CN114499874B - 一种应用于工业互联网的拜占庭容错共识优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于区块链技术共识算法领域，具体涉及一种应用于工业互联网的拜占庭容错共识优化方法；该方法包括：协调阶段、准备阶段、投票阶段和提交阶段；协调阶段在区块链***中选举Q个领导者，每个领导者配置一个协调者，其中协调者为在领导者集合中随机选取的领导者，每个领导者只能作为一个领导者的协调者；准备阶段客户端向所有领导者和协调者广播区块生成请求；投票阶段领导者和协调者对区块生成请求进行投票表决；提交阶段，领导者和协调者验证投票结果，若验证通过，则达成共识，若验证不通过，则共识失败；各个节点重复执行拜占庭容错共识优化算法，直到所有的节点完成共识；与现有技术相比，具有更低的时延、更高的吞吐量和更大的节点容量。

Description

一种应用于工业互联网的拜占庭容错共识优化方法
技术领域
本发明属于区块链技术共识算法领域，具体涉及一种应用于工业互联网的拜占庭容错共识优化方法。
背景技术
拜占庭错误指的是恶意节点为了阻挠真实信息的传递以及有效一致的达成，会向各个节点发送前后不一致的信息，能够处理拜占庭错误的这种容错性,就叫做拜占庭容错。拜占庭容错共识算法，就是假设区块链网络环境包括运行正常的服务器、故障的服务器和破坏者的服务器情况下，如何在正常的节点间形成对网络状态的共识。
加密货币的使用促进了拜占庭容错(BFT)在许多区块链***中使用。与工作量证明方法(POW)相比，BFT协议在计算效率等方面具有一定优势。BFT已经在分布式***的背景下得到了充分的研究，出现了PBFT(实用拜占庭容错公式算法)等算法。解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题，将算法复杂度由指数级降低到多项式级，使得拜占庭容错算法在实际***应用中变得可行。在超级账本Fabric0.6中主要使用的就是这种算法。它可以在失效节点不超过总节点数1/3的情况下保证消息传递的正确可靠。
PBFT本质上就是利用通信次数换取可靠性。每个命令的执行都需要节点间两两交互去核验消息，这产生了比较高的通信代价，且PBFT算法属于通信密集型协议算法，只适用于小规模即节点数量较少的***。当增加***节点数量时会使得该协议算法性能急剧下降，为了提高性能即提高通信效率，出现了例如HotStuff、Streamlet、SBFT等算法，但是这些协议因为具有单一领导者瓶颈而导致具有有限的扩展性与性能表现。为了扩展***并增加吞吐量，亟需一种能够对拜占庭容错共识进行优化，减弱单一领导者瓶颈对***性能造成的影响的方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种应用于工业互联网的拜占庭容错共识优化方法，该方法包括：
设计一个区块链***，该***包含N个客户端，所有客户端中容错节点数共为F，领导者数为Q；所有的领导者构成领导者集合Ls；其中，N≥3F+1，Q为小于或等于N的随机数；构建局部通信模型，根据局部通信模型对区块链***中的各个节点执行拜占庭容错共识优化算法，使得各个节点达成共识；
执行拜占庭容错共识优化算法包括协调阶段、准备阶段、投票阶段以及提交阶段；协调阶段在区块链***中选举Q个领导者，每个领导者配置一个协调者，其中协调者为在领导者集合中随机选取的领导者，每个领导者只能作为一个领导者的协调者；准备阶段客户端向所有领导者和协调者广播区块生成请求；投票阶段领导者和协调者对区块生成请求进行投票表决；提交阶段，领导者和协调者验证投票结果，若验证通过，则达成共识，若验证不通过，则共识失败；各个节点重复执行拜占庭容错共识优化算法，直到所有的节点完成共识。
