[發(fā)明專利]一種基于信譽(yù)與投票機(jī)制的改進(jìn)PBFT共識(shí)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010184664.3
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111355810B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳俊華;張夏;張珈銅;黃學(xué)達(dá)
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶郵電大學(xué)
• 主分類號: H04L67/1042
• 分類號: H04L67/1042;H04L9/32
• 代理公司: 重慶輝騰律師事務(wù)所 50215
• 代理人: 王海軍

本發(fā)明屬于區(qū)塊鏈技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種基于信譽(yù)與投票機(jī)制的改進(jìn)PBFT共識(shí)方法，包括對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)劃分，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)在共識(shí)過程的表現(xiàn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；根據(jù)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行權(quán)限分配，具有參選權(quán)限的節(jié)點(diǎn)可參與主節(jié)點(diǎn)選舉，并根據(jù)投票計(jì)算選舉出主節(jié)點(diǎn)；主節(jié)點(diǎn)接收客戶端發(fā)送的請求，廣播該請求給備份節(jié)點(diǎn)，開始共識(shí)過程；共識(shí)過程中，如果主節(jié)點(diǎn)故障或作惡，根據(jù)主節(jié)點(diǎn)異常情況進(jìn)行視圖切換；本發(fā)明與傳統(tǒng)PBFT相比，增加了平均吞吐量，降低了時(shí)延，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于區(qū)塊鏈技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種基于信譽(yù)與投票機(jī)制的改進(jìn)實(shí)用拜占庭容錯(cuò)(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)共識(shí)方法。

背景技術(shù)

目前區(qū)塊鏈技術(shù)已為各行各業(yè)提供去中心化解決方案，形成分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、密碼學(xué)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、共識(shí)機(jī)制等計(jì)算機(jī)技術(shù)組成的新型應(yīng)用模式。共識(shí)機(jī)制是區(qū)塊鏈技術(shù)的核心，通過節(jié)點(diǎn)共識(shí)過程保證了節(jié)點(diǎn)中最新交易集生成區(qū)塊的一致，從而保障分布式網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。

目前，區(qū)塊鏈中共識(shí)算法主要有：工作量證明(Proof of Work,PoW)、股權(quán)證明(Proof of Stack,PoS)、授權(quán)股權(quán)證明(Delegated Proof of Stack,DPoS)和PBFT。PoW算法中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過算力解決密碼學(xué)問題，可獲得記賬的權(quán)利，并得到一定的收益，保障了比特幣的安全性和公平性，但浪費(fèi)了巨大的計(jì)算和能量資源。PoS算法是為了解決PoW的資源浪費(fèi)提出的替代性方案，一定程度上減少了資源的使用，提高了區(qū)塊生成速度，但實(shí)際開發(fā)成本仍然很高。DPoS算法通過賦予每個(gè)持股人一定的投票權(quán)，由他們投票產(chǎn)生“挖礦”代表，降低了計(jì)算成本，是一種高效的共識(shí)算法。然而，DPoS中的獎(jiǎng)勵(lì)分布不均勻，容易產(chǎn)生較大的貧富差距，且惡意節(jié)點(diǎn)的防御能力弱，所以系統(tǒng)安全性較低。PBFT算法主要為解決分布式系統(tǒng)中存在拜占庭錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)的一致性問題，在拜占庭協(xié)議的基礎(chǔ)上，將算法復(fù)雜度從指數(shù)級降到了多項(xiàng)式級。

PBFT算法中的節(jié)點(diǎn)分為主節(jié)點(diǎn)和備份節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)按順序從0到N-1分配一個(gè)編號，其中N為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。主節(jié)點(diǎn)的編號記為p，主要職責(zé)為接收客戶端提交的請求，并將請求消息廣播給備份節(jié)點(diǎn)。該算法中每一次共識(shí)中所有的數(shù)據(jù)集群稱為一個(gè)視圖(view)，為方便管理視圖，將視圖記作v，同時(shí)從0開始對其進(jìn)行編號，主節(jié)點(diǎn)p滿足p＝v mod N。PBFT共識(shí)過程的核心三階段，包括預(yù)準(zhǔn)備階段(pre-prepare)，準(zhǔn)備階段(prepare)和確認(rèn)階段(commit)，下面對三個(gè)階段進(jìn)行簡要描述。

(1)預(yù)準(zhǔn)備階段，主節(jié)點(diǎn)廣播預(yù)準(zhǔn)備消息給備份節(jié)點(diǎn)。

(2)準(zhǔn)備階段，備份節(jié)點(diǎn)收到預(yù)準(zhǔn)備消息后會(huì)對消息內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證，節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證、檢查并接受預(yù)準(zhǔn)備消息后，則該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入準(zhǔn)備階段，并向其他節(jié)點(diǎn)廣播準(zhǔn)備消息，然后將預(yù)準(zhǔn)備消息寫入日志。

(3)確認(rèn)階段，節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證準(zhǔn)備消息為真后，會(huì)向其他節(jié)點(diǎn)廣播確認(rèn)消息，當(dāng)收到2f+1(f是最大可容忍的拜占庭節(jié)點(diǎn)數(shù))個(gè)確認(rèn)消息后，代表大多數(shù)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入確認(rèn)狀態(tài)，達(dá)成共識(shí)，于是節(jié)點(diǎn)會(huì)執(zhí)行請求消息的內(nèi)容。

上述過程中，如果備份節(jié)點(diǎn)認(rèn)為主節(jié)點(diǎn)故障或作惡時(shí)，會(huì)向其他節(jié)點(diǎn)廣播視圖切換(view-change)消息。當(dāng)收到2f個(gè)其他節(jié)點(diǎn)有效的view-change消息時(shí)，證明主節(jié)點(diǎn)異常，此時(shí)視圖編號加1，下一個(gè)編號的節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)會(huì)繼續(xù)執(zhí)行上個(gè)視圖未處理完的請求。

將PBFT算法作于區(qū)塊鏈的共識(shí)算法，在保證系統(tǒng)運(yùn)行效率的前提上，具有較高可靠性和安全性，目前已廣泛應(yīng)用于部分去中心化，由多個(gè)組織共同管理區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)盟鏈中。然而，PBFT算法中仍然存在部分問題：

(1)異常節(jié)點(diǎn)擔(dān)任主節(jié)點(diǎn)。PBFT算法中對于主節(jié)點(diǎn)的選取采用順序制，無法保證主節(jié)點(diǎn)的可靠性，容易產(chǎn)生異常節(jié)點(diǎn)擔(dān)任主節(jié)點(diǎn)的情況。雖然視圖切換協(xié)議保證了系統(tǒng)的安全性和活性，但是頻繁更換視圖，極大的降低了系統(tǒng)運(yùn)行效率。