CN111445241A - 一种结合pow和pos的混合共识方法及共识设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种结合POW和POS的混合共识方法，该共识方法中包括两条区块链，第一条链采用POW共识出块，第二条链以第一条链的历史数据作为依据，采用POS共识出块，并运行业务逻辑，所述的共识过程包括地址映射、算力映射、竞争出块三部分。本发明结合了POW算法的高安全性和无需审核即可加入的特性；又拥有POS算法出块间隔短，计算资源占用少的特性，能够承担更多的业务逻辑和提供更为快速的响应服务；能够在确保区块链安全性的前提下，保证其高效性。

Description

一种结合POW和POS的混合共识方法及共识设备

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，具体涉及一种结合POW和POS的混合共识方法及共识设备。

背景技术

区块链作为一种新型的分布式***技术，共识机制是其中极其重要的一环。通过共识机制使得该分布式***中各个节点之间对数据能够达成一致性的认识，从而保证数据存储的一致性。随着区块链技术的发展，产生了多种多样的共识机制，其中具有代表性的是POW共识机制和POS共识机制。

POW共识机制主要是通过节点计算符合难度要求的block hash来确认区块，而迄今为止，想要获得合适的block hash只能通过穷举算法获得，因此需要消耗大量的计算资源。由于任何人或组织都无法垄断计算资源，所以不存在一种垄断方式可以阻止新的节点加入POW共识网络，这充分体现了区块链的公平性。然而，区块链之所以有价值，并不在于其共识算法本身，而在于其上面运行的业务逻辑，业务逻辑同样需要消耗计算资源。但节点为了保证自己能够争夺到出块权，会把大量的计算资源分配给block hash的计算，仅仅会分配极少量的计算资源给业务逻辑的计算，从而导致了POW共识的区块链，其效率并不高。

POS共识机制主要是通过链的历史数据和一些既定的规则确认新的出块节点，因此POS共识本身几乎不需要消耗计算资源，节点可以把所有的计算资源用于业务逻辑的计算，从而实现较高的相应速度和较大的数据容量。然而，POS共识由于采用链的历史数据进行出块计算，所以其安全性远远低于POW共识算法，而且，出块的权益是可以被垄断的，新节点可能要花上数百倍的成本才能加入POS共识网络，甚至可能永远无法加入POS共识网络。

如何结合这两种共识算法的优点，设计一种无垄断的、高效的新型共识算法，是区块链领域需要解决的重要问题之一。

现有技术中，有一类将POW和POS共识进行混合的方案，但是它们的本质是设计一种统一的评价标准，让大算力的节点和大权益的节点在同一维度下竞争出块；另外还有一类提升区块链效率的方案，例如分片、闪电网络等，它们并没有对区块链本身直接进行优化，而是提出了一种lay2层级的优化，而且这样的优化以牺牲了一定的安全性为代价。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种新的结合POW和POS的混合共识方法，该共识方法更为安全、公平和高效。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种结合POW和POS的混合共识方法，该共识方法中包括两条区块链，第一条链采用POW共识出块，第二条链以第一条链的历史数据作为依据，采用POS共识出块，并运行业务逻辑，所述的共识过程包括地址映射、算力映射、竞争出块三部分；

所述的地址映射为将第一条链的节点地址与第二条链的节点地址关联起来；

所述的算力映射为计算各节点在某个时间区间内的第一条链上的算力，再将这些节点在第一条链上的算力换算成的第二条链上的出块权益；

在第二条链上进行竞争出块，所述的竞争出块在所述的地址映射、算力映射之后执行，包括如下步骤：

S1：将各节点在第二条链上的出块权益输入可验证随机函数，计算得到下一个区块的出块节点；

S2：各节点发现当前出块节点是自己时，进行出块并对该块进行签名，然后广播该块和签名；当不是自己时，对收到的块进行合法性检验，若通过检验，则对该块进行签名，然后广播该块和签名，若不通过，则丢弃该块；

