CN107395403B - 一种适用于大规模电子商务的基于信用的区块链共识方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种适用于大规模电子商务的基于信用的区块链共识方法，其将区块链应用到大规模电商应用场景，既能达到大规模电商场景需要的扩展性，能够支持百万级节点，又能达到电商服务每秒千万级的共识要求，同时不需要像比特币这样的能源消耗，也不像采用权益证明(POS)的区块链那样缺乏安全性保障。该方法包括：(1)区块链架构由一个在防火墙内部的联盟链环境、非军事隔离区的网关环境和在公共互联网的平台构成；(2)由联盟链成员通过投票方式从公有环境上选举少量信任度高的节点作为第一阶段共识节点；(3)将第一阶段共识结果发到联盟链，由联盟链成员通过投票做二次共识，以保障来自公共环境的共识结果的正确性，达到安全性的要求。

Description

一种适用于大规模电子商务的基于信用的区块链共识方法
技术领域
本发明涉及区块链的技术领域，具体地涉及一种适用于大规模电子商务的基于信用的区块链共识方法。
背景技术
区块链技术被认为是下一代互联网的颠覆性技术，解决了互联网上建立信任成本高的问题，被称为“价值互联网”，区块链在金融、政府、物联网以及众多行业中有着广泛的应用。
现有的区块链共识算法主要分为公有链共识算法和私有链共识算法两大类。公有链共识算法主要有工作量证明机制(POW)，权益证明机制(PoS)或代议制权益证明机制(DPoS)。例如比特币的共识机制就是PoW，而像点点币(Peercoin)和未币(NXT)等采用的是PoS共识机制，比特股(Bitshares)采用DPoS共识机制。工作量证明机制PoW的缺点是效率低，能源消耗大。PoS机制虽然效率高，但它的问题是安全性弱，公平性也有问题。DPoS从PoS基础演化而来，也具有安全性弱，公平性差的问题。私有链的共识算法主要是以传统分布式***一致性算法为基础。主要的代表有PAXOS和拜占庭容错类BFT算法。这些算法效率虽然比POW高，安全性也比较强，但它们的一个主要问题是扩展性(Scalability)和透明性差，不适合于大规模的商业应用。
目前共识算法的问题严重制约了区块链的商业应用，特别是在大规模电子商务方面的应用上。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于大规模电子商务的基于信用的区块链共识方法，其将区块链应用到大规模电商应用场景，既能达到大规模电商场景需要的扩展性，能够支持百万级节点，又能达到电商服务每秒千万级的共识要求，同时不需要像比特币这样的能源消耗，以及避免采用POS权益证明机制的安全性和公平性问题。
本发明的技术解决方案是：这种适用于大规模电子商务的基于信用的区块链共识方法，该方法包括以下步骤：
(1)区块链架构由一个在防火墙内部的联盟链环境、非军事隔离区的网关环境和在公共互联网的平台构成；
(2)由联盟链成员通过投票方式从公有环境上选举少量信任度高的节点作为第一阶段共识节点；
(3)将第一阶段共识结果发到联盟链，由联盟链成员通过投票做二次共识，以保障来自公共环境的共识结果的正确性，达到安全性的要求。
由于该方法两阶段的共识都是小范围共识，因此共识效率可以大大提高。当公共网络的节点增加，而参与公共网络共识的节点可以维持相对不变，因此当公共网络节点增加时，共识算法的性能不受影响，因此其扩展性好。有联盟链的共识做二次共识，可以进行拜占庭容错，提升安全性。从而将区块链应用到大规模电商应用场景，既能达到大规模电商场景需要的扩展性，能够支持百万级节点，又能达到电商服务每秒千万级的共识要求，同时不需要像比特币这样的能源消耗，以及避免采用POS权益证明机制的安全性和公平性问题。
附图说明
图1是根据本发明的适用于大规模电子商务的基于信用的区块链共识方法的流程图。
图2是本发明的整体架构图。
图3是根据本发明的一个具体实施例的流程图。
图4是根据本发明的交互协议的示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，这种适用于大规模电子商务的基于信用的区块链共识方法，该方法包括以下步骤：
(1)区块链架构由一个在防火墙内部的联盟链环境、非军事隔离区的网关环境和在公共互联网的平台构成；
(2)由联盟链成员通过投票方式从公有环境上选举少量信任度高的节点作为第一阶段共识节点；
(3)将第一阶段共识结果发到联盟链，由联盟链成员通过投票做二次共识，以保障来自公共环境的共识结果的正确性，达到安全性的要求。
