CN111586102A - 一种基于bft共识的联盟链组网方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于BFT共识的联盟链组网方法，联盟链节点在组网时，通过配置文件来配置连接节点，且满足：节点连接数大于等于2；连接的节点通过配置文件可以动态更新；新节点加入联盟链时，通过握手确认以及证书验证确保节点连接的安全性。节点收到消息时，首先与消息池里的消息进行比对，如果是新消息则放入消息池待处理，并把新消息广播到与其相连的其它节点，以此实现消息广播到全网节点。本发明将BFT共识的全连接网络优化为混合式连接，将连接的O(N^2)的复杂度降到O(N)，同时保证了消息在全网的广播，并对传统的BFT共识流程进行相关改造，实现了在该组网模式下BFT共识算法的正确性，在保证BFT共识算法效率的同时，让区块链能够应用于更大规模的场景。

Description

一种基于BFT共识的联盟链组网方法
技术领域
本发明涉及区块链技术，特别涉及一种基于BFT共识的联盟链组网方法。
背景技术
在BFT共识算法中，要求各成员组织的网络要互通，即P2P网络如图1所示。但是在实际应用过程中，这种组网方式十分复杂，网络访问关系为n*(n-1)/2，复杂度为O(n^2)，n为区块链节点数，当区块链网络节点增加时，区块链的效率下降十分显著，例如100个节点，网络访问关系为4950，也就是说这种组网方式不适合大规模的应用场景；另外，这种组网方式也使区块链网络的扩展性非常差。基于以上分析，对能够满足实际应用场景的组网方式的需求是十分迫切的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于BFT共识的联盟链组网方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于BFT共识的联盟链组网方法，该方法包括：
联盟链节点在组网时，通过配置文件来配置连接节点，且满足：节点连接数大于等于2，即任意一个节点保证至少与其他两个节点相连；连接的节点通过配置文件能够动态更新；
每个联盟链节点具有一个连接池和一个消息池；
新节点加入联盟链时，通过配置文件的目标节点列表获取到需要连接的目标节点，然后发起连接操作，通过带证书签名的交互消息，互相验证对方的身份，以此实现联盟链网络节点准入授权机制；
联盟链网络节点有变更时，更新节点的连接池及配置文件；
节点收到消息时，首先与其消息池里的消息进行比对，如果已经收到了该消息则直接返回，如果是新消息则放入消息池待处理，并把新消息广播到与其相连的其它节点，以此实现消息广播到全网节点。
进一步地，新节点可以是共识节点也可以是非共识节点，节点的角色通过配置指定。
进一步地，新节点加入联盟链时，连接步骤如下：
新节点启动，根据配置文件，向目标节点发起link操作；开启定时器，用于触发多次尝试连接；创建连接协程，用于处理与目标节点的连接交互；发起握手操作，申请连接资源；生成带证书签名的握手消息IdentityMsg，并发送IdentityMsg，等待目标节点的返回消息；
目标节点对收到的IdentityMsg进行签名验证，如果验证通过则发送带自己证书签名的Rsp消息，否则发送拒绝连接的Rsp消息；
新节点对收到的Rsp消息进解析，如果是拒绝连接消息则直接返回；如果是带签名的Rsp消息，则进行签名验证，如果证书验证不通过，则向目标节点发送拒绝连接消息，如果证书验证通过则发送验证通过消息；
目标节点对收到的消息进行解析，如果是拒绝连接消息，则直接返回；如果是验证通过消息则发送完成连接消息，并更新自己的连接池；
新节点收到目标节点的完成连接消息后，更新自己的连接池，完成连接。
进一步地，在节点完成建立连接时，启动一个心跳探测协程，定时探测连接池的连接情况；
如果连接正常则探测次数清零，并等待定时器触发下一次探测，如果探测失败则探测次数加一，并等待定时器触发下一次探测；
如果达到探测的最大次数，则将该连接移除自己的连接池，并更新该节点的连接配置文件。
进一步地，当节点的某一连接超时，发起重连操作，如果达到最大重连次数，则认为该连接已经失效，则从节点的连接池中删除该连接。
进一步地，联盟链节点共识的主要流程包括以下步骤：
(1)client发起交易到任意节点；
(2)节点收到交易请求后，进行合法性验证，通过验证后生成preprepare并转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点；其它节点收到该preprepare消息后，与节点的消息池进行比对，如果是第一次收到该消息则转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点，以此类推，实现全网广播；
