CN109819022A - 一种基于信用评价的区块链共识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于信用评价的区块链共识方法，涉及区块链共识技术领域，通过引入信用评价机制和基于信用的投票奖惩机制提高节点的积极性，同时针对PBFT的一致性协议和检查点协议进行优化，提高系统的效率和灵活性。本发明方法根据节点的信用评价决定节点是否参与全局共识，使用选举方式选出生成账本信息的节点，按照共识结果对节点信用进行动态信用调整，维持系统的良性运转。使用本发明方法在长期运行下能够大幅降低异常节点参与共识的概率，从而使系统的效率有效提高，系统的稳定性显著增强。

Description

一种基于信用评价的区块链共识方法

技术领域

本发明涉及区块链共识技术领域，具体是一种基于信用评价的区块链共识方法。

背景技术

共识机制是区块链系统的重要组成之一，高效的共识机制是区块链技术解决如何在一个缺乏信任、完全自由开放的网络中达成共识的问题的核心要素。为了让区块链使用于更广泛的领域，PoW、PoS、DPoS和PBFT等多种适用于不同应用的共识机制被提出。这些共识机制都能在一定程度上满足区块链数据一致性，在算力消耗、安全性和共识效率等问题各有侧重点。PoW(Proof of Work,工作量证明)共识机制被诸多早期的虚拟货币使用，通过算力竞争进行哈希运算争取区块记账权保证系统去中心化可信任的运行。每个参与者节点都作为矿工竞争算力来解决SHA256数学问题，该问题复杂但易于验证。为了解决解决PoW公示时间长、出块速度慢的问题，PoS(Proof of Stake,基于权益证明)的共识机制被提出。该机制以所持股权份额决定挖矿难度，一定程度上减少资源浪费，提高了出块速度，然而PoS依然浪费算力进行挖矿，仍旧造成大量的资源浪费。DPoS(Delegated Proof of Stake，基于授权股权证明)旨在解决PoW挖矿浪费算力的问题，该机制废弃了挖矿，采用根据持币多少选举代表。通过由部分代理节点代表所有节点执行进行共识，提高出块效率。但是DPoS的参与者积极性不易调动、对恶意节点及时处理能力较弱、容易出现币分配不均的等问题，影响了系统的安全性。拜占庭容错算法(BFT)是分布式系统的经典一致性算法，他更能满足联盟链中业务的需求，所以实用拜占庭容错算法(practical byzantine fault tolerance，PBFT)被应用到联盟许可链中。

PBFT虽然能极大提升区块链的共识性能，但在节点数为N的网络中，该算法有两个阶段需要传输的网络消息为O(N2)，其仍会造成很大的网络开销。由于通信复杂度的原因，PBFT协议在超过一定数量时性能会显著下降，PBFT算法的区块链的系统性能在较大节点数量的联盟链中并不理想。目前，对于PBFT的优化方法有很多，主流优化思想是“分层”，即把某一部分的可靠性用PoW、PoS或者DPoS的方法解决，剩下的部分用PBFT。将复杂问题分解成两部分来执行，类似代议制民主，不再全体参与最终共识，而是通过选举或其他方式选取部分代表参与最终一致性验证。在《A Secure Sharding Protocol For Open Blockchains》中，文中通过随机分片的构建PoW+PBFT混合共识机制来提升共识性能，文中使用随机选取的方式，虽然文中强调默认在公平的环境下使用，但是不能保证人数足够大时恶意节点不超过1/3。

综上所述，上述共识方案虽然能在一定程度上保证区块链的可信性，但是都不能同时解决吞吐量、延迟、区块大小等问题；数据安全的算力依赖性强，很难适用于广泛的联盟许可链应用中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于信用评价的面向大量用户的高效可靠的区块链共识方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于信用评价的区块链共识方法，包括：

步骤S1，在已有区块链基础网络上，根据预设规则求取每一节点的信用系数，所述信用系数根据节点在区块链中的行为动态变化；根据节点的信用系数，获取节点信任状态；

步骤S2，根据节点信任状态，获取可投票节点，通过可投票节点对候选节点进行投票；根据投票结果决定候选节点是否能参与到最终的全局共识；

步骤S3，经过S2投票选出的节点，依照改进的PBFT协议进行区块链共识；

所述步骤S1中，信用系数C_ij表示组织Org_i的第j个节点的信用程度的参数；其中，1≤i≤N，1≤j≤n_i，N表示组织的总数，n_i表示组织内节点总数；C_ij∈[C_min,C_max]，C_max表示信用系数的上限，C_min表示信用系数的下限；有C_good、C_bad、C_init满足C_min<C_bad<C_init<C_good<C_max，其中，C_good表示节点可信的信用阈值，C_bad表示节点不可信的信用阈值，C_init表示节点初始的信用系数，对于每个首次加入的节点，信用系数C_ij等于初始值C_init；

