CN112073483A - 基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识方法及***，所述区块链网络中由普通节点、记账节点、认证节点和监管节点组成；记账节点根据信誉排名从认证节点中选出，记账节点收集并验证普通节点发送来交易信息，将验证通过的交易加入生成的新区块；在新区块验证通过后，随机从监管节点中选出若干个节点组成委员会在提交的区块上签名进行背书；记账节点必须收集到足够的监管节点背书，才能把相关信息加入生成的新区块内。通过信誉度排名自动选择和激励记账节点，本发明可以减轻区块链网络的计算压力和延迟率，提高区块链网络的吞吐量；通过引入委员会背书机制解决监管问题。本发明为联盟区块链和私有区块链提供低成本高性能的技术方案。

Description

基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识方法及***
技术领域
本发明属于区块链技术领域，提出了一种基于信誉与委员会背书机制的的权威证明共识方法及***。
背景技术
区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。从本质上讲，它是一个共享数据库，存储于其中的数据或信息，具有“不可伪造”“全程留痕”“可以追溯”“公开透明”“集体维护”等特征。基于这些特征，区块链技术奠定了坚实的“信任”基础，创造了可靠的“合作”机制，具有广阔的运用前景。例如可以广泛适用于车联网自组织网络、智能电网边缘计算架构等物联网。
一般说来，区块链***由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成。共识层主要封装网络节点的各类共识算法。如刘懿中的“区块链共识机制研究综述”所述，目前常见的共识算法有工作量证明(Proof of Work,PoW)、股权证明(Proof of Stack,PoS)、授权股权证明(Delegated Proof of Stack,DPoS)等。PoW依赖机器的计算能力来获取记账权，资源消耗大且速度慢。PoS算法提高了区块生成速度，但成本很高。DPoS算法中每个持股人根据比例获得一定的投票权，投票产生记账节点，降低了计算成本但奖励分布不均匀且防御能力弱，安全性较低。
权威证明(Proof of Authority，PoA)是一种用于联盟和私有区块链的拜占庭容错共识算法，权威证明依赖于有限数量的块验证节点，是一种基于声誉的共识算法。块和事务由作为***管理员的监管机构预先批准的参与者进行验证，权威共识区块链是由可信任的验证节点保护的。验证者负责从客户端收集交易，创建区块并将其添加到链中。该算***流运行，在每一轮中，允许验证程序提出一个块。一旦添加了块，便达成了全局共识。
权威共识不需要高性能硬件。与PoW共识相比，PoA共识不需要节点花费计算资源来解决复杂的数学任务。不同于PoW和PoS共识，生成新块的时间间隔是可预测的。授权网络节点以指定的时间间隔按顺序生成块。这提高了验证交易的速度。虽然保证了效率和安全性，但是如S.De Angelis的“PBFT vs proof-of-authority:Applying the CAP theoremto permissioned blockchain”中所述，权威证明共识还存在不易监管和认证节点不作为的问题。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提出一种基于信誉与委员会背书机制的的权威证明共识方法。
为了实现上述目的，本发明提出一种基于信誉与委员会背书机制的的权威证明共识方法，所述区块链网络中由普通节点、记账节点、认证节点和监管节点组成；其中，记账节点根据信誉排名从认证节点中选出，记账节点收集并验证普通节点发送来交易信息，将验证通过的交易加入记账节点生成的新区块；在新区块验证通过后，会随机从监管节点中选出若干个节点组成委员会在提交的区块上签名进行背书；记账节点必须要收集到足够的监管节点背书，才能把其相关信息加入所要生成的新区块内。
而且，共识工作过程包含以下三个阶段，
1)准备阶段：实体和监管机构在区块链中实名注册为验证节点和监管节点，据节点信誉度生成信誉排名；
2)执行阶段，包括以下步骤，选举步骤，包括根据当前信誉度排名列表，随机从排名靠前的认证节点选取一个作为生成区块的记账节点；
