CN112153136B - 一种新型区块链共识算法rbft的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型区块链共识算法RBFT的实现方法。本发明能有效防止恶意节点攻击。RBFT共识算法在总节点数为3f+1时能够容忍f个恶意节点的攻击,因此采用该共识算法的区块链***能够拥有和采用PBFT共识算法的区块链***相同的安全性。和PBFT共识算法相比,RBFT共识算法由于少了一次多对多全节点广播,因此在网络流量和交互次数上都比PBFT更低,因此具有更高的共识性能,能用应用在更广泛的场景中。
Description
技术领域
本发明涉及区块链技术领域,具体涉及一种新型区块链共识算法RBFT的实现方法。
背景技术
现有区块链***共识算法存在的问题:
(1)能容忍恶意节点,但性能低下。目前区块链***常见的提供安全性保障的共识算法,如pow共识算法,pbft共识算法。他们都能容忍一定数量的恶意节点,但是性能较低,无法使用在大规模的应用场景中。
(2)性能较高,但不能容忍恶意节点。目前区块链***常见的提供高效处理性能的共识算法,如raft共识算法,基于kafka的背书验证共识算法。他们都能提供很高的共识性能,但是却无法防止共识节点中的恶意节点作恶。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提供的一种新型区块链共识算法RBFT的实现方法解决了现有区块链***的共识算法在安全与性能上的矛盾关系的问题。
为了达到上述发明目的,本发明采用的技术方案为:一种新型区块链共识算法RBFT的实现方法,包括以下步骤:
S1、通过客户端的共识请求完成共识;
S2、当检测到心跳超时或共识失败时,进行主节点的视图切换;
S3、对视图切换后的主节点落后的副节点进行同步,完成RBFT共识算法。
进一步地:所述步骤S1的具体步骤为:
S11、通过客户端将共识请求Request<channel,env>发送给任意一个orderer节点;
其中,channel为交易所属的通道ID,env为交易实体;
S12、当收到客户端请求的orderer节点不是当前共识集群的leader节点,则通过该orderer节点将共识请求转发给leader节点,否则,判断leader节点能否出块,若出块则进入步骤S13,否则返回步骤S11;
S13、将区块数据追加到本地日志,并通过leader节点向自己和其他follower节点广播日志追加信息Append<MsgApp,height,term,blockData,sig,cert>;
其中,MsgApp为追加日志的消息类型,height为当前共识的区块高度,term为当前主节点任期,blockData为区块数据,sig为节点对(height,blockData)的签名,cert为身份证书;
S14、通过leader节点和follower节点对所有节点发送广播消息AppResp<MsgAppResp,height,blockHash,sig1,cert>;
其中,MsgAppResp为追加响应消息类型,blockHash为区块数据的hash值,sig1为发送方对(height,blockHash)的签名;
S15、当leader节点和follower节点在收到法定人数的AppResp广播消息后提交区块到本地账本,完成本轮共识。
进一步地:所述步骤S2的具体步骤为:
S21、当检测到心跳超时,或共识失败时,触发视图切换;
S22、组装消息<<id,term+1,voteMsgType>,sign<id,term+1,voteMsgType>>,并将该消息广播给共识集群内的其他节点;
其中,id为发起换主的节点号,term为下一个主节点的任期,voteMsgType为投票消息类型,sign为使用私钥对id+term+voteMsgType进行签名后的数据;
S23、当节点收到组装消息后,验证组装消息的签名,当验证未通过则丢弃该组装消息,否则判断term+1与本地的localTerm相同,则发送<<id,localTerm,voteMsgType>,sign(id,localTerm,voteMsgType)>给该节点,如果收到大于2/3个合法有效的组装消息后,将本地的localTerm锁定到term+1;
其中,localTerm为本地主节点的任期;
S24、根据任期号采用取模方法计算当前的主节点号,当前主节点的编号为localTerm%n+1,完成视图切换。
进一步地:所述步骤S3的具体步骤为:
S31、当副节点的提交记录小于主节点分发的日志高度N时,触发节点同步流程;
S32、当其它节点收到类型为MsgGetHash的消息m后,根据GetIndexHash方法在本地数据库中寻找到索引为N-1到N的block,计算其hash值,并返回类型主MsgGetHashRes的消息m2到副节点;
S33、当副节点收到的Hash字段相等的元素个数大于f+1时,认为该元素有效,遍历每个节点返回的[]blockhash,当这些节点Index为i的blockhash,其Hash值相等的个数大于f+1,则认为索引为i的block日志有效;
其中,2f+1为发送索引为N的消息来源节点集合中发送索引为N的消息个数,[]blockhash为区块的hash队列,Index为区块的序号,Hash为区块的hash;
S34、在f+1个节点中随机选择一个节点,向其发送类型为MsgGetData的Message消息;
S35、当f+1个节点中的一个节点接收到Message消息后,根据GetIndexData方法在本地区块数据中找到相应的block集合,并返回类型主MsgGetDataRes的消息;
S36、在请求节点接收到MsgGetDataRes消息后,遍历[]indexblock,计算每个Data的hash值,如果与前面接收的hash值一致,则将该Data追加到本地数据库中;
