CN110022216A - 低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法、网络通信平台 - Google Patents

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Abstract

本发明属于区块链网络通信技术领域，公开了一种低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法、网络通信平台；网络中的节点计算交易数据块、冗余数据块、数据块哈希和指纹交叉校验和，利用异步可验证信息传播协议将相关数据发送给网络中的每一个节点。节点在确认网络中已经正确存储了某些节点广播发送的交易后，就执行二元向量一致性协议，对交易进行共识；节点向网络请求特定的数据块，重构得到原始交易数据。本发明克服了现有基于纠删码协议的通信复杂度较高的问题，提升了算法的吞吐量；采用二元向量一致性协议，克服了原始协议每次只能对单个节点广播的交易进行共识的缺点，降低了算法消息复杂度，优化了算法最坏时间复杂度，保证了算法高效性。

Description

低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法、网络通信平台
技术领域
本发明属于区块链网络通信技术领域，尤其涉及一种低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法、网络通信平台。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：拜占庭容错技术能够在网络中存在一定数量的错误节点或恶意节点(拜占庭节点)的前提下，使得网络中的所有正确节点对某些交易信息达成一致，对外提供正确一致的服务，保证非常强的安全性和活跃性。但是，目前大量工作都致力于研究同步环境下的拜占庭容错，对异步环境下的研究稍显不足。传统的异步拜占庭容错算法更多都采用增加时间假设，规定消息传输时延上界，以此来提供算法的活跃性，但这非常容易被恶意攻击者破坏，只要攻击者违背了时间假设，那么算法就无法保证活跃性，无法提供共识服务。同时，现有的拜占庭容错算法的通信复杂度较高，没有办法很好的适应大规模的网络，不具备良好的可扩展性。
根据FLP不可能原理，异步环境下不存在一个确定性的算法能够使得网络中的节点达成一致，哪怕只有一个节点宕机。因此，大量规避FLP不可能原理的技术被提出，例如随机化、错误检测器、添加同步假设等等。传统拜占庭容错算法只有在同步阶段下才能保证算法活跃性，这限制了算法的性能，容易引发性能错误。
现有的纯异步拜占庭容错算法只有HoneyBadgerBft算法，该算法不依赖于任何时间假设。但该算法采用基于纠删码的可靠广播协议，通信复杂度较高。这是因为可靠广播协议每次都需要发送整个交易或编码后的交易片段，浪费节点带宽。同时该算法运行时需要运行N个可靠广播实例(N为网络节点数量)，当网络节点数量很大时，每个节点为维护这N个实例付出巨大的资源代价，对网络带宽的要求也会比较高。同时，该算法同样需要运行N个二元一致性协议实例用来对每个节点广播的交易信息进行共识。因此算法的最坏时间复杂度为最佳时间复杂度的N倍。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的纯异步拜占庭容错算法通信复杂度较高，浪费节点资源，对网络带宽的要求也比较高。
解决上述技术问题的难度：
针对现有异步拜占庭容错算法通信复杂度过高的问题，需要设计一种与网络节点数量无关的信息传播协议，来满足大规模扩展的需求。同时也需要设计一种能同时对多个节点提出的交易进行共识的一致性协议，来降低协议的消息复杂度。
解决上述技术问题的意义：
通过设计一种低通信复杂度的高效异步拜占庭容错算法，相较现有的异步拜占庭容错算法，能够大大降低算法的通信复杂度、消息复杂度、最坏时间复杂度等，同时能够应用于非常大规模的网络，具有很好的可扩展性。因此，本专利提出的低通信复杂度的高效异步拜占庭容错算法能够用于各种复杂的网络条件下，拓宽了现有拜占庭容错算法的应用场景。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法、网络通信平台。
