CN112202775B - 一种有向无环图结构区块链的共识机制架构及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有向无环图结构区块链的共识机制架构及其方法，属于区块链技术领域。本发明首次提出了一种全新的区块DAG分叉模型，将区块DAG优化为分成网状结构，为区块DAG的排序提供了极大便利。通过对该模型进行分析，证明其具有高交易吞吐量的特征，且具有优良的扩展性。首次提出了一种基于区块DAG分叉模型的区块DAG分层排序算法，通过对DAG分层来对区块进行排序，从而消除了恶意节点伪造的区块和双花攻击对***的影响，具有高效且稳定的优良特性。首次提出了一种针对区块有向无环图的共识机制，将区块DAG中的共识问题转化为区块链中的共识问题，并使用已经成熟的区块链中的共识机制，解决了区块DAG中的共识问题。

Description

一种有向无环图结构区块链的共识机制架构及其方法
技术领域
本发明涉及一种有向无环图结构区块链的共识机制架构及其方法，属于区块链技术领域。
背景技术
在传统区块链中，当一个新的区块产生时，新的区块通常使用一个哈希指针来指向其父区块。所有的区块按照这种形式依次链接，形成一个以链式结构为主的区块链***。简单的链式结构能够带来很多好处。每个区块的哈希值在其子区块中都有所体现，从而赋予了区块链防篡改的优良特性。此外，链式结构使区块之间具有明确的先后顺序，这为排除交易的冲突以及抵抗“双花攻击”带来了很大便利。
但是，单链结构存在着明显的局限性。具体而言，单链区块链网络一次只能接受一个区块，大大限制了区块链***的交易吞吐率和***扩展性。同时，孤块的产生也造成了算力的浪费。例如，在比特币***中采用最长链共识，导致区块链分叉时产生大量的孤块，产生这些孤块同样需要耗费大量的算力。比特币***本身已经因为POW共识需要消耗大量算力而广被诟病，进一步在孤块上浪费算力，则更加无法接受。
同时，单链结构的最长链共识也给区块链***带来了如“自私挖矿”攻击这样的风险。
此外，为了尽量减少单链***中产生分叉，在各种区块链网络中都设置了一定的区块时间来保证一个区块可以尽量传播到网络中的每一个节点处，这又导致了***吞吐量大打折扣。例如，比特币中的区块时间为10分钟，也就是说比特币***10分钟只能接受一个区块，而一个区块中的交易个数十分有限，如果扩大一个区块的容量，使其容纳更多的交易，则区块时间也需要随之增长。
由此可见，单链结构自身的缺陷，是传统区块链***交易吞吐率地和***扩展性差的根本原因。
为了解除单链结构对于区块链***的限制，技术人员不断探索解决方法。2015年，Sergio Demian Lerner et al首次提出了DAG-Chain概念，提出使用DAG结构(DirectedAcyclic Graph，DAG，有向无环图)用于交易记录，每笔交易直接参与全网的交易排序。显然，使用DAG结构替代链式结构，从区块链的底层拓扑结构上对其进行改进更有效。将DAG结构作为网状结构，相比于链式结构具有天然的分叉优势，区块DAG的交易吞吐率和***扩展性必然会由于传统的区块链***。
但是，区块DAG技术仍然存在一些难以解决的关键问题。
首先，由于DAG结构本身的弊端，导致区块之间不具有明确的先后顺序。在单链中***中，两个块之间不存在相对排序的问题，因为每个区块都是线性排列且有明确的父级。而在区块DAG中，只能确定某个区块子集的相对排序，其他排序是不确定的，这种叫做部分排序，在区块链中完全不能接受。区块顺序的不确定性，导致区块DAG***在面对双花攻击时更加脆弱。因此，必须设计一种用于区块DAG的全局排序算法。
此外，由于区块DAG底层为网络结构，在实现共识时，相比于链式结构需要面临更多的困难。例如，分叉的普遍存在放大了网络时延对共识机制造成的影响。在区块DAG***中、在同样的区块时间内，区块DAG要产生数倍于区块链的区块，这就需要保证每个节点生成的区块之间存在差异性，而不是涵盖相似交易的区块。因此，为区块DAG设计一个共识算法也成为需要解决的关键问题之一。
为了能够同时满足区块DAG对于交易排序和***共识的需求，必须设计一种合适的区块DAG共识机制。
发明内容
本发明的目的是针对现有的区块DAG***的共识方面存在稳定性差、效率低的技术缺陷，为了能够同时满足区块DAG对于交易排序和***共识的需求，创造性地提出了一种有向无环图结构区块链的共识机制架构及其方法。