由于该方法两阶段的共识都是小范围共识，因此共识效率可以大大提高。当公共网络的节点增加，而参与公共网络共识的节点可以维持相对不变，因此当公共网络节点增加时，共识算法的性能不受影响，因此其扩展性好。有联盟链的共识做二次共识，可以进行拜占庭容错，提升安全性。从而将区块链应用到大规模电商应用场景，既能达到大规模电商场景需要的扩展性，能够支持百万级节点，又能达到电商服务每秒千万级的共识要求，同时不需要像比特币这样的能源消耗，以及避免采用POS权益证明机制的安全性和公平性问题。
图2是本发明的整体架构图。该发明采用混合链机制，综合联盟链和公有链特点。联盟链由多个电商平台相关方组成，可以包括监管机构，公证机构，电商运营商，以及其它相关方。联盟链的网络是私有网络。电商平台属于公有网络。两个网络用DMZ区的防火墙隔开，通过网关节点通信。因此，该发明各取公有链和联盟链/私有链之长，避免两者的弱点。
该发明把参与共识过程的角色分成四种，第一个是Leader(共识盟主)、一个是网关角色、一个是联盟投票角色、一个是公网交易验证角色。盟主是联盟链中各联盟成员中选出，盟主有一个任期，任期过期联盟将重新选举。如果盟主在规定期限内不响应，联盟也可以重新选举盟主。
优选地，如图3所示，所述步骤(2)中，联盟链中各联盟成员中选出盟主，提名公网上的交易验证节点名单，验证节点名单要通过联盟链中半数投票；如果第一轮获得通过的验证节点不够，盟主继续提名；如果最终达不到规定人数，联盟链启动公认的备选验证节点。
优选地，如图3所示，所述步骤(3)中，采用信任值作为选择标准来选择二次共识参与者，信任值是采用朴素贝叶斯算法来从历史数据中通过机器学习方法获得参与者的信任值。
优选地，如图3所示，所述步骤(3)中，验证节点选出来后，网关节点将通知公网上的验证节点，验证节点身份不公开；网关节点通过采用选中的共识参与方的公钥加密当前区块深度，然后将所有参与方的加密消息连成一个逗号分隔的消息，然后广播到公共网络上；收到消息的节点使用各自的私钥确认能否解密其中一个逗号分隔的加密消息，如果能解密，就证明自己是被选中的共识参与方。
优选地，如图3所示，所述步骤(3)中，当公网的共识参与方将共识结果发回给联盟链时，采用门限加密方式，使得共识参与方相互之间不知道对方投票结果，以防止一些投票人采用随大流投票的策略。
优选地，如图3所示，每个验证节点将采用(k,m)SSSS门限加密机制加密：把打包的交易分成m份，m为网关节点数。每份用一个网关节点的公钥加密；然后将密文向联盟链广播；网关节点接收到密文后，用私钥解密其中一部分，然后将解密部分向联盟链投票节点广播；联盟链节点如果接收到k份解密消息，k要大于m的二分之一。利用SSSS门限加密机制恢复原文。
优选地，如图3所示，盟主选出那些既通过验证节点超半数验证，又通过超半数的联盟链投票节点的交易，并根据一定规则确定交易顺序，把交易打包成一个区块，生成区块哈希值，并把区块广播到联盟链；联盟链的节点检查区块内的交易是否获得验证节点过半数的投票，以及联盟链节点过二分之一的投票，如果是就将区块链接到本地区块链；如果不是，联盟链内发起盟主投票，盟主按规则来打包区块。
优选地，如图3所示，如果盟主未按规则来打包区块，被认为出错，启动盟主选举。
图4是根据本发明的交互协议的示意图。
在第一阶段是联盟盟主选举阶段。联盟候选盟主先向每一个联盟成员发起要求选自己为盟主的请求(i，VoteRequest)。其中i是候选盟主的节点号，该请求用候选盟主的私钥签名。各联盟成员回消息确认(j,ActVote),其中j是成员节点号，并用成员的私钥签名。如果同意票超过2/3，该候选盟主成为正式盟主。
第二阶段为公网上投票验证节点的选举。正式盟主提名公网上的投票验证者，并将名单发给每个联盟成员投票，该消息是(i,ValidatorList),并用盟主私钥签名。每个联盟链成员回消息确认同意还是不同意，该消息是(j,Vote),并用成员的私钥签名。如果过1/2同意，则完成公网上投票人的选举。如果不够人数，盟主将再补充候选人，再次提交投票表决。如果三次不成功，盟主将选择公认的缺省公网投票候选人。
第三阶段是公网投票验证阶段。首先盟主将选出的公网上的验证投票人名单发给网关节点，该消息是：(h,ValidatorList),其中h是当前区块链深度。该消息用盟主的私钥签名。网关节点接收到名单后，用每个公网投票人节点的公钥加密当前区块链深度h，然后将所有公网投票节点的加密消息用逗号分隔，连在一起，然后向公网广播。该消息是(g,EncryptedList[v]),用网关节点私钥签名。在公网的候选投票节点如果能用自己的私钥解密其中一个区块链深度消息域，则证明自己是被选中的投票验证者。该投票验证者将网络中认可的交易打包成一个数据块，然后分成m份，m为网关节点数，k>m/2。然后采用(k,m)门限加密方式,用每个网关的公钥加密为每一份加密。最后把每份加密数据用逗号分隔，连成一个消息，向联盟链广播。该消息是(v,TransactionShares[m]),其中v是该验证节点号，并用该节点私钥签名。