(3)节点收到preprepare后，进行合法性验证，通过验证后生成prepare并转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点；其它节点收到该prepare消息后，与节点的消息池进行比对，如果是第一次收到该消息则转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点，以此类推，实现全网广播；
(4)如果节点收到大于2f个prepare消息，f为容错节点数，则生成commit消息，并转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点，其它节点收到该commit消息后，与节点的消息池进行比对，如果是第一次收到该消息则转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点，以此类推，实现全网广播；
(5)如果节点收到大于2f个commit消息，则认为已经全网达成了共识，则执行交易，生成区块，返回执行结果给client。
进一步地，当联盟链网络升级时，需要更新对应节点的网络配置，节点实时更新对应的网络连接池，用于消息转发，并从连接的节点上拉取区块。
进一步地，节点消息池中的消息如果已经处理过且该消息已经生成区块，则认为已经达到全网共识，将已经生成区块的消息从消息池中移除，以此保证消息池里的消息都是新收到且未达成共识的待处理消息。
本发明的有益效果是：本发明提出的基于BFT共识算法的联盟链组网方法，将BFT共识的全连接网络优化为混合式连接，将连接的O(N^2)的复杂度降到O(N)，同时保证了消息在全网的广播，并对传统的BFT共识流程进行相关改造，实现了在该组网模式下BFT共识算法的正确性；在保证BFT共识算法效率的同时，让区块链能够应用于更大规模的场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为P2P网络组网示意图；
图2为本发明联盟链组网示意图；
图3为新节点加入联盟链的连接流程图；
图4为消息转发机制示意图；
图5为区块链节点共识流程图；
图6为区块链网络扩展示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明在PBFT共识算法的基础上，保留原来的三阶段共识。为了实现达成共识要求，需要把消息广播到各个节点。这里特别说明，不同于传统的记账节点，传统的记账节点是不参与共识的，安全性及去中心化程度均比较低，本发明的区块链节点都参与了共识，保证了高安全性与去中心化的区块链特性，并且在性能上随着规模的增大没有明显的下降。共识算法之所以选择拜占庭容错(BFT)，是因为这类共识算法效率相对较高，另外可以容忍拜占庭节点和故障节点错误。
本发明联盟链组网的网络结构如图2所示，总体设计如下：
区块链网络节点在组网时，通过配置文件来配置连接节点，防止因为网络连接问题导致该节点成为网络中的孤岛，因此在设计时规定：
1.节点连接数大于等于2，即任意一个节点保证至少与其他两个节点相连；
2.连接的节点通过配置文件可以动态更新。
每个节点具有一个连接池和一个消息池。
本发明的组网方法主要用于联盟链网络的建立。不同于以太坊或者比特币的网络组建，它们节点的发现，主要是探寻目标节点的相近的其它节点，然后尝试连接，并更新自己的节点连接列表。本发明针对联盟链的特点，设计了配置文件来进行建立连接。因为联盟链不同于公有链，以太坊和比特币是一种公有链，公有链是一种非许可型链，也就是说任意节点可以加入区块链网络，那么其节点加入网络时可以和任意节点相连。联盟链是一种许可性的链，也就是说节点的连接，连接哪些节点是需要权限审核的。本发明通过配置文件的方式可以管理区块链网络节点的连接，以此达到联盟链网络的管控。
新节点可以是共识节点也可以是非共识节点，节点的角色通过配置可以指定。当新节点加入联盟链时，通过配置文件的目标节点列表获取到需要连接的目标节点，然后发起连接操作，通过带证书签名的交互消息，互相验证对方的身份，以此实现联盟链网络节点准入授权机制，如图3所示，具体包括以下步骤：
(1)新节点启动；
(2)新节点根据配置文件，向目标节点发起link操作；
(3)开启定时器，用于触发多次尝试连接；
(4)创建连接协程，用于处理与目标节点的连接交互；
(5)发起握手操作，申请连接资源；
(6)生成带证书签名的握手消息IdentityMsg；
(7)发送IdentityMsg；
(8)等待目标节点的返回消息；