本发明是这样实现的，一种低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法，所述低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法包括如下步骤：
第一步，网络中的每个节点都从自身的缓冲区中选择交易数据，生成一定数量的数据块和冗余数据块、每个数据块哈希和同态指纹交叉校验和，将包含对应的数据块、所有数据块哈希值和同态指纹交叉校验和的VAL消息发送给网络中的每一个节点；
第二步，节点在收到其他节点发送的VAL消息后，验证数据块哈希是否一致；同时，利用所有的数据块哈希值重新生成指纹交叉校验和，利用同态性质验证指纹交叉校验和是否一致，若一致，则广播发送仅带有交叉校验和和所有数据块哈希的ECHO消息，若不一致，则丢弃；
第三步，节点在收到其他节点发送的ECHO消息后，检查其交叉校验和；若收到了至少m+f个具有一致交叉校验和的ECHO消息，则向网络中的所有节点发送仅带有交叉校验和和所有数据块哈希的READY消息；
第四步，当节点收到至少f+1个其他节点发送的READY消息后，若之前未曾发送过READY消息，则向网络中的所有节点广播发送READY消息。
第五步，当节点收到至少2f+1个其他节点发送的READY消息后，将向量v中对应某个节点的值置为1。当向量中至少有2f+1个元素为1，采用异步二元向量一致性协议对整个向量进行共识；
第六步，当异步二元向量一致性协议执行完成后，将向量中元素为1所对应的节点的交易纳入最终的区块，为0则丢弃。
进一步，所述第一步中采用的同态指纹校验和是一个数据结构，包含了每个数据块哈希和其中一部分数据块的指纹，其中指纹满足同态性，用于验证数据块对应唯一一个原始交易数据。
进一步，所述第二步中的指纹验证的正确性是由指纹交叉校验和同态性保证，每个数据块都可以由m个数据块先进行解码再编码得到；那么每个数据块的指纹也都可以由m个数据块指纹进行一系列运算得到，通过验证两者是否一致来判断节点收到的数据块是否对应原始交易数据。
进一步，所述第三步中m为交易数据块的数量，f为网络中拜占庭节点的数量当收到m+f个一致的ECHO消息后，表明网络中至少有m个正确的节点收到了数据块信息，由m个数据块恢复得到原始交易数据。
进一步，所述第四步中f+1个READY消息表明，网络中至少有一个正确节点收到了至少m+f个一致有效的ECHO消息，交易数据已经正确存储到了网络中，节点随时请求并重构出原始交易数据。
进一步，所述第五步中2f+1个READY消息表明，网络中至少有f+1个正确节点收到了READY消息，网络中所有正确节点最终都会收到2f+1个READY消息，最终都能够请求并重构得到原始交易数据。
进一步，所述第六步中异步二元向量一致性协议以向量为输入值，通过随机化和错误检测器等方法，在常数轮内所有正确节点能够决定于同一个向量值；根据向量元素是否为1来决定是否将对应节点的交易数据纳入最后的区块中。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法的网络通信平台。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明利用基于交叉校验和的异步可验证信息传播协议，相比基于纠删码的可靠广播协议，将通信复杂度从原先的O(N|v|)降低到了O(|v|)。同时基于该协议的算法在每个节点上只需运行该协议的一个实例，大大降低对节点的性能要求，将算法的最坏时间复杂度从原先的3N轮降低为了3轮。同时交易数据分布式存储在整个网络中，大大降低了对节点的存储性能要求。
本发明利用二元向量一致性协议，克服了原先只能对单个节点广播的交易进行共识，能够同时对N个节点广播的交易进行共识，将算法的消息复杂度降低为了原先的1/N，将算法的最坏时间复杂度也降低为了原先的1/N，提升了算法的吞吐量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法流程图。
图2是本发明实施例提供的低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法实现流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明针对现有的纯异步拜占庭容错算法通信复杂度较高，浪费节点资源，对网络带宽的要求也比较高的问题；采用低通信复杂度的高效异步拜占庭共识算法。新算法采用基于指纹交叉校验和的异步可验证信息传播协议替换原始的可靠广播协议，进一步降低算法的通信复杂度；同时，采用二元向量一致性协议对所有节点的交易进行一次共识，降低了协议的最坏时间复杂度，提升算法的性能。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法包括以下步骤：
