共识结束。
本发明改进之后的PBFT共识算法，由于选取的都是信誉评分高的节点，其可信度更高，作恶可能更小，所以对其共识过程做了简化，将预准备阶段改为提案阶段验证视图，进行一次广播确认之后就将消息回复给客户端。
如图4所示为本发明的改进PBFT共识算法的共识机制图，其共识的过程如下：
请求阶段：客户端节点向主节点发送请求消息，其中o代表客户端节点请求的具体操作，t表示时间戳，c为客户端节点执行，/>代表客户端节点的数字签名；
提案阶段：主节点对客户端节点请求做出响应之后，为该请求分配唯一的序列号n，主节点给候选节点发送格式为的提案消息，其中表示当前视图的编号，d是请求的哈希值，m表示客户端节点请求，/>为主节点的数字签名，其他候选节点进行消息合法性检查、水线检查、视图检查等一系列验证操作后，主节点将提案消息签名之后广播给候选节点；
确认阶段：候选节点接收并验证来自主节点的提案消息，验证成功后进入确认阶段，候选节点广播格式为的准备消息，当节点收到来自2f个不同节点的消息且请求消息的哈希值d、当前视图的编号/>、序列号n与提案消息一致时，确认阶段完成，候选节点将消息写入本地日志中，其中i为节点编号，/>为节点i的数字签名，f表示共识中拜占庭节点的个数；
回复阶段：确认状态完成后，节点将执行操作o，并向客户端节点发送回复消息，r代表请求操作执行后的结果，当客户端节点c收到2f+1个时间戳相同、结果一致的回复消息，则可以证明结果r是正确的，客户端节点接受该回复结果，本轮共识结束。
在传统PBFT共识算法中，假设有n个节点参与共识，通信量取决于每个阶段的通信需求。在请求阶段，客户端向主节点发出请求，通信量为1；在预准备阶段，主节点向其他副本节点发送预准备消息，通信量为n-1；在准备阶段，每个副本节点在收到足够的预准备消息后，将准备消息向所有副本节点广播，该阶段通信量为(n-1)2；在确认阶段，各节点之间互相广播确认消息，通信量为；在回复阶段，各节点将回复消息发送给客户端，通信量为n。因此PBFT总的通信量为2n2-n+1。
在本发明的改进PBFT共识算法中，假设相同条件下参与本轮共识的节点有k个，则k=0.3n，其通信量仍取决于每个阶段的通信量需求。在请求阶段，客户端向主节点发出请求，通信量为1；在提案阶段，主节点向候选节点发送提案消息，通信量为k-1；在确认阶段，候选节点将验证后的提案消息向所有候选节点广播确认，该阶段通信量为(k-1)2；在回复阶段，各节点将回复消息发送给客户端，通信量为k。所以本发明共识算法总的通信量为k2+1。
本发明的改进PBFT共识算法，不仅对其共识过程做了简化，并且选取了前30%可信节点参与共识，参与节点数较PBFT共识算法更少，其通信量大幅度减少，在网络中占用的资源更少。如图5所示，是本发明算法与PBFT算法的通信量对比图，可以看到，随着节点数量的增加，本发明共识算法的通信量是远远小于传统PBFT共识算法的，并且，其增长远小于传统PBFT共识算法的多项式级增长。
本发明选择可信的部分节点参与共识，在不降低共识安全性的前提下，优化了传统的PBFT共识，降低了通信复杂度。
S40、将本轮共识结果打包上链，本轮共识结束。
S50、根据信誉评分方法及下一轮节点的行为分数更新信誉评分，进行下一轮共识。
通过上述设计，本发明采用信誉评分机制，将节点相对客观的行为分数与历史信誉值联系起来，给节点评分，同时选取评分高的部分节点参与共识，提高了节点共识安全性，也降低了共识通信量。与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于信誉评分机制的改进PBFT共识方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、根据联盟链中节点的节点活跃度和交易成功率确定节点的行为分数；
S20、根据配置的激活函数确定信誉参数，根据信誉评分方法确定本轮共识节点的信誉评分，其中信誉评分方法由行为分数和历史信誉值利用信誉参数进行加权处理实现，历史信誉值为上一轮共识的信誉评分；
S30、将节点按信誉评分从大到小排列，选取信誉评分前30%的节点为候选节点，在候选节点中选取信誉评分最高的节点为主节点，参与共识；
S40、将共识结果打包上链，本轮共识结束；
S50、根据信誉评分方法及下一轮节点的行为分数更新信誉评分，进行下一轮共识。
2.根据权利要求1所述的基于信誉评分机制的改进PBFT共识方法，其特征在于，所述步骤S10中根据联盟链中节点的节点活跃度和交易成功率确定节点的行为分数的过程为：
根据节点i在t0时间内的节点活跃度Ai(t0)和交易成功率Pi(t0)确定一个N×2的矩阵，N为t0时间内参与交易的节点数，并对该矩阵进行正则化标准化，由该矩阵计算欧几里得距离，得到节点i在第T轮的行为分数Si(T)，t0时间为从上一轮共识验证成功后上链的时间到本轮共识开始的时间。
3.根据权利要求2所述的基于信誉评分机制的改进PBFT共识方法，其特征在于，所述步骤S20中配置的激活函数表示为
；
其中，；
信誉参数表示为/>，其中，Ri(T-1)表示上一轮共识节点i的信誉评分。
4.根据权利要求3所述的基于信誉评分机制的改进PBFT共识方法，其特征在于，所述信誉评分方法通过以下公式实现：
其中，T为轮数，Ri(T)表示本轮共识节点i的信誉评分，Si(T)表示本轮共识节点i的行为分数，Ri(T-1)表示上一轮共识节点i的信誉评分，为信誉参数。
5.根据权利要求4所述的基于信誉评分机制的改进PBFT共识方法，其特征在于，对于区块中新加入的节点，节点的信誉评分取其行为分数，Ri(T)= Si(T)，且T=1。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于信誉评分机制的改进PBFT共识方法，其特征在于，所述步骤S30中，当候选节点中存在多个信誉评分并列最高的节点时，选取信誉参数最高的节点作为主节点。
7.根据权利要求1-5任一项所述的基于信誉评分机制的改进PBFT共识方法，其特征在于，所述步骤S30中，共识的过程为：
请求阶段：客户端节点向主节点发送请求消息，其中o代表客户端节点请求的具体操作，t表示时间戳，c为客户端节点执行，/>代表客户端节点的数字签名；
提案阶段：主节点对客户端节点请求做出响应之后，为该请求分配唯一的序列号n，主节点给候选节点发送格式为的提案消息，其中/>表示当前视图的编号，d是请求的哈希值，m表示客户端节点请求，/>为主节点的数字签名，其他候选节点进行消息合法性检查、水线检查、视图检查的一系列验证操作后，主节点将提案消息签名之后广播给候选节点；
确认阶段：候选节点接收并验证来自主节点的提案消息，验证成功后进入确认阶段，候选节点广播格式为的准备消息，当节点收到来自2f个不同节点的消息且请求消息的哈希值d、当前视图的编号/>、序列号n与提案消息一致时，确认阶段完成，候选节点将消息写入本地日志中，其中i为节点编号，/>为节点i的数字签名，f表示共识中拜占庭节点的个数；
回复阶段：确认状态完成后，节点将执行操作o，并向客户端节点发送回复消息，r代表请求操作执行后的结果，当客户端节点c收到2f+1个时间戳相同、结果一致的回复消息，则可以证明结果r是正确的，客户端节点接受该回复结果，本轮共识结束。
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