S3：判断是否需要重新计算权益，若是，则重新计算权益，则返回S1；若否，则直接返回S1；

S4：选择签名权重最大的链作为最长链。

进一步地，在所述的竞争出块过程中根据需要***速率调节判定，当符合重新计算速率的条件时，则重新设定之后的块的时间间隔。

进一步地,所述的S2中的合法性检验，包括：

检查出块者是否正确；

检查区块内包含的电子签名是否符合预设的规则；

检查区块每个电子签名是否符合能够通过密码学检验；

检查区块时间戳是否正确；

检查区块每条交易的格式是否正确；

检查整个区块的hash值是否正确。

进一步地，各节点先报名后再参与竞争出块。

进一步地，所述的S3中，重新计算权益的判定后，各节点基于本地时间判断当前为下一个块的出块时间时，再返回S1。

进一步地，所述的电子签名的预设的规则为出块者对块n的签名必须被打包进块n，其他节点对块n的签名必须打包在块n+1～块n+m中，其中n为块高度，m为安全性系数。

一种用于实现共识方法的设备，其特征在于，该设备包括第一条链节点设备和第二条链节点设备；

所述的第一条链节点设备和第二条链节点设备均包括如下模块：

接收模块，接收其所在链上的其他设备发送的数据；

确认模块，将接收数据进行验证，确定其是否满足其所在链的共识规则；

共识计算模块，按照其所在链的规则对收到的数据进行计算，为发送模块准备数据；

发送模块，将接收到的合法的数据以及计算模块计算输出的数据广播发送至其所在链中的其它各节点设备；

地址转换模块，将任意的另一条链的地址格式转化为其所在链的地址格式；

存储模块，用于存储共识过程中所需要的数据；

所述的第二条链节点设备还包括读取模块，用于读取第一条链节点设备中的任意数据。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

(1)相对于现有的POW算力统计的共识方法，一般的POW算力统计都需要几个特殊的节点，按照一定地规则统计节点算力，既给节点提供了作弊的可能，又将整个***的安全性维系于若干个算力统计节点之上，安全性不足。本发明使用一条完整的链来统计各节点的算力，即保证了节点无法作弊，又不需要特殊的统计节点，从而解决了单点失效问题。

(2)相对于现有的POW链实现共识的方法，这些方法中各节点的绝大部分计算资源被hash碰撞算法占用，从而导致业务逻辑承载量低，响应时间慢。本发明的业务逻辑均在第二条链上，第二条链的共识计算几乎不占用计算资源，承载量大，响应快速。

(3)相对于现有的POS链，解决了现有的POS链共识存在的安全性不足，流动性差和大财团垄断的问题。

总体而言，本发明结合了POW算法的高安全性和无需审核即可加入的特性；又拥有POS算法出块间隔短，计算资源占用少的特性，能够承担更多的业务逻辑和提供更为快速的响应服务；能够在确保区块链安全性的前提下，保证其高效性。

附图说明

图1为本发明的共识方法的流程图，其中包含了速率调节逻辑；

图2为本发明的签名规则示意图；

图3为具体实施例中具体的链结构图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。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。

本发明的结合POW和POS的混合共识方法，该共识方法中包括两条区块链，第一条链采用POW证明共识出块，第二条链以第一条链的历史数据作为依据，采用POS共识出块，并运行业务逻辑。

第一条链可以选择运行一条全新的POW区块链，也可以选择已有的POW区块链，从而减少开发成本和能源消耗。

第二条链是本方案的主体，所有的提供给用户的业务逻辑(如智能合约)均在第二条链上实现。

第二条链的共识过程包括地址映射、算力映射、竞争出块三部分，可选地，可以增加速率调整逻辑。

地址映射是指将第一条链的节点地址与第二条链的节点地址用某种算法关联起来，例如，在第一条链上产生一条特殊格式的交易，第二条链上的节点通过解析这条交易，建立第一条链上的某个地址和第二条链上的某个地址的联系。

可选地，地址间的映射关系可以被更新和替代。

也可以选择其他方法建立地址映射关系，例如：在第二条链上产生一条特殊格式的交易；在在两条链上各自产生一条特殊格式的交易；在两条链之外的某处按照某种提前的约定建立两者的对应关系。

算力映射是指将第一条链上的地址在第一条链上的算力x折算成第二条链上地址所拥有的出块权益y，其计算函数y＝f(x)可选的设计方案为：

f(x)为一个正比例函数或者其他形式的非减函数；

不同节点或地址所采用的f(x)不同；

不同时间采用的f(x)不同。

地址映射和算力映射是竞争出块的前提，但是在竞争出块过程中，想要新加入的节点，仍然可以随时执行地址映射和算力映射逻辑。

竞争出块包括如下步骤：

S1：将各节点在第二条链上的出块权益输入随机可验证函数，计算得到下一个区块的出块节点；

S2：各节点发现当前出块节点是自己时，进行出块并对该块进行签名，然后广播该块和签名；当不是自己时，对收到的块进行合法性检验，若通过检验，则对该块进行签名，然后广播该块和签名，若不通过，则丢弃该块；