S101：网络中的每个节点都从自身的缓冲区中选择交易数据，生成一定数量的数据块和冗余数据块、每个数据块哈希和同态指纹交叉校验和；将包含对应的数据块、所有数据块哈希值和同态指纹交叉校验和的VAL消息发送给网络中的每一个节点；
S102：节点在收到其他节点发送的VAL消息后，验证数据块哈希是否一致，同时，利用所有的数据块哈希值重新生成指纹交叉校验和，利用同态性质验证指纹交叉校验和是否一致；若一致，则广播发送仅带有交叉校验和和所有数据块哈希的ECHO消息；若不一致，则丢弃；
S103：节点在收到其他节点发送的ECHO消息后，检查其交叉校验和，若收到了至少m+f个具有一致交叉校验和的ECHO消息；则向网络中的所有节点发送仅带有交叉校验和和所有数据块哈希的READY消息；
S104：当节点收到至少f+1个其他节点发送的READY消息后，若之前未曾发送过READY消息，则向网络中的所有节点广播发送READY消息；
S105：当节点收到至少2f+1个其他节点发送的READY消息后，就将向量v中对应某个节点的值置为1；当向量中至少有2f+1个元素为1，就采用异步二元向量一致性协议对整个向量进行共识；
S106：当异步二元向量一致性协议执行完成后，将向量中元素为1所对应的节点的交易纳入最终的区块，为0则丢弃。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法包括以下步骤：
步骤一，网络中的每个节点从自己的缓冲区中取出交易数据，利用某种纠删码方案例如(RS纠删码方案)计算M个数据块和N-M个冗余数据块。其中原始交易数据可以通过这M个数据块重构得到，N为网络中节点的数量。
步骤二，计算N个数据块的哈希和任意M个数据块的指纹值。其中指纹值满足同态性质，某个数据块的指纹值可以通过M各数据块的指纹值进行一系列运算得到，因此可以用来进行验证。
步骤三，采用异步可验证信息传播协议将数据块连同指纹和哈希广播给网络中所有的节点。每个节点都会收到单个数据块以及所有数据块的哈希和M个数据块的指纹。节点比较直接计算得到的指纹值和间接计算得到的指纹值是否一致，一致则表明该数据块确实对应同一个原始交易数据，当节点确认该原始交易数据已经分布式存储在网络中了，就将本地维护的一个输入向量中的某一元素置为1。
步骤四，判断输入向量中是否有N-f个元素为1。f是网络中所能允许的拜占庭节点数量的最大值，满足3f+1≤N。若满足要求，进行步骤五。若不满足，则继续等待。因为网络中至少有N-f个正确节点，因此，至少有N-f个节点会完成信息传播，算法最终能够顺利执行。
步骤五，执行二元向量一致性协议进行共识。当节点维护的输入向量中至少有N-f个元素为1后，就以此为输入值，执行二元向量一致性协议。该协议利用随机化和错误检测器这两种技术手段来规避FLP不可能原理，网络中的正确节点能够在常数轮内对某个向量达成一致意见，输出结果向量。
步骤六，判断结果向量中的每一个元素是否为1。若元素为1，则表明由某个节点广播的原始交易数据已经成功地分布式存储在整个网络中了，每个正确节点都对该事实达成了共识。若为0，则直接进行下一个元素的判断。若要求每个节点的区块中必须包含该原始交易，那么节点只需向网络发送请求，在得到M个数据块后重构即可得到，然后放入结果区块中。若要求每个节点的区块中只需包含数据块的哈希和指纹，那么则可以省略这个步骤。无论是否请求重构原始交易数据，这都不妨碍共识过程的进行，因为这可以作为后台同步任务。
步骤1七，存储本地区块，进行下一轮共识过程。
通过性能测试对比发现，本发明在时延这一指标上，大约是HoneyBadgerBft算法的72％到89％左右。在吞吐量这一指标上，本发明能够达到HoneyBadgerBft算法吞吐量的127％到143％左右。同时，随着网络规模的扩大，本发明性能较HoneyBadgerBft算法下降得较慢，证明本发明具有更好的可扩展性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法，其特征在于，所述低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法网络中的节点计算交易数据块、冗余数据块、数据块哈希和指纹交叉校验和，利用异步可验证信息传播协议将相关数据发送给网络中的每一个节点；节点在确认网络中已经正确存储了某些节点广播发送的交易后，执行二元向量一致性协议，对交易进行共识；节点向网络请求特定的数据块，重构得到原始交易数据。