本发明的创新点在于：第一，首次提出了一种全新的区块DAG分叉模型，将区块DAG优化为分成网状结构，为区块DAG的排序提供了极大便利。通过对该模型进行分析，证明其具有高交易吞吐量的特征，且具有优良的扩展性。第二，首次提出了一种基于区块DAG分叉模型的区块DAG分层排序算法，通过对DAG分层来对区块进行排序，从而消除了恶意节点伪造的区块和双花攻击对***的影响，该算法具有高效且稳定的优良特性。第三，首次提出了一种针对区块有向无环图的共识机制，将区块DAG中的共识问题转化为区块链中的共识问题，并使用已经成熟的区块链中的共识机制，解决了区块DAG中的共识问题。
本发明采取的技术方案如下：
定义相关概念如下：
定义1：区块DAG，是指以有向无环图结构作为区块链的底层区块间连接的方式，从而得到的一种新型区块链范式。
定义2：实体区块，是指传统概念上的区块，实体区块由区块DAG网络中的节点打包交易生成。实体区块的区块体中为交易。
定义3：逻辑区块，是指将实体区块按照一定的规则排序后按顺序打包生成的区块，逻辑区块是真正存在于区块DAG中的区块。逻辑区块的区块体中为实体区块。
定义4：合并区块，是指将区块DAG中处于同一层的逻辑区块合并后生成的，用于区块DAG共识的区块。合并区块的区块体中为逻辑区块。
一种有向无环图结构区块链的共识机制架构及其方法，包括区块产生、区块排序、区块合并、合并区块链共识和区块拆分共5个步骤。
首先，产生区块DAG中的普通区块，即合并前的区块。当***中产生一笔新的交易后，该交易会被距离它最近的节点收集在它的交易池中，当一个节点收集了足够多的交易或者达到一定的时间间隔后，节点将其交易池中的所有交易打包生成一个新的区块。
然后，对未确认区块池中的未确认区块进行排序。区块排序过程，按照区块DAG排序算法对未确认的区块进行排序，同时，在该过程中解决***中可能存在的交易冲突和双花问题。
之后，按照区块排序过程中生成的区块序列对未确认的普通区块进行合并，生成合并区块，为合并区块链共识做准备。
而后，采用区块链中的共识算法对合并区块链进行共识，实现借助区块链的共识机制完成合区块DAG的共识过程。
最后，将共识后的合并区块拆分成普通区块，并将各普通区块加入各节点本地的区块DAG结构中。
有益效果
相对于现有技术，本发明有如下优点：
1.底层网络结构模型兼具高吞吐量、高扩展性与一致性。本发明提出的区块DAG模型，将DAG结构优化为分层的网状结构，结合了DAG结构和传统链式结构的优点，使得区块DAG***同时具有高吞吐量和高扩展性以及一致性的优点，能够在满足高吞吐量的要求下保证最终一致性。本发明，根据区块DAG网络中叶区块的个数实时调整区块DAG生长规则，既防止区块DAG因过度发散而导致生长失去控制，又防止区块DAG因过度收敛导致失去吞吐量优势。本发明提出的区块DAG模型具有分层网状结构，具有天然的排序优势，方便区块排序算法的设计，为区块排序算法的高效和稳定性提供了基础。
2.区块排序算法具有高效性与高稳定性。本发明提出的区块排序算法，相对于已有的区块DAG排序算法具有高稳定性和高效的优势。基于该算法提出的区块DAG模型，在分层网状结构的基础上对区块进行排序，利用区块的天然层次关系对区块进行稳定快速的排序；在排序时保留并利用了已存在区块的排序结果，新产生的区块的排序顺序与已存在区块顺序相关，从而避免每一轮区块排序时都对所有的区块排序，缩小了区块排序的对象空间，提高了区块排序的效率以及稳定性。
3.区块DAG共识机制具备稳定性、高效性和安全性。本发明提出的区块DAG共识机制基于成熟的区块链共识机制，具备完善的理论与应用基础。将区块DAG映射为合并区块链，同时，使用高效的联盟链共识算法，能够保证高效的共识效率。相对于已有的区块DAG共识机制，本发明具有更高的安全性，已有的区块DAG共识机制大都基于DAG网络中区块的累计权重以及网状结构，而网状结构相比于链式结构共识难度大、稳定性更差，因此，本发明将DAG结构优化为分层网状结构并进一步将分层网状结构映射为链式结构，从根本上提高了共识的效率以及安全性。
附图说明
图1为本发明的工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法做进一步详细说明。
首先，定义相关概念如下：