优选的，构建局部通信模型包括：设定网络延迟阈值δ；设置时间周期t，在执行拜占庭容错共识优化算法过程中，所有诚实领导者在设置的时间周期t内完成信息通信过程；当其中一个诚实领导者发送一条通信信息时，另一个拟接收讯息的诚实领导者在δ的时间内接收到该信息。
优选的，在区块链***中选举Q个领导者包括：指定协调器Cr循环选举Q个领导者；从领导者集合Ls中为每个领导者分别配置一个不同的协调者，且每个领导者只能作为一个领导者的协调者；协调者对领导者进行序列号划分，得到分区空间；协调者记录轮次信息。
优选的，准备阶段包括：领导者和协调者进行状态机日志复制产生副本，根据分区空间对副本进行分区空间划分，得到副本分区空间；协调者更新轮次信息，并根据分区空间向其对应的领导者发送轮次变化信息；领导者在轮次变化信息上签名并将签名信息回复给协调者。
进一步的，协调者向其对应的领导者发送轮次变化信息包括：协调者采用密码学原理对轮次变化信息进行数字签名，得到局部签名信息；协调者将局部签名信息发送给协调者所属区块的所有领导者。
进一步的，领导者接收所有协调者的局部签名信息σi＝signiBj；领导者使用签名聚合方式将接收的局部签名信息整合成单一签名σ＝AggSign(signi(Bj)i∈N)；领导者将所有单一签名σ聚合到签名AggQC中；其中，σi表示第i个局部签名，signi表示对区块进行签名，Bj表示第j个区块，Agg表示聚合成单一签名，N表示客户端个数。
进一步的，领导者将签名信息回复给协调者包括：协调者收到领导者的回复信息；协调者根据接收到的回复信息创建RoundQC；协调者将RoundQC信息广播给该轮次的所有领导者，RoundQC表示协调者产生的信息。
优选的，投票阶段包括：领导者收到区块生成请求后，生成拟区块并在拟区块上进行签名，将签名后的拟区块作为投票信息；副本对投票信息进行签署验证，若验证失败，则共识失败；若验证通过，则领导者向其他领导者发送投票信息，将所有投票信息整合为一个投票集{votes}；领导者收到其他领导者发送的投票信息，根据投票信息生成投票结果。
优选的，副本对投票信息进行签署验证的过程包括：副本根据副本分区空间得到副本投票结果，将领导者收到的投票结果与副本投票结果比较，若结果相同，则验证通过，若结果不同，则验证不通过。
优选的，提交阶段包括：验证通过后，客户端向协调者节点发送commit消息；协调者将commit消息发送给领导者；领导者向客户端回复reply消息，共识结束。
本发明的有益效果为：本发明以PBFT算法为基础，通过使每个节点均可以成为领导者，并为每个领导者配置一个协调者，使所有领导者可以在并行阶段进行通信；通过设定局部通信模型，在局部通信模型下进行共识，进而达到全局通信与共识的实现；对比于传统的拜占庭容错共识算法而言，解决了其中由于单一领导者瓶颈所导致的无法承载大容量节点问题，使得***可以提高区块的产生速率与共识效率，进而达到降低延迟和提高吞吐量的效果，本发明与现有技术中的POW、DPOS、CBFT、PBFT等算法相比，具有更低的时延、更高的吞吐量和更大的节点容量。
附图说明
图1为本发明中共识过程示意图；
图2为本发明中共识节点与区块链的交流概况示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种应用于工业互联网的拜占庭容错共识优化方法，如图1所示，所述方法包括：
设计一个区块链***，该***包含N个客户端，所有客户端中容错节点数共为F，领导者数为Q；所有的领导者构成领导者集合Ls；其中，N≥3F+1，Q为小于或等于N的随机数；构建局部通信模型，根据局部通信模型对区块链***中的各个节点执行拜占庭容错共识优化算法，使得各个节点达成共识；
执行拜占庭容错共识优化算法包括协调阶段、准备阶段、投票阶段以及提交阶段；协调阶段在区块链***中选举Q个领导者，每个领导者配置一个协调者，其中协调者为在领导者集合中随机选取的领导者，每个领导者只能作为一个领导者的协调者；准备阶段客户端向所有领导者和协调者广播区块生成请求；投票阶段领导者和协调者对区块生成请求进行投票表决；提交阶段，领导者和协调者验证投票结果，若验证通过，则达成共识，若验证不通过，则共识失败；各个节点重复执行拜占庭容错共识优化算法，直到所有的节点完成共识。
