[發明專利]一種應用于區塊鏈共識機制的并行化拜占庭容錯方法

在審

• 申請號: 202011322104.6
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112417046A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 陳瀟;袁冠緒
• 申請（專利權）人: 宙通科技（南京）有限公司
• 主分類號: G06F16/27
• 分類號: G06F16/27;G06F16/23
• 代理公司: 南京創略知識產權代理事務所(普通合伙) 32358
• 代理人: 陳雅潔

本發明公開了一種應用于區塊鏈共識機制的并行化拜占庭容錯方法，所述的共識算法包含多個在底層并行運行的共識分區與在上層運行的獨立驗證分區，共同構成了分層的平行化共識驗證系統。所述底層共識分區分別獨立且并行地接受任務請求(預準備階段，即Pre?prepare階段)；然后，執行消息請求服務(準備階段，即Prepare階段)，同時在執行的過程中采用聚合簽名算法實現對執行結果的簽名，以達到降低消息復雜度、提高系統吞吐量的目的。此外，該算法設計通過將當前共識過程的Commit階段消息與下一個共識過程的Prepare階段消息進行合并發送，以達到壓縮通信輪次與減少通信開銷的目的，從而進一步提升系統的吞吐量并降低平均時延。

技術領域

本發明涉及區塊鏈技術領域，特別是涉及一種用于區塊鏈共識機制的并行化拜占庭容錯方法。

背景技術

共識算法是區塊鏈的核心技術之一。經典PBFT共識算法是通過全部共識節點(即單個共識分區)共同參與某個請求的共識執行過程，從而在整個節點集上形成最終共識。PBFT算法的執行需要通過所有共識節點的全聯通進行消息通信，因此其消息復雜度為O(n²)。隨后，基于拜占庭容錯的新型共識算法不斷出現，在共識效率與消息復雜度等方面均有較大提升。其中，Zyzzvya協議作為采用投機思想的共識算法的代表，通過規避主節點的設計方式，實現了共識節點與客戶端節點的直接交互，從而降低了消息復雜度，同時簡化了共識步驟，使共識效率顯著提升。在容錯設計上，Zyzzvya協議采用一階段共識設計應對非容錯共識的操作，采用二階段共識設計，通過在現有共識節點集上執行新一輪的確認階段，實現對錯誤節點的容錯處理。

除此之外，基于Quorum思想的Query/Update協議采用與Zyzzyva協議類似的規避主節點的設計方式，但在容錯設計上與之不同，Query/Update協議通過新增節點的方式，僅針對新增節點進行新一輪的共識階段，并結合原有節點與新增節點的全部反饋，最終完成共識過程。

綜合上述兩種典型的基于拜占庭容錯的改進型共識算法，其共識效率有顯著提升，然而，當頻繁出現錯誤節點時，兩種算法均會陷于反復的容錯處理之中，從而導致共識性能急劇降低。此外，當共識節點規模線性增加時，共識效率亦隨之呈現線性下降的趨勢。因此，目前基于拜占庭容錯的改進型共識算法(例如，Zyzzyva和Query/Update協議)，在頻繁出現錯誤節點或者共識節點集合擴大時，均會導致共識效率的顯著降低。

發明內容

本發明的主要目的是為了提供一種用于區塊鏈共識機制的并行化拜占庭容錯方法,即ParBFT，基于現有拜占庭容錯類共識協議的設計特點及局限性，本發明將通過并行化思想，改進該類協議執行框架，從而達到提高共識效率與延展性的設計目的。

本發明的目的可以通過采用如下技術方案達到：

一種用于區塊鏈共識機制的并行化拜占庭容錯方法，包括

共識系統下層和共識系統上層，以及由所述共識系統下層和所述共識系統上層構成的第一階段和第二階段的兩個獨立共識階段，以及后續共識階段；

所述共識系統下層由若干獨立運行的共識分區組成，每個所述共識分區由主節點與若干從節點組成，節點總數不少于4個，其中節點總數N與拜占庭節點數量F需滿足條件:N≥3F+1；

所述共識系統上層包含驗證分區，用于執行第二階段共識操作，以及引導完成所述后續共識階段的操作；

所述第一階段用于實現Pre-prepare和Prepare階段的共識操作步驟，該步驟由所述共識系統下層并行運行的若干個獨立共識分區完成，包括以下過程,

首先，由主節點發送待共識消息給全部從節點；

然后，從節點執行待共識消息，產生簽名，并返回給主節點；

最后，主節點聚合所有節點簽名，產生一個聚合簽名；