[發明專利]基于多角色的可擴展共識機制的系統及方法

有效

• 申請號: 202011460466.1
• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112636905B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 張宗洋;榮康;胡斌;劉翔宇;李威翰;劉建偉
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04L9/40;H04L67/1095;H04L9/32;G06Q40/04
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 黃玉霞

本發明公開了一種基于多角色的可擴展共識機制的系統及方法，該系統包括：委員會節點授權及角色管理模塊，用于選取共識網絡中的委員會節點，根據委員會節點多角色方案和管理規則對委員會節點進行分類；委員會共識達成模塊，用于在所述共識網絡正常運作情況下，通過基于多角色的可擴展共識算法完成對輸入信息的高效狀態機復制；委員會重配置模塊，用于在共識機制發生視圖切換后，根據委員會各個節點的實時網絡狀態對委員會成員進行重新配置。該系統提升了共識機制的吞吐量，在保證系統可用性的前提下，支持更多的委員會節點，降低了消息確認的時間，實現了交易的快速響應，加強了抵御適應性敵手的能力。

技術領域

本發明涉及信息安全和電子商務技術領域，特別涉及一種基于多角色的可擴展共識機制的系統及方法。

背景技術

區塊鏈技術因其防篡改、可追溯的特征和集體維護、信息共享的模式，在金融、銀行、數據庫、物聯網、供應鏈和商品溯源等多個領域已經開展了試點應用，有著十分廣泛的應用前景。

共識機制作為區塊鏈的核心技術，決定了參與節點以何種方式對某些特定的數據達成一致，關系到區塊鏈的安全性、可擴展性和去中心化程度等許多重要特性。共識設計的優劣是區塊鏈自治能否進入良性循環的關鍵。共識機制可以分為區塊鏈共識機制和經典分布式共識機制兩大類。現有的區塊鏈共識機制雖然實現了非授權和最高程度的去中心化，但其為了滿足區塊鏈系統的安全性，普遍存在性能低下的問題。以目前廣泛應用的公鏈為例，比特幣的TPS(Transactions Per Second，每秒處理交易個數)不高于7，以太坊的TPS不高于25，其交易處理能力遠低于Visa等信用卡支付系統的處理能力(約每秒7000筆交易)。低效的吞吐量限制了區塊鏈系統在真實場景中的應用。為了增強區塊鏈系統的可用性，人們開始研究如何通過改進共識機制來提升區塊鏈的性能。

早在上世紀末，學術界已經對經典分布式共識機制有了較為系統的研究，例如，針對網絡中可能出現崩潰節點的情況而設計的Paxos、能夠容忍一定數量拜占庭錯誤節點的PBFT等，它們在區塊鏈出現之前主要被應用在一些分布式數據庫系統中。在節點數量較少時，它們能提供優于PoW、PoS等非授權共識機制的吞吐量。目前，學術界和產業界已經將經典分布式共識機制與區塊鏈緊密結合，但是由于經典分布式共識機制的通信復雜度過高，隨著節點數量的增多，系統的吞吐量也會隨著驟降。因此，經典分布式共識機制的可擴展技術成為目前的研究熱點。

根據網絡模型假設的不同可以將經典分布式共識機制分為三類：基于同步網絡模型的共識機制、基于部分同步網絡模型的共識機制和基于異步網絡模型的共識機制。同步網絡模型(Synchronous model)假設攻擊者的能力很有限，所有消息都能在一個已知時間T內到達，在同步網絡模型的假設下，協議以“輪”(round)為單位來運作，每一輪的時間都是T，所有的消息都能在T時間內完成傳輸，因此可以保證在每一輪結束之前，每個節點都收到了來自其他節點的消息；部分同步網絡模型(Partially synchronous model)是指在該網絡模型假設下，所有的節點都能在一個未知的時間點達成同步，并且從該時間點開始，消息能在一個已知時間內完成端到端的傳輸；在異步網絡模型(Asynchronous model)假設下，無法保證節點與節點之間的所有消息傳輸一定成功。

現有的聯盟區塊鏈系統所采用的共識機制都是基于部分同步網絡模型的共識機制實現的，包括三個重要組成部分：節點選擇、共識達成、節點重配置。其中，節點選擇和節點重配置是保證共識機制活性的重要部分，用來確保領導節點是誠實節點，且網絡內的誠實節點占比超過一定比例。共識達成是保證共識機制一致性的重要部分，用來確保所有誠實節點對同一內容達成一致。

為了使區塊鏈得到更廣泛的應用，基于部分同步網絡模型的共識機制仍需要解決復雜度過高、可擴展性差等問題。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。