构建局部通信模型包括：设定网络延迟阈值δ，阈值δ的设定需保证任何情况下均可通过实现线性通信复杂度来能实现N个节点并行通信；设置时间周期t，在执行拜占庭容错共识优化算法过程中，所有诚实领导者在设置的时间周期t内完成信息通信过程；当其中一个诚实领导者在某一轮共识中发送一条通信信息时，另一个诚实的拟接收讯息的领导者在δ的时间内接收到该信息。
在区块链***中选举Q个领导者包括：指定协调器Cr循环选举Q个领导者；从领导者集合Ls中为每个领导者分别配置一个不同的协调者，且每个领导者只能作为一个领导者的协调者；协调者记录轮次信息；协调者从领导者集合中循环随机选出，负责引导每轮共识过程并记录当前共识轮次；为了避免领导者之间出现通信冲突，协调者并对领导者进行序列号划分，为每个领导者划分一个分区空间。
进入准备阶段：客户端将区块生成请求发送给领导者，具体的，客户端动态的向领导者发送多个独立请求<Request,t,O,id>；其中，t为时间，O为操作操作号，id为客户端id。
领导者和协调者进行状态机日志复制产生副本，根据分区空间对副本进行分区空间划分，得到副本分区空间；协调者更新轮次信息，并根据分区空间向其对应的领导者发送轮次变化信息；领导者在轮次变化信息上签名并将签名信息回复给协调者。
协调者向其对应的领导者发送轮次变化信息包括：协调者采用密码学原理对轮次变化信息进行数字签名，得到局部签名信息；协调者将局部签名信息发送给协调者所属区块的所有领导者。
领导者在轮次变化信息上签名包括：领导者接收所有协调者的局部签名信息σi＝signiBj；领导者使用签名聚合方式将接收的局部签名信息整合成单一签名σ＝AggSign(signi(Bj)i∈N)；领导者将所有单一签名σ聚合到签名AggQC中；其中，σi表示第i个局部签名，signi表示对区块进行签名，Bj表示第j个区块，Agg表示聚合成单一签名，N表示客户端个数。
领导者将签名信息回复给协调者包括：协调者收到领导者的回复信息；协调者创建RoundQC；协调者根据接收到的回复信息将RoundQC信息广播给该轮次的所有领导者；RoundQC表示协调者产生的信息，RoundQC信息包含签名信息。
投票阶段包括：领导者收到区块生成请求后，生成拟区块并在拟区块上进行签名，将签名后的拟区块作为投票信息；副本对投票信息进行签署验证，签署过程为：采用标准数字签名和公开密钥基础设施PKI识别***中的所有签名信息，副本根据副本分区空间得到副本投票结果，将领导者收到的投票结果与副本投票结果比较，若结果相同，则验证通过，若结果不同，则验证不通过；若验证通过，则领导者向其他领导者发送投票信息；为减少投票阶段的通信复杂度，将所有投票信息整合为一个投票集{votes}；领导者收到其他领导者发送的投票信息后，根据投票信息以少数服从多数的原则生成投票结果；
客户端接收由副本签署后的投票信息，表示为<Reply,r,t,L>，其中，r为整数，L为执行客户端请求的领导标识。
进入提交阶段，提交阶段包括：验证通过后，客户端向协调者发送commit消息；协调者将commit消息发送给领导者；领导者向客户端回复reply消息，共识结束。
共识节点与区块链之间的信息交流概况如图2所示，验证通过后，客户端向协调者节点发送commit消息并同步共识网络中所有共识节点，为下一轮共识做准备；协调者将commit消息发送给领导者；领导者向客户端回复reply消息，将达成的共识向全网广播，本轮共识结束。
