CN116668135A - 一种移动边缘设备参与的区块链共识方法、***与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种移动边缘设备参与的区块链共识方法、***与装置。***由有限的(例如百台)服务器和较多的(例如数百万)移动边缘设备组成。用户发起的待验证交易在服务器间互相传播，服务器打包交易后随机选取部分移动边缘设备节点形成边缘节点验证子集，子集内节点与服务器合作验证交易。节点间验证并共识交易验证结果后，将区块在服务器间广播以上链。所述区块链采用DAG结构，不同服务器可以同时选取多个边缘设备子集验证不同区块，使***具有高并发、交易高速上链的特性。由于移动边缘设备节点数量大，故每个移动边缘设备被选中参与共识频率低，***不会对移动边缘设备带来过多的存储、通信和电量负担，故可以将已有移动边缘设备如手机等纳入共识过程，减少区块链***应用成本，增加了去中心化属性。

Description

一种移动边缘设备参与的区块链共识方法、***与装置
技术领域
本发明属于区块链技术领域，更为具体地讲，涉及一种移动边缘设备参与的区块链共识方法、***与装置。
背景技术
区块链是一种可靠的数字证据保存手段，具有去中心化，数据不可更改等特性。但由于区块链信息只增不减，共识消耗大量带宽、电量、算力等缺点，传统区块链验证节点一般由独立且专门的服务器构成，随时间发展，传统区块链显现出一定的集中化属性，这意味着***安全性的下降。另一方面，传统区块链的链状结构导致***只能串行验证被打包进区块的交易，导致交易验证速度有限，新交易上链时间长等问题。基于有向无环图(DAG)的区块链通过并行出块的方式提高了区块链的吞吐量，且有效的缩短了交易上链时间。
移动边缘设备指的是终端用户附近的节点，每个节点都有一定的存储、计算和通信能力，可以与云端服务器通信，分摊终端用户对云端服务器的请求压力。随着物联网和雾计算的推广，移动边缘设备数量逐步增加，网络中存在可观的冗余算力、带宽和空间。若能将单个移动边缘设备的冗余能力利用起来，将移动边缘设备与区块链结合，就能在提高移动边缘设备利用率的同时，保证区块链的去中心化属性，提高区块链的安全性。
在2022年08月12日授权公告的、授权公告号为CN112153067B、发明名称为“基于区块链的边缘计算安全***”的中国发明专利中，针对现有移动边缘设备安全性检测问题，将***划分为共享数据库、边缘计算模块、安全模块、通信模块和移动边缘设备，令多个模块相互通信，将区块链用于数据的可信保存，确保收集的移动边缘设备计算历史结果可靠。但该***依旧采用原始的区块链，其有限的吞吐量反而可能限制***效率。
在2022年07月01日授权公告的、授权公告号为CN113553375B、发明名称为“一种面向图式区块链的分片存储装置及方法”的中国发明专利中，设计一种面向图式区块链的分片存储装置，此方法缓解了图式区块链***节点的数据存储压力和交易处理压力，同时结合节点间资源的异构性，动态地划分节点、交易和数据，在进一步提升图式区块链***性能的同时兼顾***资源的高效利用。其交易交由不同节点验证并存储，***并不存在全节点，相比于有全节点的***，查找信息相对麻烦，且存在跨片等复杂操作。
在2022年07月12日授权公告的、授权公告号为CN110956463B、发明名称为“基于可扩展分布式查询***的可信存证方法与***”的中国发明专利中，在存入的过程中采用有向无环图帐本结构配合nRW共识机制，采用了跳数优化的方法构造具有较为平衡网络的P2P网络***，从而把查询结果的处理运算均匀地分配到网络中的所有节点上，并根据节点的计算能力动态调节出度的大小，但该专利并没有应用到边缘设备网络，且不存在全节点，交易查询需要通过P2P路由。
发明内容
针对当边缘节点利用率不足，区块链随时间推移出现中心化趋势、吞吐量有限、交易上链慢等问题，本发明提出一种适用于移动边缘设备的区块链共识方法、***与装置，保留部分服务器节点，服务器节点存储所有区块历史和***相关信息并组织共识过程；通过调动移动边缘设备参与共识及利用DAG的并发性，推动低能耗、高吞吐量、交易高速上链、稳定去中心化的区块链应用。
为实现上述发明目的，本发明移动边缘设备参与的区块链共识***，其特征在于，***由有限的(例如百台)服务器节点和较多的(例如数百万)移动边缘设备节点组成。