S3：判断是否需要重新计算权益，若是，则重新计算权益，则返回S1；若否，则直接返回S1；

S4：选择签名权重最大的链作为最长链。

可选的，在竞争出块过程中可以根据需要***速率调节判定，当符合重新计算速率的条件时，则重新设定之后的块的时间间隔。图1为加入了竞争出块后的共识算法流程。

新的出块间隔＝t*Ss/S

其中，t表示默认出块间隔，Ss表示正常情况下第一条链的出块速度的期望值，S表示当前第一条链的出块速度。

所述的S2中的合法性检验，包括：

检查出块者是否正确；

检查区块内包含的电子签名是否符合预设的规则；

检查区块每个电子签名是否符合能够通过密码学检验；

检查区块时间戳是否正确；

检查区块每条交易的格式是否正确；

检查整个区块的hash值是否正确。

可选地，为了进一步提高安全性，竞争出块环节可以加入报名环节，未报名的节点，其最终出块权益视为0。

可选地，为了抵消网络延迟、波动等导致的不良影响，所述的S3中，重新计算权益的判定后，各节点可以等待一段时间，只有当基于本地时间判断当前为下一个块的出块时间时，再返回S1。

出于安全性的考虑，合法性检验中电子签名的预设的规则为出块者对块n的签名必须被打包进块n，其他节点对块n的签名只能打包在块n+1～块n+m中，其中n为块高度，m为安全性系数，其取值为一个较小的整数。图2为一种可能的签名情况示意。

一种用于实现共识方法的设备，该设备包括第一条链节点设备和第二条链节点设备；

所述的第一条链节点设备和第二条链节点设备均包括如下模块：

接收模块，接收其所在链上的其他设备发送的数据；

确认模块，将接收数据进行验证，确定其是否满足其所在链的共识规则；

共识计算模块，按照其所在链的规则对收到的数据进行计算，为发送模块准备数据；

发送模块，将接收到的合法的数据以及计算模块计算输出的数据广播发送至其所在链中的其它各节点设备；

地址转换模块，将任意的另一条链的地址格式转化为其所在链的地址格式；

存储模块，用于存储共识过程中所需要的数据；

所述的第二条链节点设备还包括读取模块，用于读取第一条链节点设备中的任意数据。

下面以比特币作为第一条链给出本发明的一个具体实施例。

图3为该具体实施例中的具体链结构图。在本实施例中引入了round(轮次的概念)，为权益和速率的重新计算提供了判断依据，具体来说，每5秒可出一个块，每720个块视为一轮，当节点发现每一轮结束，新一轮开始时，则重新计算权益和出块速率。

1.地址映射逻辑

预备出块节点先在第二条链上创建一个验证者地址，将其表示为A1，然后通过地址转化算法将第二条链上的地址A1转化为比特币地址，将其表示为A2(比特币的地址是一个专有名词，即节点在比特币网络中的身份标识)；

然后使用比特币的coinbase地址(将其表示为A3，coinbase为比特币的特殊交易，只有在算力竞争中胜出的节点才能拥有coinbase交易)在比特币网络中发送一笔数额为1234聪的交易给上一步中创建的比特币地址A2；

第二条链监测到比特币区块中的特殊交易，取出要参加共识的coinbase地址A3和第二条链上的验证者地址A1，建立映射关系，即完成地址映射。

额外设计规则：设定映射关系真正生效需要等待的时间为3天。

2.算力映射逻辑

每个新的轮次开始时，取出块时间在[当前时间15天之前,当前时间1天前]的所有比特币区块进行统计；统计coinbase中的各接收出块奖励地址的出现次数，第二条链的节点在本轮的出块权益等于其对应的比特币地址的出现次数。

3.竞争出块逻辑

报名逻辑：

想要出块的节点首先要进行报名，没有报名的节点，无论其拥有多少出块权益，都无法出块。节点进行报名后，有效期为一天，每次成功的出块可以将剩余有效期重置为一天；在超过有效期后，节点需要重新报名才能进行出块。

下一个块的出块者选择逻辑：

当每一轮开始时，第二条链会根据当前有效报名节点的出块权益大小进行分配，一次性决定下一轮720个块的每一个块的出块者，分配过程所采用的随机数种子由可验证随机函数产生；

另外，这720个块的出块者总数不超过100名。

出块逻辑：

各节点发现当前出块节点是自己时，进行出块并对该块进行签名，然后广播该块和签名；当不是自己时，对收到的块进行合法性检验，若通过检验，则对该块进行签名，然后广播该块和签名，若不通过，则丢弃该块；