其中,Data为block的值。
进一步地:所述步骤S31的具体步骤为:
为了防止在Append阶段,主节点恶意不将区块分发到某个副节点,该副节点在AppResp阶段,接收来自其它节点的MsgAppResp消息m,若m的Index为N,由于副节点未接收到来自主节点分发的高度为N的日志,因此副节点本地的提交记录小于N,此时触发节点同步流程。
本发明的有益效果为:
(1)本发明能有效防止恶意节点攻击。RBFT共识算法在总节点数为3f+1时能够容忍f个恶意节点的攻击,因此采用该共识算法的区块链***能够拥有和采用PBFT共识算法的区块链***相同的安全性。
(2)本发明具有较高的共识性能。和PBFT共识算法相比,RBFT共识算法由于少了一次多对多全节点广播,因此在网络流量和交互次数上都比PBFT更低,因此具有更高的共识性能,能用应用在更广泛的场景中。
附图说明
图1为本发明流程图;
图2为共识算法的工作原理图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示,一种新型区块链共识算法RBFT的实现方法,包括以下步骤:
S1、通过客户端的共识请求完成共识;
如图2所示,具体步骤为:
S11、Request阶段。通过客户端将共识请求Request<channel,env>发送给任意一个orderer节点;
其中,channel为交易所属的通道ID,env为交易实体;
S12、Submit阶段。当收到客户端请求的orderer节点不是当前共识集群的leader节点,则通过该orderer节点将共识请求转发给leader节点,否则,判断leader节点能否出块,若出块则进入步骤S13,否则返回步骤S11;
S13、Append阶段。将区块数据追加到本地日志,并通过leader节点向自己和其他follower节点广播日志追加信息Append<MsgApp,height,term,blockData,sig,cert>;
其中,MsgApp为追加日志的消息类型,height为当前共识的区块高度,term为当前主节点任期,blockData为区块数据,sig为节点对(height,blockData)的签名,cert为身份证书;
S14、MsgAppResp阶段。通过leader节点和follower节点对所有节点发送广播消息AppResp<MsgAppResp,height,blockHash,sig1,cert>;
其中,MsgAppResp为追加响应消息类型,blockHash为区块数据的hash值(这里采用hash值替代区块数据以减少广播的网络数据量,避免出现网络拥塞),sig1为发送方对(height,blockHash)的签名;
S15、Commit阶段。当leader节点和follower节点在收到法定人数的AppResp广播消息后提交区块到本地账本,完成本轮共识。
S2、当检测到心跳超时或共识失败时,进行主节点的视图切换;
具体步骤为:
S21、当检测到心跳超时,或共识失败时,触发视图切换;
S22、组装消息<<id,term+1,voteMsgType>,sign<id,term+1,voteMsgType>>,并将该消息广播给共识集群内的其他节点;
其中,id为发起换主的节点号,term为下一个主节点的任期,voteMsgType为投票消息类型,sign为使用私钥对id+term+voteMsgType进行签名后的数据;
S23、当节点收到组装消息后,验证组装消息的签名,当验证未通过则丢弃该组装消息,否则判断term+1与本地的localTerm相同,则发送<<id,localTerm,voteMsgType>,sign(id,localTerm,voteMsgType)>给该节点,如果收到大于2/3个合法有效的组装消息后,将本地的localTerm锁定到term+1;
其中,localTerm为本地主节点的任期;
S24、根据任期号采用取模方法计算当前的主节点号,当前主节点的编号为localTerm%n+1,完成视图切换。
S3、对视图切换后的主节点落后的副节点进行同步,完成RBFT共识算法。
具体步骤为:
S31、当副节点的提交记录小于主节点分发的日志高度N时,触发节点同步流程;
在AppResp阶段,每个副节点都会将MsgAppResp消息广播到其它的副节点。为了防止在Append阶段,主节点恶意不将区块分发到某个副节点(例如副节点3),该副节点3在AppResp阶段,接收来自其它节点的MsgAppResp消息m,若m的Index为N,由于副节点3未接收到来自主节点分发的高度为N的日志,因此副节点本地的提交记录小于N,假设为N-2,此时触发节点同步流程。
假设prs为2f+1个发送索引为N的消息来源的集合,副节点3遍历prs节点的id,利用send方法将Mssage类型的消息m传送到每个节点,m的内容如下:
成员 | To | Type | Index |
值 | 节点id | MsgGetHash | N-2 |
含义 | 消息接收方 | 消息类型 | 区块序号 |
S32、当其它节点(例如节点2)收到类型为MsgGetHash的消息m后,根据GetIndexHash方法在本地数据库中寻找到索引为N-1到N的block,计算其hash值,并返回类型主MsgGetHashRes的消息m2到副节点;Message消息具体赋值如下:
成员 | To | IndexHash | Index |
值 | m的发送方 | []blockhash | N |
含义 | 消息接收方 | 区块的hash队列 | 区块起始序号 |
其中blockhash的结构如下:
字段 | Index | Hash |
含义 | 区块的序号 | 区块的hash |
Index为block的区块号;Hash字段为对block计算得到的hash值。