服务器节点：保存区块链中所有的区块、所有账户余额、所有节点公钥等所有***相关信息。服务器节点会接收用户请求上链的交易，并在服务器间广播；服务器节点本身不参与交易的验证过程，但会参与共识过程，包括将多笔交易打包为区块、选取移动边缘设备节点形成验证节点子集以验证交易、向任何请求区块链相关信息的节点返回对应数据及在共识过程中收集节点签名信息并聚合签名等。
移动边缘设备节点：有基础的通信和存储能力，不保存任何区块链信息，负责交易的实际验证和共识流程的实现。当某个移动边缘设备节点被选为某个待验证区块的验证组成员后，会根据待验证交易随机地向多个服务器请求验证交易所需数据，完成验证后，通过共识算法与其他移动边缘设备节点对待验证交易的验证结果达成共识。
上述两种节点分别对应服务器节点和移动边缘设备节点两种装置。两种节点分别对应服务器节点和移动边缘设备节点两种装置。服务器节点包括区块链信息存储模块，通信模块，身份认证模块，节点选择模块。移动边缘设备节点包括通信模块，身份认证模块，共识模块，交易验证模块。
所述区块链信息存储模块，建立在现有的数据库存储引擎之上。用于存储区块链上所有区块、区块链相关所有账户信息及***所有节点IP信息等信息。
所述通信模块，用于帮助节点传递和接收区块、交易信息、验证信息等各类信息。
所述身份认证模块，用于帮助节点处理签名相关事务，包括对所有本节点输出的信息签名，通过签名验证消息来源，以及将达到阈值数量的签名进行签名聚合等。
所述节点选择模块，用于帮助服务器从极多的移动边缘设备节点中随机选择部分节点进行交易验证。节点选择模块以待验证区块中服务器的聚合签名为随机种子，其选择的边缘节点是随机的、不可预测的和可验证的。
所述共识模块，用于帮助移动边缘设备节点在某个移动边缘设备节点验证子集中，就某个待验证区块中所有交易的验证结果达成共识。模块可以选择多种共识方案。
所述交易验证模块，用于帮助移动边缘设备节点验证交易，即帮助移动边缘设备节点从多个服务器请求的验证所需信息，并验证待验证区块中交易的合法性。
本发明移动边缘设备参与的区块链共识方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：***初始化，每个服务器和移动边缘设备节点各自生成公私钥对，将各自公钥和IP等信息打包为节点身份信息，移动边缘设备节点通过通信模块将各自的节点身份信息上传多个服务器，服务器间相互广播各自拥有的节点身份信息，最终确保每个服务器节点都有***所有节点公钥及相关信息。
S2：用户将待验证交易发给任意的服务器，服务器将待验证交易广播其他服务器节点，收到信息的服务器节点将交易写入交易池等待打包，当某个服务器(下文称为服务器A)收集到足够数量待验证交易后，服务器A将多笔待验证交易打包为待验证交易集Txs；
S3：服务器A将待验证交易集Txs在服务器间广播，各个服务器对待验证交易集Txs签名，并返回服务器A；
S4：当足量服务器节返回对待验证交易集Txs的签名，服务器A聚合签名，并向其他服务器发送该聚合签名。服务器A将待验证签名、选择的父区块hash、交易集合、验证集合等打包形成待验证区块B。服务器A从所有边缘节点中随机选择有限个数(默认100个)移动边缘设备节点，形成一个验证节点子集(下文称为验证节点子集C)，服务器A向验证节点子集C中节点发送待验证区块B；
S5：基于待验证区块B内容，验证节点子集C中移动边缘设备节点各自向多个随机选取的服务器请求验证所需的信息，得到对待验证区块B的验证结果。随后，验证节点子集C中节点通过共识模块就验证结果达成共识，将共识结果返回服务器A。
S6：服务器A聚合边缘节点签名，打包为已验证区块，将区块广播其他服务器，各服务器验证签名后保存，交易验证完成，区块上链。
所述步骤S3中，除服务器A以外服务器在收到待验证区块B后，之后打包的区块都不包含待验证区块B中已包含的交易；若服务器节点收到两个不同但打包有相同待验证交易的待验证区块，服务器节点只对其中一个区块签名并返回，以此确保交易不被重复打包。
所述步骤S4中，打包操作包括：从DAG区块链中随机选择两个最新区块为待验证区块的父区块；以区块中所有交易为参数形成默克尔树，得到默克尔根；以默克尔根、选择的两个父区块hash和服务器A公钥为参数生成新区块hash；将新区块hash、父区块hash、相关验证节点参数、待验证交易和聚合服务器签名打包为区块。
本发明的目的是这样实现的：