对于区块是否符合规则的判断包括：

检查出块者是否正确,即出块者是否与前述中本轮开始时所计算得到的本块的出块者相一致；

检查区块内包含的电子签名是否符合预设的规则，即出块者对块n的签名必须被打包进块n，其他验证节点的签名只能在块n+1～块n+10中打包；

检查区块每个电子签名是否符合非对称加密的椭圆曲线算法规则；

检查区块时间戳是否正确，即收到的块时间戳必须不超过本地时间5s；

检查区块每条交易的格式是否正确，与常见的区块链逻辑类似；

检查整个区块的hash值是否正确，与常见的区块链逻辑类似；

其他合法性判断的规则，与常见的区块链共识算法类似，不再赘述。

随后，等待下一个块的开始，特别地，若下一个块的块高度为720的倍数(块高度从0开始计算)，则重新计算出块权益和设定新的出块间隔。

4.主链判断逻辑

当节点收到多条链(分叉)时，按照每条链上的签名权重进行判断，权重最大的链视为有效链，权重大小与签名数量和签名节点的权益有关，具体算法如下：先对每个区块包含的签名节点的权益进行求和，然后对这条链上的所有区块的签名权益进行求和。

5.速率调节逻辑

出块间隔设置规则如下：

首先，出块间隔默认为5s；

其次，每一轮开始时，第二条链计算上一轮中对应的比特币块的中位时间戳T1和本轮对应的比特币块的中位时间戳T2，并计算T2-T1，则新一轮中，采用5*(T2-T1)/3600作为新的出块间隔；

例如，比特币的默认出块间隔为10分钟，假如其出块间隔因为某种原因变成并始终保持在8分钟，那么在这个算法逻辑中，第二条链的出块间隔的计算结果就变成了4s。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种结合POW和POS的混合共识方法，该共识方法中包括两条区块链，第一条链采用POW共识出块，第二条链以第一条链的历史数据作为依据，采用POS共识出块，并运行业务逻辑，所述的共识过程包括地址映射、算力映射、竞争出块三部分；

所述的地址映射为将第一条链的节点地址与第二条链的节点地址关联起来；

所述的算力映射为计算各节点在某个时间区间内的第一条链上的算力，再将这些节点在第一条链上的算力换算成的第二条链上的出块权益。

在第二条链上进行竞争出块，所述的竞争出块在所述的地址映射、算力映射之后执行，包括如下步骤：

S1：将各节点在第二条链上的出块权益输入可验证随机函数，计算得到下一个区块的出块节点；

S2：各节点发现当前出块节点是自己时，进行出块并对该块进行签名，然后广播该块和签名；当不是自己时，对收到的块进行合法性检验，若通过检验，则对该块进行签名，然后广播该块和签名，若不通过，则丢弃该块；

S3：判断是否需要重新计算权益，若是，则重新计算权益，则返回S1；若否，则直接返回S1；

S4：选择签名权重最大的链作为最长链。

2.根据权利要求1所述的共识方法,其特征在于，在所述的竞争出块过程中根据需要***速率调节判定，当符合重新计算速率的条件时，则重新设定之后的块的时间间隔。

3.根据权利要求1所述的共识方法,其特征在于,所述的S2中的合法性检验，包括：

检查出块者是否正确；

检查区块内包含的电子签名是否符合预设的规则；

检查区块每个电子签名是否符合能够通过密码学检验；

检查区块时间戳是否正确；

检查区块每条交易的格式是否正确；

检查整个区块的hash值是否正确。

4.根据权利要求1所述的共识方法,其特征在于，各节点先报名后再参与竞争出块。

5.根据权利要求1所述的共识方法,其特征在于，所述的S3中，重新计算权益的判定后，当各节点基于本地时间判断当前为下一个块的出块时间时，再返回S1。

6.根据权利要求3所述的共识方法,其特征在于，所述的电子签名的预设的规则为出块者对块n的签名必须被打包进块n，其他节点对块n的签名必须打包在块n+1～块n+m中，其中n为块高度，m为安全性系数。

7.一种用于实现权利要求1-6中任意一项的共识方法的设备，其特征在于，该设备包括第一条链节点设备和第二条链节点设备；

所述的第一条链节点设备和第二条链节点设备均包括如下模块：

接收模块，接收其所在链上的其他设备发送的数据；

确认模块，将接收数据进行验证，确定其是否满足其所在链的共识规则；

共识计算模块，按照其所在链的规则对收到的数据进行计算，为发送模块准备数据；

发送模块，将接收到的合法的数据以及计算模块计算输出的数据广播发送至其所在链中的其它各节点设备；

地址转换模块，将任意的另一条链的地址格式转化为其所在链的地址格式；

存储模块，用于存储共识过程中所需要的数据；

所述的第二条链节点设备还包括读取模块，用于读取第一条链节点设备中的任意数据。

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