定义1：区块DAG，是指以有向无环图结构作为区块链的底层区块间连接的方式，从而得到的一种新型区块链范式。
定义2：实体区块，是指传统概念上的区块，实体区块由区块DAG网络中的节点打包交易生成。实体区块的区块体中为交易。
定义3：逻辑区块，是指将实体区块按照一定的规则排序后按顺序打包生成的区块，逻辑区块是真正存在于区块DAG中的区块。逻辑区块的区块体中为实体区块。
定义4：合并区块，是指将区块DAG中处于同一层的逻辑区块合并后生成的，用于区块DAG共识的区块。合并区块的区块体中为逻辑区块。
一种有向无环图结构区块链的共识机制架构及其方法，如图1所示，包括区块产生、区块排序、区块合并、合并区块链共识和区块拆分。具体流程如下：
步骤1：区块产生。
该步骤产生区块DAG中的普通区块，即合并前的区块。当***中产生一笔新的交易后，该交易会被距离它最近的节点收集在它的交易池中，当一个节点收集了足够多的交易或者达到一定的时间间隔后，节点将其交易池中的所有交易打包生成一个新的区块。
对于一个区块DAG，初始状态下不含有任何一个区块。***首先要生成一个根创世区块，作为***中第一个区块，并再生成m个形创世区块，同时，形创世区块作为***当前的叶区块。之后，每当***中的节点产生一个新的区块时，都将引用产生该区块的节点本地的n个叶区块。
步骤2：区块排序。
对未确认区块池中的未确认区块进行排序，由合并区块链的共识协议中的主节点来执行，包括区块分层和排序两部分。
其中，区块分层是区块DAG中的核心，将节点产生的实体区块按照实体区块的父区块分类，同一类的实体区块合并为逻辑区块，而同一个区块时间内产生的所有逻辑区块为同一层的区块，逻辑区块是分层后的区块DAG中真实存在的区块。经过区块分层之后，形成了分层的区块DAG结构。
排序是对区块池中的区块按照区块DAG的分层结进行排序，并对其中的交易进行验证。分层结构具有天然的排序优势，层数小的逻辑区块排序靠前，层数大的区块排序靠后。对于同一层的逻辑区块，按照其父区块们在上一层中的顺序进行排序。当交易排序时，交易首先按照所在区块的顺序排序，所在区块序靠前的交易排序就靠前；对于同一区块中的交易，则按照其被节点记录的时间排序。
经过上述步骤后，***得到交易的全局序列，此时对交易的冲突进行检测，若两个交易发生冲突，则保留顺序在前面的交易，顺序在后面的交易被标识为无效交易，从而排除了双花攻击。
步骤3：区块合并。
根据区块排序得到的排序结果，将区块序列中的区块按照在区块序列中的位置关系按序合并成一个或多个合并区块。此时，区块池中存储着已经有序的区块。将所有的区块按照一定的规则合并成一个或多个合并区块。负责排序的节点在得到逻辑区块后，按照共识协议将合并区块复制给其他节点，以便进行合并区块链共识。
步骤4：合并区块链共识。
对合并区块链进行共识，实现借助区块链的共识机制完成合区块DAG的共识过程。针对联盟链应用场景，可以选用联盟链中常用的共识算法，如实用拜占庭容错算法、Raft共识算法等，作为合并区块链共识时采用的协议。通过区块合并部分得到合并区块后，算法的主节点将合并区块使用该算法复制给其它从节点。***中其他从节点收到合并区块后，将其加入节点本地的合并区块链中，从而完成对合并区块链进行共识。
步骤5：区块拆分。
将共识后的合并区块拆分成普通区块，并将各普通区块加入各节点本地的区块DAG结构中。节点在得到合并区块后，各自独立地使用区块拆分算法对合并区块进行拆分，得到原始的实体区块，并按照各个区块中的父区块字段将实体区块加入节点本地的区块DAG中。
至此，即完成了对区块DAG的共识，各个节点在以上各步骤完成后，在本地维持了一个相同的区块DAG结构。

Claims (4)

1.一种有向无环图结构区块链的共识机制架构，其特征在于，包括区块产生、区块排序、区块合并、合并区块链共识和区块拆分5个部分；
其中，区块DAG，是指以有向无环图结构作为区块链的底层区块间连接的方式，从而得到的一种新型区块链范式；
实体区块，是指传统概念上的区块，实体区块由区块DAG网络中的节点打包交易生成，实体区块的区块体中为交易；
逻辑区块，是指将实体区块按照一定的规则排序后按顺序打包生成的区块，逻辑区块是真正存在于区块DAG中的区块，逻辑区块的区块体中为实体区块；
合并区块，是指将区块DAG中处于同一层的逻辑区块合并后生成的，用于区块DAG共识的区块，合并区块的区块体中为逻辑区块；