(9)目标节点会对收到的IdentityMsg进行签名验证，如果验证通过则发送带自己证书签名的Rsp消息，否则发送拒绝连接的Rsp消息；
(10)新节点对收到的Rsp消息进解析，如果是拒绝连接消息则直接返回；如果是带签名的Rsp消息，则执行步骤(11)进行签名验证；
(11)如果证书验证不通过，则向目标节点发送拒绝连接消息；如果证书验证通过则发送验证通过消息；并等待目标节点的返回消息；
(12)目标节点对收到的消息进行解析，如果是拒绝连接消息，则直接返回；如果是验证通过消息则发送完成连接消息，并更新自己的连接池；
(13)新节点如果收到目标节点的完成连接消息，则更新自己的连接池，完成连接。
通过这种握手确认以及证书验证的方式确保了节点连接的安全性，互相验证了对方的身份信息(证书)。
在本申请实施例中，联盟链网络节点有变更时，例如节点的某一连接异常或新加入节点等情况，更新节点的连接池及配置文件，通过节点的配置文件和节点的连接池构建了联盟链的网络结构，可以快速的进行路由与定位相关资源。
在本申请实施例中，心跳机制具体如下：
在节点完成建立连接时，会启动一个心跳探测协程，会定时探测连接池的连接情况。如果连接正常则探测次数清零，并等待定时器触发下一次探测，如果探测失败则探测次数加一，并等待定时器触发下一次探测。如果达到探测的最大次数(即不正常的连接次数达到最大值)，则将该连接移除自己的连接池，并更新该节点的连接配置文件，以此保证连接池和配置文件的目标节点的连接都是正常通信的。
在本申请实施例中，网络恢复机制具体如下：
当节点的某一连接超时，因为方案设计节点的连接数大于等于2，这时并不会影响工作；但是为了网络的可靠性，当某一连接超时会发起重连操作，如果达到最大重连次数，则认为该连接已经失效，则从节点的连接池中删除该连接，完成连接池的更新。
在本申请实施例中，消息转发机制如图4所示，具体如下：
节点收到消息首先会与自己消息池里的消息进行比对，如果已经收到了该消息则直接返回，如果是新的消息则放入消息池待处理，并把新的消息广播到与自己相连的其它节点，以此实现消息广播到全网节点的目的。
在本申请实施例中，共识流程如图5所示，具体如下：
(1)client发起交易到任意节点；
(2)节点收到交易请求后，进行合法性验证(例如证书校验、消息摘要校验等)，通过验证后生成preprepare并转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点；其它节点收到该preprepare消息后，与节点的消息池进行比对，如果是第一次收到该消息则转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点，以此类推，实现全网广播；
(3)节点收到preprepare后，进行合法性验证，通过验证后生成prepare并转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点；其它节点收到该prepare消息后，与节点的消息池进行比对，如果是第一次收到该消息则转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点，以此类推，实现全网广播；
(4)如果节点收到大于2f个prepare消息(f为容错节点数，满足n＞3f+1，n为区块链节点数)，则生成commit消息，并转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点，其它节点收到该commit消息后，与节点的消息池进行比对，如果是第一次收到该消息则转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点，以此类推，实现全网广播；
(5)如果节点收到大于2f个commit消息，则认为已经全网达成了共识，则执行交易，生成区块，返回执行结果给client。
在本申请实施例中，区块链网络扩展如图6所示，具体如下：
当区块链网络升级时，需要更新对应节点的网络配置，节点实时更新对应的网络连接池，用于消息转发，并从连接的节点上拉取区块。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于BFT共识的联盟链组网方法，其特征在于，该方法包括：
联盟链节点在组网时，通过配置文件来配置连接节点，且满足：节点连接数大于等于2，即任意一个节点保证至少与其他两个节点相连；连接的节点通过配置文件能够动态更新。
每个联盟链节点具有一个连接池和一个消息池。
新节点加入联盟链时，通过配置文件的目标节点列表获取到需要连接的目标节点，然后发起连接操作，通过带证书签名的交互消息，互相验证对方的身份，以此实现联盟链网络节点准入授权机制。