S33、当副节点收到的Hash字段相等的元素个数大于f+1时,认为该元素有效,遍历每个节点返回的[]blockhash,当这些节点Index为i的blockhash,其Hash值相等的个数大于f+1,则认为索引为i的block日志有效。
其中,2f+1为发送索引为N的消息来源节点集合中发送索引为N的消息个数,[]blockhash为区块的hash队列,Index为区块的序号,Hash为区块的hash;
S34、在f+1个节点中随机选择一个节点,向其发送类型为MsgGetData的Message消息;赋值如下:
成员 | To | Type | Index |
值 | 节点id | MsgGetData | N-2 |
含义 | 消息接收方 | 消息类型 | 区块序号 |
S35、当f+1个节点中的一个节点接收到Message消息后,根据GetIndexData方法在本地区块数据中找到相应的block集合,并返回类型主MsgGetDataRes的消息;
成员 | To | IndexBlocks | Index |
值 | m的发送方 | []indexblock | N-2 |
含义 | 消息接收方 | 区块队列 | 区块起始序号 |
其中indexblock为如下的结构体
字段 | Index | Data |
含义 | 区块的序号 | 区块的数据 |
Index为block的区块号;Data为block的值。
S36、在请求节点接收到MsgGetDataRes消息后,遍历[]indexblock,计算每个Data的hash值,如果与前面接收的hash值一致,则将该Data追加到本地数据库中。
Claims (2)
1.一种新型区块链共识算法RBFT的实现方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、通过客户端的共识请求完成共识;
S2、当检测到心跳超时或共识失败时,进行主节点的视图切换;
S3、对视图切换后的主节点落后的副节点进行同步,完成RBFT共识算法;
所述步骤S1的具体步骤为:
S11、通过客户端将共识请求Request<channel,env>发送给任意一个orderer节点;
其中,channel为交易所属的通道ID,env为交易实体;
S12、当收到客户端请求的orderer节点不是当前共识集群的leader节点,则通过该orderer节点将共识请求转发给leader节点,否则,判断leader节点能否出块,若出块则进入步骤S13,否则返回步骤S11;
S13、将区块数据追加到本地日志,并通过leader节点向自己和其他follower节点广播日志追加信息Append<MsgApp,height,term,blockData,sig,cert>;
其中,MsgApp为追加日志的消息类型,height为当前共识的区块高度,term为当前主节点任期,blockData为区块数据,sig为节点对(height,blockData)的签名,cert为身份证书;
S14、通过leader节点和follower节点对所有节点发送广播消息AppResp<MsgAppResp,height,blockHash,sig1,cert>;
其中,MsgAppResp为追加响应消息类型,blockHash为区块数据的hash值,sig1为发送方对(height,blockHash)的签名;
S15、当leader节点和follower节点在收到法定人数的AppResp广播消息后提交区块到本地账本,完成本轮共识;
所述步骤S2的具体步骤为:
S21、当检测到心跳超时,或共识失败时,触发视图切换;
S22、组装消息<<id,term+1,voteMsgType>,sign<id,term+1,voteMsgType>>,并将该消息广播给共识集群内的其他节点;
其中,id为发起换主的节点号,term为下一个主节点的任期,voteMsgType为投票消息类型,sign为使用私钥对id+term+voteMsgType进行签名后的数据;
S23、当节点收到组装消息后,验证组装消息的签名,当验证未通过则丢弃该组装消息,否则判断term+1与本地的localTerm相同,则发送<<id,localTerm,voteMsgType>,sign(id,localTerm,voteMsgType)>给该节点,如果收到大于2/3个合法有效的组装消息后,将本地的localTerm锁定到term+1;
其中,localTerm为本地主节点的任期;
S24、根据任期号采用取模方法计算当前的主节点号,当前主节点的编号为localTerm%n+1,完成视图切换;
所述步骤S3的具体步骤为:
S31、当副节点的提交记录小于主节点分发的日志高度N时,触发节点同步流程;
S32、当其它节点收到类型为MsgGetHash的消息m后,根据GetIndexHash方法在本地数据库中寻找到索引为N-1到N的block,计算其hash值,并返回类型主MsgGetHashRes的消息m2到副节点;
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其中,2f+1为发送索引为N的消息来源节点集合中发送索引为N的消息个数,[]blockhash为区块的hash队列,Index为区块的序号,Hash为区块的hash;
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2.根据权利要求1所述的新型区块链共识算法RBFT的实现方法,其特征在于,所述步骤S31的具体步骤为:
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"基于拜占庭容错的联盟链共识算法研究";孙海锋;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20200315;全文 * |
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