本发明以PBFT算法为基础，通过使每个节点均可以成为领导者，并为每个领导者配置一个协调者，使所有领导者可以在并行阶段进行通信；通过设定局部通信模型，在局部通信模型下进行共识，进而达到全局通信与共识的实现；对比于传统的拜占庭容错共识算法而言，解决了其中由于单一领导者瓶颈所导致的无法承载大容量节点问题，使得***可以提高区块的产生速率与共识效率，进而达到降低延迟和提高吞吐量的效果，本发明与现有技术中的POW、DPOS、CBFT、PBFT等算法相比，具有更低的时延、更高的吞吐量和更大的节点容量。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种应用于工业互联网的拜占庭容错共识优化方法，其特征在于，包括：
设计一个区块链***，该***包含N个客户端，所有客户端中容错节点数共为F，领导者数为Q；所有的领导者构成领导者集合Ls；其中，N≥3F+1，Q为小于或等于N的随机数；构建局部通信模型，根据局部通信模型对区块链***中的各个节点执行拜占庭容错共识优化算法，使得各个节点达成共识；构建局部通信模型包括：设定网络延迟阈值δ；设置时间周期t，在执行拜占庭容错共识优化算法过程中，所有诚实领导者在设置的时间周期t内完成信息通信过程；当其中一个诚实领导者发送一条通信信息时，另一个拟接收讯息的诚实领导者在δ的时间内接收到该信息；
执行拜占庭容错共识优化算法包括协调阶段、准备阶段、投票阶段以及提交阶段；协调阶段在区块链***中选举Q个领导者，每个领导者配置一个协调者，其中协调者为在领导者集合中随机选取的领导者，每个领导者只能作为一个领导者的协调者；准备阶段客户端向所有领导者和协调者广播区块生成请求；投票阶段领导者和协调者对区块生成请求进行投票表决；提交阶段，领导者和协调者验证投票结果，若验证通过，则达成共识，若验证不通过，则共识失败；各个节点重复执行拜占庭容错共识优化算法，直到所有的节点完成共识；
在区块链***中选举Q个领导者包括：指定协调器Cr循环选举Q个领导者；从领导者集合Ls中为每个领导者分别配置一个不同的协调者，且每个领导者只能作为一个领导者的协调者；协调者对领导者进行序列号划分，得到分区空间；协调者记录轮次信息；
准备阶段包括：领导者和协调者进行状态机日志复制产生副本，根据分区空间对副本进行分区空间划分，得到副本分区空间；协调者更新轮次信息，并根据分区空间向其对应的领导者发送轮次变化信息；领导者在轮次变化信息上签名并将签名信息回复给协调者；其中，协调者向其对应的领导者发送轮次变化信息包括：协调者对轮次变化信息进行数字签名，得到局部签名信息；协调者将局部签名信息发送给协调者所属区块的所有领导者；领导者在轮次变化信息上签名包括：领导者接收所有协调者的局部签名信息σi＝signiBj；领导者使用签名聚合方式将接收的局部签名信息整合成单一签名σ＝AggSign(signi(Bj)i∈N)；领导者将所有单一签名σ聚合到签名AggQC中；其中，σi表示第i个局部签名，signi表示对区块进行签名，Bj表示第j个区块，Agg表示聚合成单一签名，N表示客户端个数；领导者将签名信息回复给协调者包括：协调者收到领导者的回复信息；协调者根据接收到的回复信息创建RoundQC；协调者将RoundQC信息广播给该轮次的所有领导者，RoundQC表示协调者产生的信息；
投票阶段包括：领导者收到区块生成请求后，生成拟区块并在拟区块上进行签名，将签名后的拟区块作为投票信息；副本对投票信息进行签署验证，若验证失败，则共识失败；若验证通过，则领导者向其他领导者发送投票信息，将所有投票信息整合为一个投票集{votes}；领导者收到其他领导者发送的投票信息，根据投票信息生成投票结果；副本对投票信息进行签署验证的过程包括：副本根据副本分区空间得到副本投票结果，将领导者收到的投票结果与副本投票结果比较，若结果相同，则验证通过，若结果不同，则验证不通过；
提交阶段包括：验证通过后，客户端向协调者发送commit消息；协调者将commit消息发送给领导者；领导者向客户端回复reply消息，共识结束。
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