第四阶段是联盟链再次投票确认阶段。网关节点收到(v,TransactionShares[m])后，会用自身私钥解密。并将解密消息广播到联盟链。该消息是(g,TransactionShare),其中g是网关节点号，并用自身私钥签名。只要联盟成员收到k个网关节点的广播消息，采用门限解密，就能恢复公网验证节点最初加密的数据块。该数据块包含该轮共识中的交易。每个联盟成员节点将对其中每个交易投票，并将结果返回给盟主。该消息是(j,TransationList,Votes),其中j是联盟节点号，TransactionList是包含该轮共识中所有的交易，Votes是一个对应于每个交易的投票。该消息用联盟节点的私钥签名。
最后联盟盟主收到所有联盟成员的投票后，选取那些超过1/2票数的交易，打包成一个区块，生成区块哈希值，链接到区块链，并把新区块链广播到联盟链，并通过网关节点广播到公网。该消息是(i,NewBlock),其中i是盟主节点号，该消息用盟主节点的私钥签名。
该方法的优点为：
本申请和现有技术的最大不同是它能适用于大规模电商平台。目前的共识机制，无论是公有链，还是联盟链/私有链，都不能满足大规模电商平台需要的高性能、高扩展性和高安全性。
本申请的另一重大意义是给现有的中心化电商平台提供一个可信任、防伪、防篡改、可问责的交易平台，同时规避一些中心化平台的缺点。目前很多区块链的应用要重新构建一个新的去中心化应用，这个在很多场合既不切实际，也花费巨大。所以是制约区块链应用的一大因素。而该发明可以避免这种情况。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种适用于大规模电子商务的基于信用的区块链共识方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)区块链架构由一个在防火墙内部的联盟链环境、非军事隔离区的网关环境和在公共网络的平台构成；
(2)由联盟链成员通过投票方式从公共网络上选举少量信任度高的节点作为第一阶段共识节点；
(3)将第一阶段共识结果发到联盟链，由联盟链成员通过投票做二次共识，以保障来自公共网络的共识结果的正确性，达到安全性的要求；
所述步骤(2)中，联盟链中各联盟成员中选出盟主，提名公共网络上的交易验证节点名单，验证节点名单要通过联盟链中半数投票；如果第一轮获得通过的验证节点不够，盟主继续提名；如果最终达不到规定人数，联盟链启动公认的备选验证节点；
所述步骤(3)中，采用信任值作为选择标准来选择二次共识参与者，信任值是采用朴素贝叶斯算法来从历史数据中通过机器学习方法获得参与者的信任值；验证节点选出来后，网关节点将通知公共网络上的验证节点，验证节点身份不公开；网关节点通过采用选中的共识参与方的公钥加密当前区块深度，然后将所有参与方的加密消息连成一个逗号分隔的消息，然后广播到公共网络上；收到消息的节点使用各自的私钥确认能否解密其中一个逗号分隔的加密消息，如果能解密，就证明自己是被选中的共识参与方。
2.根据权利要求1所述的适用于大规模电子商务的基于信用的区块链共识方法，其特征在于：所述步骤(3)中，当公共网络的共识参与方将共识结果发回给联盟链时，采用门限加密方式，使得共识参与方相互之间不知道对方投票结果，以防止一些投票人采用随大流投票的策略。
3.根据权利要求2所述的适用于大规模电子商务的基于信用的区块链共识方法，其特征在于：每个验证节点将采用(k,m)SSSS门限加密机制加密：把打包的交易分成m份，m等于网关节点数量，每份用一个网关节点的公钥加密；然后将密文向联盟链广播；网关节点接收到密文后，用私钥解密其中一部分，然后将解密部分向联盟链投票节点广播；联盟链节点如果接收到k份解密消息，利用SSSS门限加密机制恢复原文，k大于m的二分之一。
4.根据权利要求2所述的适用于大规模电子商务的基于信用的区块链共识方法，其特征在于：盟主选出那些既通过验证节点半数，又通过大于二分之一联盟链投票节点的交易，并根据一定规则确定交易顺序，把交易打包成一个区块，生成区块哈希值，并把区块广播到联盟链；联盟链的节点检查区块内的交易是否获得验证节点过半数的投票，以及联盟链节点过二分之一的投票，如果是就将区块链接到本地区块链；如果不是，联盟链内发起盟主投票，盟主按规则来打包区块。
5.根据权利要求4所述的适用于大规模电子商务的基于信用的区块链共识方法，其特征在于：如果盟主未按规则来打包区块，被认为出错，启动盟主选举。
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