[發明專利]區塊鏈中共識區塊的生成方法與計算設備

在審

• 申請號: 201710245865.8
• 申請日: 2017-04-14
• 公開（公告）號: CN107124403A
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發明（設計）人: 朱清明
• 申請（專利權）人: 朱清明
• 主分類號: H04L29/06
• 分類號: H04L29/06;H04L9/32;H04L9/06;H04L29/08;H04L12/26
• 代理公司: 北京智匯東方知識產權代理事務所(普通合伙)11391
• 代理人: 薛峰,劉長江

技術領域

本發明涉及區塊鏈技術，特別是涉及區塊鏈的共識實現方法區塊鏈中共識區塊的生成方法與計算設備。

背景技術

2014年開始，比特幣背后的區塊鏈(Blockchain)技術受到大家關注，并正式引發了分布式記賬本(Distributed Ledger)技術的革新浪潮。公認的區塊鏈的原始文獻是中本聰所撰寫的《比特幣：一種點對點的電子現金系統》，論文的內容主要是描述比特幣的實現技術。在該篇論文中其中，區塊鏈被描述為用于記錄比特幣交易的賬目歷史?，F在看來，區塊鏈的基本概念包括：

交易(Transaction)：一次操作，導致賬本狀態的一次改變，如添加一條記錄；

區塊(Block)：記錄一段時間內發生的交易和狀態結果，是對當前賬本狀態的一次共識；

鏈(Chain)：由一個個區塊按照發生順序串聯而成，是整個狀態變化的日志記錄。如果把區塊鏈作為一個狀態機，則每次交易就是試圖改變一次狀態，而每次共識生成的區塊，就是參與者對于區塊中所有交易內容導致狀態改變的結果進行確認。

和任何分布式系統一樣，區塊鏈系統會面臨網絡延遲、傳輸錯誤、軟件錯誤、安全漏洞、黑客入侵等問題，而且去中心化決定了系統中任何一個參與者都不能被完全信任，可能會出現惡意節點，以及數據分歧等問題。

為了防范這些潛在的錯誤，區塊鏈系統需要一個高效的共識機制來確保每一個節點都可以訪問被全網大多數節點公認的賬本。這個賬本可以是存儲在節點本地的賬本，也可以是向其他在網節點發出請求后可以訪問的賬本。雖然分布式系統中各個節點如果都能保證以十分強大的性能(零延遲響應、無限吞吐量)無故障的運行，則實現共識過程并不復雜，簡單通過多播過程投票即可。然而，現實中這樣“完美”的系統并不存在，如響應請求往往存在時延、網絡會發生中斷、節點會發生故障、甚至存在惡意節點故意要破壞系統。一般地，把故障(不響應)的情況稱為“非拜占庭錯誤”，惡意響應的情況稱為“拜占庭錯誤”(對應節點為拜占庭節點)。

理論上，分布式系統的共識問題是沒有理想解的。現有的區塊鏈共識機制主要包括：POS(proof of stake，權益證明機制)、POW(proof of work，工作量證明)、DPOS(Delegate Proof of Stake，股份授權證明)和PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance，實用拜占庭容錯)。從概率角度，PBFT系列算法是確定的，一旦達成共識就不可逆轉；而POW系列算法則是不確定的，隨著時間推移，被推翻的概率越來越小。

POW通過計算來反復猜測一個數值(nonce)，使得區塊鏈最后一個區塊為基礎，加上新的交易數據hash(散列，或稱為哈希)后的結果滿足預設的條件。保證在一段時間內，系統中只能出現少數合法提案。這些少量的合法提案會在網絡中進行廣播，收到的用戶進行驗證后會基于它認為的最長鏈上繼續用這個方法構造新的區塊。因此，系統中總是存在分叉(Fork)短鏈。所有參與延長區塊鏈的節點基于保護自己的利益只會選擇最長的鏈作為計算的輸入，因此只會有一條鏈成為被公認的最長的鏈。

POS是節點記賬權的獲得難度與節點持有的權益成反比，相對于POW，一定程度上緩解算力競賽造成的資源消耗。這樣生成多個分叉的區塊是容易的，這樣就大幅降低了分叉攻擊的成本。攻擊者可以制造符合自己利益的支鏈，進而在錯誤的支鏈上讓懲罰機制失效，并和原始的支鏈形成競爭。

DPOS類似于董事會投票，每個股東可以將其投票權授予一名代表。獲票數最多的前100位代表按既定時間表輪流產生區塊。每名代表分配到一個時間段來生產區塊，代理他們進行驗證和記賬。其合法性驗證性能、資源消耗和容錯性與POS相似。因為大幅縮小參與驗證和記賬節點的數量，共識驗證的時間就更短。DPOS無法處理DDOS(Distributed Denial of Service，分布式拒絕服務)和Eclipse攻擊(路由表毒化)安全性問題。

PBFT算法及其各種改進假定攻擊者數量在容錯條件下，預設的大多數節點通過依賴一個選舉過程達成節點共識，然后由選舉的節點按照約定生成區塊。這個選舉過程會被DDOS干擾，同時選舉結果構成單點故障，形成在Eclipse 攻擊條件，會造成反復選舉，從而使網絡共識性能下降。

發明內容

本發明的一個目的是去掉節點的選舉過程，要提供一種高效的拜占庭容錯的共識區塊的生成方法。

本發明一個進一步的目的是要有效去除DDOS和Eclipse的攻擊條件。