不同于已有方案，本方案由服务器和移动边缘设备组成，全节点服务器的存在方便了快速查询区块内容，同时通过从大量边缘节点中随机选取边缘节点集合进行验证，确保单个边缘节点不会被频繁唤醒，使得边缘设备节点消耗的通信、电量、存储等需求都极低，***更加环保且去中心化；同时，***通过采用DAG结构区块链，实现交易的并发验证和快速上链，提高交易验证效率。。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的移动边缘设备参与的区块链共识***结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的移动边缘设备参与的区块链共识装置结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的移动边缘设备参与的区块链共识方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
本方案提出了一种新颖的，利用边缘节点算力的区块链***：通过服务器随机选取DAG区块链中最新的两个区块为父区块并随机选取边缘节点子集进行交易验证和共识，由于DAG的并发性及选取不同边缘节点子集进行交易验证和共识，***实现了交易的并发验证和高速上链；通过随机选择节点子集验证不同内容的方法，确保验证任务所需的带宽、电量和算力消耗处于边缘节点可接受范围，保证区块链去中心化和高效验证的同时，提高边缘节点利用率。
为了更好的陈述上述技术方案，下面将结合说明书附图以具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例一
本实施例提出一种移动边缘设备参与的区块链共识***。如图1所示，***由有限的(近百台)服务器节点和极多的(数百万)移动边缘设备节点组成。
所述服务器节点：保存区块链中所有的区块、所有账户余额、所有节点公钥等所有***相关信息。服务器节点会接收用户请求上链的交易，并在服务器间广播；服务器节点本身不参与交易的验证过程，但会参与共识过程，包括将多笔交易打包为区块、选取移动边缘设备节点形成验证节点子集以验证交易、向任何请求区块链相关信息的节点返回对应数据及在共识过程中收集节点签名信息并聚合签名等。
移动边缘设备节点：有基础的通信和存储能力，不保存任何区块链信息，负责交易的实际验证和共识流程的实现。当某个移动边缘设备节点被选为某个待验证区块的验证组成员后，会根据待验证交易随机的向多个服务器请求验证交易所需数据，完成验证，并通过共识算法与其他移动边缘设备节点对待验证交易的验证结果达成共识。
实施例二
本实施例描述上述两种节点分别对应的两种节点装置。如图二所示，服务器节点包括区块链信息存储模块，通信模块，身份认证模块，节点选择模块。移动边缘设备节点包括通信模块，身份认证模块，共识模块，交易验证模块。
所述区块链信息存储模块，建立在现有的数据库存储引擎之上。用于存储区块链上所有区块、区块链相关所有账户信息及***所有节点IP信息等信息。
所述的区块链为DAG区块链，其特征在于，每个新区块以两个已经达成共识的最新区块为父区块。由于DAG中一个区块可以有多个子区块，***可以同时支持多个区块的上链。通过共识方法约束共识内容，可以尽量避免不同区块包含的交易互相冲突；对区块生成历史达成共识后，***通过ghost算法对区块排序；当区块存在冲突交易时，服务器通过区块排序先后，确定唯一合法交易，从而解决冲突交易问题。区块存储内容包括被验证的交易、两个父区块hash、本区块hash、参与验证过程的边缘设备节点列表和聚合签名、及参与共识过程的服务器的聚合签名。
所述通信模块，用于帮助节点传递和接收区块、交易信息、验证信息等各类信息。
所述身份认证模块，用于帮助节点处理签名相关事务，包括对所有本节点输出的信息签名，通过签名验证消息来源，以及将足量的签名进行签名聚合等。
聚合签名使用BLS算法，当对同一目标的签名达到阈值后可以聚合签名，只需要验证聚合签名即可确定有至少阈值数量的节点认同签名信息。服务器和边缘节点公私钥属于两个密钥集，可以判断聚合签名的是移动边缘设备节点还是服务器节点。
所述节点选择模块，用于帮助服务器从极多的移动边缘设备节点中随机选择部分节点进行交易验证。节点选择模块以待验证区块中服务器的聚合签名为随机种子，其选择的边缘节点是随机的、不可预测和可验证的。
所述共识模块，用于帮助移动边缘设备节点在某个移动边缘设备节点验证子集中，就某个待验证区块中所有交易的验证结果达成共识。模块可以选择多种共识方案。