联盟链网络节点有变更时，更新节点的连接池及配置文件。
节点收到消息时，首先与其消息池里的消息进行比对，如果已经收到了该消息则直接返回，如果是新消息则放入消息池待处理，并把新消息广播到与其相连的其它节点，以此实现消息广播到全网节点。
2.根据权利要求1所述的一种基于BFT共识的联盟链组网方法，其特征在于，新节点可以是共识节点也可以是非共识节点，节点的角色通过配置指定。
3.根据权利要求1所述的一种基于BFT共识的联盟链组网方法，其特征在于，新节点加入联盟链时，连接步骤如下：
新节点启动，根据配置文件，向目标节点发起link操作；开启定时器，用于触发多次尝试连接；创建连接协程，用于处理与目标节点的连接交互；发起握手操作，申请连接资源；生成带证书签名的握手消息IdentityMsg，并发送IdentityMsg，等待目标节点的返回消息；
目标节点对收到的IdentityMsg进行签名验证，如果验证通过则发送带自己证书签名的Rsp消息，否则发送拒绝连接的Rsp消息；
新节点对收到的Rsp消息进解析，如果是拒绝连接消息则直接返回；如果是带签名的Rsp消息，则进行签名验证，如果证书验证不通过，则向目标节点发送拒绝连接消息，如果证书验证通过则发送验证通过消息；
目标节点对收到的消息进行解析，如果是拒绝连接消息，则直接返回；如果是验证通过消息则发送完成连接消息，并更新自己的连接池；
新节点收到目标节点的完成连接消息后，更新自己的连接池，完成连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于BFT共识的联盟链组网方法，其特征在于，在节点完成建立连接时，启动一个心跳探测协程，定时探测连接池的连接情况；
如果连接正常则探测次数清零，并等待定时器触发下一次探测，如果探测失败则探测次数加一，并等待定时器触发下一次探测；
如果达到探测的最大次数，则将该连接移除自己的连接池，并更新该节点的连接配置文件。
5.根据权利要求1所述的一种基于BFT共识的联盟链组网方法，其特征在于，当节点的某一连接超时，发起重连操作，如果达到最大重连次数，则认为该连接已经失效，则从节点的连接池中删除该连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于BFT共识的联盟链组网方法，其特征在于，联盟链节点共识的主要流程包括以下步骤：
(1)client发起交易到任意节点；
(2)节点收到交易请求后，进行合法性验证，通过验证后生成preprepare并转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点；其它节点收到该preprepare消息后，与节点的消息池进行比对，如果是第一次收到该消息则转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点，以此类推，实现全网广播；
(3)节点收到preprepare后，进行合法性验证，通过验证后生成prepare并转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点；其它节点收到该prepare消息后，与节点的消息池进行比对，如果是第一次收到该消息则转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点，以此类推，实现全网广播；
(4)如果节点收到大于2f个prepare消息，f为容错节点数，则生成commit消息，并转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点，其它节点收到该commit消息后，与节点的消息池进行比对，如果是第一次收到该消息则转发到节点的连接池中与自己相连的其它节点，以此类推，实现全网广播；
(5)如果节点收到大于2f个commit消息，则认为已经全网达成了共识，则执行交易，生成区块，返回执行结果给client。
7.根据权利要求1所述的一种基于BFT共识的联盟链组网方法，其特征在于，当联盟链网络升级时，需要更新对应节点的网络配置，节点实时更新对应的网络连接池，用于消息转发，并从连接的节点上拉取区块。
8.根据权利要求1所述的一种基于BFT共识的联盟链组网方法，其特征在于，节点消息池中的消息如果已经处理过且该消息已经生成区块，则认为已经达到全网共识，将已经生成区块的消息从消息池中移除，以此保证消息池里的消息都是新收到且未达成共识的待处理消息。
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