预备步骤，包括由记账节点收集区块链中的交易信息并打包成区块；
验证步骤，包括从监管节点中随机选出若干个节点组成委员会，记账节点向委员会成员请求验证，在记账节点收集到足够数量的委员会签名后，就将背书签名添加进新区块；
接受步骤，包括由记账节点向全网的节点广播新区块，并获得信誉度奖励，进入下一轮执行；
3)存储阶段，在全网进行广播的新区块被存储在区块链上。
而且，节点信誉度的计算方式如下，
设评估集存在一组影响因子，记为S＝(S1,S2,...,Si,...,SI)，第i个影响因子是不同评价指标元素Si1,Si2,...,Sij...,SiJ的集合，记为Si＝(Si1,Si2,...,Sij...,SiJ)；其中，I是影响因子的数目，J是第i个影响因子的评价指标元素数目，i＝1,2,…,I，j＝1,2,…,J；
为每个Sij分配不同的权重Wij,然后计算加权平均值作为节点信誉度。
而且，设置每个记账节点的有效生命周期为X，每个记账节点的只接收X个交易；每当交易数量超过X时则由新的记账节点进行记录。
而且，X的取值范围优选为1-3。
而且，区块链接收新块需同时满足如下条件，
1)新区块是由当前记账节点生成的；
2)当前记账节点没有其他区块生成；
3)该区块已通过背书；
4)该区块已生成并正确签名。
本发明提供一种基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识***，用于执行如上所述的一种基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识方法。
本发明通过信誉度排名自动选择和激励记账节点，可以减轻区块链网络的计算压力和延迟率，提高区块链网络的吞吐量；通过引入委员会背书机制解决监管问题。该方法为联盟区块链和私有区块链提供低成本高性能的技术方案。
附图说明
图1为本发明实施例权威共识工作流程示意图。
图2为本发明实施例执行阶段的共识过程图。
图3为本发明实施例区块的基本数据结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例具体说明本发明的技术方案。
下面对本申请实施例中涉及的部分概念进行介绍。
区块链gas：为了防止节点的消极行为，例如不参与验证或者不去维护整个区块链，将节点信誉度与gas相关联，认证节点通过区块链使用智能合约提供服务则将消耗gas。在若干轮次后将根据信誉度为所有认证节点分配gas，对于认证节点来说，维持其信誉度是对收益非常重要的，以此激励充当记账节点的认证节点不作恶，遵守规则。
身份信誉度：采用身份信誉度作为激励机制，该机制将奖励遵守规则参与记账的节点，并且惩罚不遵守规则的节点。在用户可以随时查看认证节点的身份信誉度。承担验证节点的工作会得到奖励，提升公司的身份信誉度；
权威证明：一种基于声誉的共识算法，是由可信任的认证节点保护的。认证节点负责从客户端收集记录，创建区块并将其添加到链中。该算***流运行，在每一轮中，允许提出一个块。一旦添加了块，便达成了全局共识；
本发明实施例提供一种基于信誉与委员会背书机制的的权威证明共识方法，所述区块链网络中由普通节点、认证节点和监管节点组成；记账节点根据信誉排名从认证节点中选出，记账节点收集并验证普通节点发送来交易信息，将验证通过的交易加入记账节点生成的新区块。在新区块验证通过后，会随机从监管节点中选出几个节点组成委员会在提交的区块上签名，作为背书。要求记账节点必须要收集到足够的监管节点背书，然后才能把其相关信息加入所要生成的新区块内。
参见图1所示权威共识工作流程示意图。具体地，实施例所提供方法的共识工作过程包含三个阶段：
1)准备阶段：实体和监管机构在区块链中实名注册为验证节点和监管节点；设评估集存在一组影响因子，记为S＝(S1,S2,...,Si,...,SI)，而其中第i个影响因子是不同评价指标元素Si1,Si2,...,Sij...,SiJ的集合，记为Si＝(Si1,Si2,...,Sij...,SiJ)。其中，I是影响因子的数目，J是第i个影响因子的评价指标元素数目，i＝1,2,…,I，j＝1,2,…,J。
例如，设I＝3，J＝J1,J2,J3。
信誉因素S1为可选项，包括公司规模，收入，用户规模，近期是否被惩罚，合规历史情况等。