所述交易验证模块，用于帮助移动边缘设备节点验证交易，即帮助移动边缘设备节点从多个服务器请求的验证所需信息，并验证待验证区块中交易的合法性。所谓验证交易的合法性，即验证交易账户是否有足额代币完成支付，只有合法交易会被打包，不合法交易会被排除出区块。
实施例三
本发明提供一种移动边缘设备参与的区块链共识方法，如图三所示，所述方法包含以下步骤：
S1：***初始化，每个服务器和移动边缘设备节点各自生成公私钥对，将各自公钥和IP等信息打包为节点身份信息，移动边缘设备节点通过通信模块将各自的节点身份信息上传到多个服务器，服务器间相互广播各自拥有的节点身份信息，最终确保每个服务器节点都有***所有节点的公钥及相关信息。
S2：用户将待验证交易发给任意的服务器，服务器将待验证交易广播给其他服务器节点，收到信息的服务器节点将交易写入交易池等待打包。当某个服务器(下文称为服务器A)收集到足够数量的待验证交易后，服务器A将多笔待验证交易打包为待验证交易集Txs；
S2所述打包操作包括：以区块中所有交易为参数形成默克尔树，得到默克尔根；以默克尔根、选择的两个父区块hash和服务器A公钥为参数生成新区块hash；将新区块hash、相关验证节点参数和待验证交易打包为区块。
S3：服务器A将待验证交易集Txs在服务器间广播，各个服务器对待验证交易集Txs签名，并返回给服务器A；
S4：当足量服务器节返回对待验证交易集Txs的签名，服务器A聚合签名，并向其他服务器发送该聚合签名。服务器A将待验证签名、选择的父区块hash、交易集合、验证集合等打包形成待验证区块B。服务器A以聚合签名为种子，从所有边缘节点中随机选择有限个数(默认100个)移动边缘设备节点，形成一个验证节点子集(下文称为验证节点子集C)，服务器A向验证节点子集C中节点发送待验证区块B；
S4中选取边缘节点的具体过程为：取B1、B2为两个父区块哈希第一位，将公钥以B1B2开头的边缘设备节点选出作为备选节点集，将备选节点集中的节点按公钥从大到小排序，以待验证交易默克尔根为随机种子，生成100个不重复且大小在1到备选节点集节点个数间的随机数，取随机数对应序号节点为待验证区块B的验证节点。
S5：基于待验证区块B内容，验证节点子集C中的移动边缘设备节点各自向多个随机选取的服务器请求验证所需的信息，得到对待验证区块B的验证结果。随后，验证节点子集C中的节点通过共识模块就验证结果达成共识，将共识结果返回给服务器A。
S5节点间可采用多种共识方式，如验证节点子集C中的节点通过节点间P2P通信，采用PBFT共识算法达成共识。默认采用的共识方法是一种针对场景改进的Hotstuff共识方法，以尽量减少节点间流量和存储消耗，该共识方法如下：边缘节点验证和共识过程可分为“边缘设备节点验证”和“验证结果共识”两个步骤，由打包待验证区块B的服务器A组织共识。在“边缘设备节点验证”步骤中，验证节点子集C中的移动边缘设备节点各自向多个随机选取的服务器请求验证所需的信息，得到对待验证区块B的验证结果，将验证结果返回给服务器A。服务器A聚合边缘设备节点签名。“验证结果共识”步骤中，服务器A向验证节点子集C中的节点发送在“边缘设备节点验证”步骤中最终得到的聚合签名，验证节点子集C中节的点验证签名后再次签名，并发由服务器A聚合。
S6：服务器A聚合边缘节点签名形成已验证区块，完成验证共识，并将区块广播其他服务器。各服务器验证签名后保存，交易验证完成，并将区块上链。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，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。

Claims (5)

1.一种移动边缘设备参与的区块链共识***，其特征在于，***由有限的服务器节点和较多的移动边缘设备节点组成；
服务器节点：保存区块链中包括所有的区块、所有账户余额、所有节点公钥在内的所有***相关信息，服务器节点会接收用户请求上链的交易，并在服务器间广播；服务器节点本身不参与交易的验证过程，但会参与共识过程，包括将多笔交易打包为区块、选取移动边缘设备节点形成验证节点子集以验证交易、向任何请求区块链相关信息的节点返回对应数据及在共识过程中收集节点签名信息并聚合签名；