其中，区块产生用于产生区块DAG中的普通区块，即合并前的区块；
区块排序包括区块分层和排序两部分，区块分层是区块DAG中的核心，将节点产生的实体区块按照实体区块的父区块分类，同一类的实体区块合并为逻辑区块，而同一个区块时间内产生的所有逻辑区块为同一层的区块，逻辑区块是分层后的区块DAG中真实存在的区块；经过区块分层之后，形成了分层的区块DAG结构；排序是对区块池中的区块按照区块DAG的分层结进行排序，并对其中的交易进行验证；
区块合并负责根据区块排序得到的排序结果，将区块序列中的区块按照在区块序列中的位置关系按序合并成一个或多个合并区块；
合并区块链共识负责对合并区块链进行共识，实现借助区块链的共识机制完成合区块DAG的共识过程；
区块拆分将共识后的合并区块拆分成普通区块，并将各普通区块加入各节点本地的区块DAG结构中。
2.一种有向无环图结构区块链的共识机制架构方法，其特征在于，包括以下步骤：
定义相关概念如下：
定义1：区块DAG，是指以有向无环图结构作为区块链的底层区块间连接的方式，从而得到的一种新型区块链范式；
定义2：实体区块，是指传统概念上的区块，实体区块由区块DAG网络中的节点打包交易生成，实体区块的区块体中为交易；
定义3：逻辑区块，是指将实体区块按照一定的规则排序后按顺序打包生成的区块，逻辑区块是真正存在于区块DAG中的区块，逻辑区块的区块体中为实体区块；
定义4：合并区块，是指将区块DAG中处于同一层的逻辑区块合并后生成的，用于区块DAG共识的区块，合并区块的区块体中为逻辑区块；
首先，产生区块DAG中的普通区块，即合并前的区块；当***中产生一笔新的交易后，该交易会被距离它最近的节点收集在它的交易池中，当一个节点收集了足够多的交易或者达到一定的时间间隔后，节点将其交易池中的所有交易打包生成一个新的区块；对于一个区块DAG，初始状态下不含有任何一个区块，***首先要生成一个根创世区块，作为***中第一个区块，并再生成m个形创世区块，同时，形创世区块作为***当前的叶区块，之后，每当***中的节点产生一个新的区块时，都将引用产生该区块的节点本地的n个叶区块；
然后，对未确认区块池中的未确认区块进行排序，由合并区块链的共识协议中的主节点来执行，包括区块分层和排序两部分，将节点产生的实体区块按照实体区块的父区块分类，同一类的实体区块合并为逻辑区块，而同一个区块时间内产生的所有逻辑区块为同一层的区块，逻辑区块是分层后的区块DAG中真实存在的区块；经过区块分层之后，形成了分层的区块DAG结构；对区块池中的区块按照区块DAG的分层结进行排序，并对其中的交易进行验证，层数小的逻辑区块排序靠前，层数大的区块排序靠后；对于同一层的逻辑区块，按照其父区块们在上一层中的顺序进行排序；当交易排序时，交易首先按照所在区块的顺序排序，所在区块序靠前的交易排序就靠前；对于同一区块中的交易，则按照其被节点记录的时间排序；此时，***得到交易的全局序列，对交易的冲突进行检测，若两个交易发生冲突，则保留顺序在前面的交易，顺序在后面的交易被标识为无效交易，从而排除了双花攻击；
之后，根据得到的排序结果，将区块序列中的区块按照在区块序列中的位置关系按序合并成一个或多个合并区块，此时，区块池中存储着已经有序的区块；将所有的区块按照一定的规则合并成一个或多个合并区块；负责排序的节点在得到逻辑区块后，按照共识协议将合并区块复制给其他节点，以便进行合并区块链共识；
而后，对合并区块链进行共识，实现借助区块链的共识机制完成合区块DAG的共识过程；通过区块合并部分得到合并区块后，主节点将合并区块使用算法复制给其它从节点；***中其他从节点收到合并区块后，将其加入节点本地的合并区块链中，从而完成对合并区块链进行共识；
最后，节点在得到合并区块后，各自独立地使用区块拆分算法对合并区块进行拆分，得到原始的实体区块，并按照各个区块中的父区块字段将实体区块加入节点本地的区块DAG中。
3.如权利要求2所述的一种有向无环图结构区块链的共识机制架构方法，其特征在于，合并区块链进行共识过程中，选用实用拜占庭容错算法，作为合并区块链共识时采用的协议。
4.如权利要求2所述的一种有向无环图结构区块链的共识机制架构方法，其特征在于，合并区块链进行共识过程中，选用Raft共识算法，作为合并区块链共识时采用的协议。
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