硬件因素S2包括服务器CPU，内存，队列缓冲区大小和性能等。
网络因素S3包括服务器带宽，网络延迟，服务器漏洞跟踪，数据集积压等。
构建了影响因素的评价指标元素集，为每个Sij分配不同的权重Wij,然后计算加权平均值作为节点信誉度，给出
Figure BDA0002654613470000041
根据节点信誉度生成信誉排名；
具体实施时，可以根据需要设置其他影响因子和的评价指标元素。也可以预先作为
2)参见图2所示执行阶段的共识过程图，执行阶段包括以下步骤：
2.1)选举步骤：根据当前信誉度排名列表，共识算法随机从排名前10％的认证节点中选取一个作为生成区块的记账节点，为避免记账节点腐败或被敌手刻意攻击，本发明限制每个记账节点的有效生命周期为X(即，每个记账节点的只接收X个交易；每当交易数量超过X时则由新的记账节点进行记录)。如果被选中的认证节点没有响应，那么共识算法将重新选择记账节点，并在超时的情况下重新发送请求。具体实施时，X可由用户根据需要预设，优选建议取值范围为1-3。
本实施例中，根据当前第k轮的信誉度排名列表，共识算法将任务O和时间戳T随机向排名前10％的认证节点之一P0发送Request(k，O，T)，即记账请求，若P0返回结果Reply(k，T，O，P0)，则它将作为本轮生成区块的记账节点。如果被选中的认证节点没有响应，那么共识算法将重新选择记账节点，并在超时的情况下重新发送请求；
2.2)预备步骤：当选为记账节点后，记账节点收集区块链中的交易信息并打包成区块。
本实施例中，当选为记账节点后，P0开始收集区块链中的交易信息TX＝{TX1,...,TXL}，并打包成区块Bk，其中TXl为交易信息。然后将其封装为预备请求
Figure BDA0002654613470000051
是记账节点对Request(k，O，T)的数字签名，作为当选记账节点的证明；
2.3)验证步骤：共识算法从监管节点中随机选出若干个节点组成委员会，记账节点向委员会成员请求验证，在记账节点收集到足够数量的委员会签名后，就将背书签名添加进新区块。
本实施例中，共识算法从监管节点中选出节点Du|u＝1,2,3,...,U组成委员会，记账节点向委员会成员发送预备请求Prepare进行验证，在通过验证后Du将发送验证请求
Figure BDA0002654613470000052
其中
Figure BDA0002654613470000053
是用P0公钥加密的Di对Prepare的背书签名，U是选出的节点总数，u为节点标号。在P0收集到v个委员会签名后(例如，3≤v≤U)，就将背书签名打包进区块Bk。
2.4)接受步骤：记账节点向全网的节点广播新区块，并获得信誉度奖励，进入下一轮。
本实施例中，P0向全网的节点广播Bk，并获得信誉度奖励rz，进入下一轮执行。记账节点的奖励信誉得分
Figure BDA0002654613470000054
其中E是前一个区块之后生成的记录数。T(e)是执行记录e消耗的gas，奖励因子S(e)被用来奖励或惩罚不同的行为。
3)存储阶段：在全网进行广播的新区块被存储在区块链上。
区块链接收新块的条件：
1)新区块是由当前记账节点生成的。
2)当前记账节点没有其他区块生成。
3)该区块已通过背书。
4)该区块已生成并正确签名。
以上4个条件需同时满足。
本实施例的实时区块数据包括前后衔接的包含记录序列的区块；
参见图3，图3为本发明实施例提供的区块的基本数据结构示意图，对各字段定义进行说明，具体如下：
块头Block header中包含以下字段：
Hash value of the formert block：每个块(第一个块(也称为“创世块”)除外)都将前一个块头的哈希保留在该字段中。
Merkle root：保证了区块链的完整性，如果攻击者在较早的块中修改了交易，将修改Merkle Root值，这将影响被攻击的块头哈希。
Hash value of formert block：当前区块的哈希值。
Time stamp：区块生成的时间戳。
Endorsement sighnature：与传统的块结构不同，本文提出的区块中还包含背书签名，用于生成区块时的验证。
块主体Block Body包含了某一轮的所有记录。例如Transaction Record 1、Transaction Record 2…
实际应用上述技术方案后，若记账节点想在当轮共识中破坏区块链***，必须联合一定数量的监管节点来一起造成损害，条件为：