移动边缘设备节点：有基础的通信和存储能力，不保存任何区块链信息，负责交易的实际验证和共识流程的实现，当某个移动边缘设备节点被选为某个待验证区块的验证组成员后，会根据待验证交易随机地向多个服务器请求验证交易所需数据，完成验证后，通过共识算法与其他移动边缘设备节点对待验证交易的验证结果达成共识。
2.根据权利要求1所述的移动边缘设备参与的区块链共识***，其特征在于，两种节点分别对应服务器节点和移动边缘设备节点两种装置，两种节点分别对应服务器节点和移动边缘设备节点两种装置，服务器节点包括区块链信息存储模块，通信模块，身份认证模块，节点选择模块，移动边缘设备节点包括通信模块，身份认证模块，共识模块，交易验证模块；
所述区块链信息存储模块，建立在现有的数据库存储引擎之上，用于存储区块链上所有区块、区块链相关所有账户信息及***所有节点IP信息；
所述通信模块，用于帮助节点传递和接收区块、交易信息、验证信息；
所述身份认证模块，用于帮助节点处理签名相关事务，包括对所有本节点输出的信息签名，通过签名验证消息来源，以及将达到阈值数量的签名进行签名聚合；
所述节点选择模块，用于帮助服务器从极多的移动边缘设备节点中随机选择部分节点进行交易验证，节点选择模块以待验证区块中服务器的聚合签名为随机种子，其选择的边缘节点是随机的、不可预测的和可验证的；
所述共识模块，用于帮助移动边缘设备节点在某个移动边缘设备节点验证子集中，就某个待验证区块中所有交易的验证结果达成共识，模块可以选择多种共识方案；
所述交易验证模块，用于帮助移动边缘设备节点验证交易，即帮助移动边缘设备节点从多个服务器请求的验证所需信息，并验证待验证区块中交易的合法性。
3.一种移动边缘设备参与的区块链共识方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：***初始化，每个服务器和移动边缘设备节点各自生成公私钥对，将各自公钥和IP打包为节点身份信息，移动边缘设备节点通过通信模块将各自的节点身上传多个服务器，服务器间相互广播各自拥有的节点身份信息，最终确保每个服务器节点都有***所有节点公钥及相关信息；
S2：用户将待验证交易发给任意的服务器，服务器将待验证交易广播其他服务器节点，收到信息的服务器节点将交易写入交易池待打包，当某个服务器简称服务器A收集到足够数量待验证交易后，服务器A将多笔待验证交易打包为待验证交易集Txs；
S3：服务器A将待验证交易集Txs在服务器间广播，各个服务器对待验证交易集Txs签名，并返回服务器A；
S4：当足量服务器节返回对待验证交易集Txs的签名，服务器A聚合签名，并向其他服务器发送该聚合签名，服务器A将待验证签名、选择的父区块hash、交易集合、验证集合打包形成待验证区块B，服务器A从所有边缘节点中随机选择有限个数移动边缘设备节点，形成一个验证节点子集，称为验证节点子集C，服务器A向验证节点子集C中节点发送待验证区块B；
S5：基于待验证区块B内容，验证节点子集C中移动边缘设备节点各自向多个随机选取的服务器请求验证所需的信息，得到对待验证区块B的验证结果，随后，验证节点子集C中节点通过共识模块就验证结果达成共识，将共识结果返回服务器A；
S6：服务器A聚合边缘节点签名，打包为已验证区块，将区块广播其他服务器，各服务器验证签名后保存，交易验证完成，区块上链。
4.根据权利要求3所述的移动边缘设备参与的区块链共识方法，其特征在于，所述步骤S3中，除服务器A以外服务器在收到待验证区块B后，之后打包的区块都不包含待验证区块B中已包含的交易；若服务器节点收到两个不同但打包有相同待验证交易的待验证区块，服务器节点只对其中一个区块签名并返回，以此确保交易不被重复打包。
5.根据权利要求3所述的移动边缘设备参与的区块链共识方法，其特征在于，所述步骤S4中，打包操作包括：从DAG区块链中随机选择两个最新区块为待验证区块的父区块；以区块中所有交易为参数形成默克尔树，得到默克尔根；以默克尔根、选择的两个父区块hash和服务器A公钥为参数生成新区块hash；将新区块hash、父区块hash、相关验证节点参数、待验证交易和聚合服务器签名打包为区块。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117318914A (zh) * 2023-09-12 2023-12-29 上海兴岩信息科技有限公司 一种基于终端设备的区块链服务平台

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