2.如权利要求1所述的低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法，其特征在于，所述低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法具体包括：
第一步，网络中的每个节点都从自身的缓冲区中选择交易数据，生成一定数量的数据块和冗余数据块、每个数据块哈希和同态指纹交叉校验和，将包含对应的数据块、所有数据块哈希值和同态指纹交叉校验和的VAL消息发送给网络中的每一个节点；
第二步，节点在收到其他节点发送的VAL消息后，验证数据块哈希是否一致；同时，利用所有的数据块哈希值重新生成指纹交叉校验和，利用同态性质验证指纹交叉校验和是否一致，若一致，则广播发送仅带有交叉校验和和所有数据块哈希的ECHO消息，若不一致，则丢弃；
第三步，节点在收到其他节点发送的ECHO消息后，检查其交叉校验和；若收到了至少m+f个具有一致交叉校验和的ECHO消息，则向网络中的所有节点发送仅带有交叉校验和和所有数据块哈希的READY消息；
第四步，当节点收到至少f+1个其他节点发送的READY消息后，若之前未曾发送过READY消息，则向网络中的所有节点广播发送READY消息；
第五步，当节点收到至少2f+1个其他节点发送的READY消息后，将向量v中对应某个节点的值置为1；当向量中至少有2f+1个元素为1，采用异步二元向量一致性协议对整个向量进行共识；
第六步，当异步二元向量一致性协议执行完成后，将向量中元素为1所对应的节点的交易纳入最终的区块，为0则丢弃。
3.如权利要求2所述的低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法，其特征在于，所述第一步中采用的同态指纹校验和是一个数据结构，包含了每个数据块哈希和其中一部分数据块的指纹，其中指纹满足同态性，用于验证数据块对应唯一一个原始交易数据。
4.如权利要求2所述的低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法，其特征在于，所述第二步中的指纹验证的正确性是由指纹交叉校验和同态性保证，每个数据块都可以由m个数据块先进行解码再编码得到；那么每个数据块的指纹也都可以由m个数据块指纹进行一系列运算得到，通过验证两者是否一致来判断节点收到的数据块是否对应原始交易数据。
5.如权利要求2所述的低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法，其特征在于，所述第三步中m为交易数据块的数量，f为网络中拜占庭节点的数量当收到m+f个一致的ECHO消息后，表明网络中至少有m个正确的节点收到了数据块信息，由m个数据块恢复得到原始交易数据。
6.如权利要求2所述的低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法，其特征在于，所述第四步中f+1个READY消息表明，网络中至少有一个正确节点收到了至少m+f个一致有效的ECHO消息，交易数据已经正确存储到了网络中，节点随时请求并重构出原始交易数据。
7.如权利要求2所述的低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法，其特征在于，所述第五步中2f+1个READY消息表明，网络中至少有f+1个正确节点收到了READY消息，网络中所有正确节点最终都会收到2f+1个READY消息，最终都能够请求并重构得到原始交易数据。
8.如权利要求2所述的低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法，其特征在于，所述第六步中异步二元向量一致性协议以向量为输入值，通过随机化和错误检测器等方法，在常数轮内所有正确节点能够决定于同一个向量值；根据向量元素是否为1来决定是否将对应节点的交易数据纳入最后的区块中。
9.一种应用权利要求1～8任意一项所述低通信复杂度的高效异步拜占庭共识方法的网络通信平台。
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