1)认证节点中选出的记账节点必须要和监管节点同谋；
2)在这些同谋节点中，必须要有足够的节点被随机选中进行背书。
以上这两个条件实际上使记账节点很难做到利用他的权利生成不同的区块，***的稳定性被干扰的概率被大大的降低。
具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的***装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。
本发明实施例还提供一种基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识***，用于执行如上所述的一种基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识方法。基于本发明的方法，很容易实施本发明方法的***。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识方法，其特征在于：所述区块链网络中由普通节点、记账节点、认证节点和监管节点组成；其中，记账节点根据信誉排名从认证节点中选出，记账节点收集并验证普通节点发送来交易信息，将验证通过的交易加入记账节点生成的新区块；在新区块验证通过后，会随机从监管节点中选出若干个节点组成委员会在提交的区块上签名进行背书；记账节点必须要收集到足够的监管节点背书，才能把其相关信息加入所要生成的新区块内。
2.根据权利要求1所述基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识方法，其特征在于：共识工作过程包含以下三个阶段，
1)准备阶段：实体和监管机构在区块链中实名注册为验证节点和监管节点，据节点信誉度生成信誉排名；
2)执行阶段，包括以下步骤，
选举步骤，包括根据当前信誉度排名列表，随机从排名靠前的认证节点选取一个作为生成区块的记账节点；
预备步骤，包括由记账节点收集区块链中的交易信息并打包成区块；
验证步骤，包括从监管节点中随机选出若干个节点组成委员会，记账节点向委员会成员请求验证，在记账节点收集到足够数量的委员会签名后，就将背书签名添加进新区块；
接受步骤，包括由记账节点向全网的节点广播新区块，并获得信誉度奖励，进入下一轮执行；
3)存储阶段，在全网进行广播的新区块被存储在区块链上。
3.根据权利要求1所述基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识方法，其特征在于：节点信誉度的计算方式如下，
设评估集存在一组影响因子，记为S＝(S1,S2,...,Si,...,SI)，第i个影响因子是不同评价指标元素Si1,Si2,...,Sij...,SiJ的集合，记为Si＝(Si1,Si2,...,Sij...,SiJ)；其中，I是影响因子的数目，J是第i个影响因子的评价指标元素数目，i＝1,2,…,I，j＝1,2,…,J；
为每个Sij分配不同的权重Wij,然后计算加权平均值作为节点信誉度。
4.根据权利要求1所述基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识方法，其特征在于：设置每个记账节点的有效生命周期为X，每个记账节点的只接收X个交易；每当交易数量超过X时则由新的记账节点进行记录。
5.根据权利要求4所述基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识方法，其特征在于：X的取值范围优选为1-3。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识方法，其特征在于：区块链接收新块需同时满足如下条件，
1)新区块是由当前记账节点生成的；
2)当前记账节点没有其他区块生成；
3)该区块已通过背书；
4)该区块已生成并正确签名。
7.一种基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识***，其特征在于：用于执行如权利要求1至6任一项所述的一种基于信誉与委员会背书机制的权威证明共识方法。
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