所述预设规则包括：

根据节点行为对系统造成的影响进行奖励或惩罚的信用奖惩规则，以及随着时间的推移让节点信用系数逐渐回归初始值的信用恢复规则；

信用奖励的方式表示如下：

C_ij＝C_ij+X

信用惩罚的方式表示如下：

C_ij＝C_ij-X

其中，X表示信用奖惩量，是一个常量；

所述信用恢复规则表示如下：

其中，t表示节点上一次参与投票到这一次参与投票开始的时间，T是一个常量，表示恢复周期；S表示信用恢复速度；

所述节点信任状态包括：σ(Node_ij)＝{credible，normal，excepted，invalid}，其中，可信状态credible表示节点在一段时间T内没有产生无效区块，且信用系数C_ij超过信用阈值C_good；普通状态normal表示节点的正常状态；异常状态excepted表示节点在一段时间T内有产生无效区块，但信用系数C_ij不低于信用阈值C_bad；非法状态invalid表示节点在一段时间T内有产生无效区块，且信用系数C_ij低于信用阈值C_bad；

所述步骤S2中，当节点信任状态不为invalid时为可投票节点；

所述通过可投票节点对候选节点进行投票包括：通过所述可投票节点对各组织的主节点投票；其中，投票种类包括支持票、反对票和弃权票；每一次投票中，可投票节点都可以投出支持票或者弃权票，每个节点在一段时间T内只能获得一次投出反对票的机会；

各组织主节点投票结果的统计公式如下：

其中，Re s ult_ij表示节点的投票结果，对Re s ult_ij进行排名取前预设比例的节点参与全局共识，state_ij表示各组织主节点信用状态系数，若状态为credible取值为1，若状态为normal取值为0.5，若状态为excepted取值为0.25，若状态为invalid取值为0；C_ij表示各组织主节点的信用系数，N参与投票的组织的总数，n表示组织内参与投票的节点总数；Vote_k1表示投票种类，支持票取值为1，弃权票取值为0，反对票取值为-1；

所述步骤S3中，所述改进的PBFT协议包括基于信用的一致性协议和基于时间戳的检查点协议；

所述基于信用的一致性协议包括：节点信用状态为credible节点有权担任主节点并且在主节点选择的时候优先获取；normal节点可以在credible节点选择过之后或没有credible节点时被选择担任主节点；excepted节点不能担任主节点，但可以作为从节点；invalid无法参与共识；在一致性协议中，若节点顺利完成区块生成，则给予信用奖励；若节点出现故障或恶意攻击导致区块生成不顺利，则给予信用惩罚，受到惩罚时节点状态变为excepted。

优选的，所述方法还包括：

步骤S2中，如果excepted参加代理节点选举且落选时，对excepted节点投反对票的节点获得信用奖励；如果代理节点成功生成区块，对代理节点投支持票的节点获得信用奖励；如果代理节点作恶或故障变为excepted节点，对代理节点投支持票的节点获得信用惩罚，对代理节点投反对票的节点获得信用奖励。

优选的，所述方法还包括：

步骤S3中，所述改进的PBFT协议还包括基于时间戳的检查点协议；所述基于时间戳的检查点协议使用基于时间戳的方式对在共识过程中节点产生的日志信息进行清除。

优选的，所述方法还包括：

步骤S3中，所述改进的PBFT协议还包括视图切换协议；所述视图切换协议在主节点发生故障的时候，进行主节点更换。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明一种基于信用评价的共识方法，应用于联盟链的场景，能够降低异常节点参与共识的概率，减少PBFT算法对通信资源的浪费问题；

本发明一种基于信用评价的共识方法，首先引入信用评价机制和基于信用的投票奖惩机制提高节点的积极性，降低异常节点参与共识的概率，从而保障系统的良性循环；其次，针对PBFT的一致性协议和检查点协议进行优化，提高系统的效率和灵活性；实验结果表明，本发明的区块链共识方法在长期运行下能够将异常节点参与共识的概率大幅降低至5％以下，有效提高系统的效率及增强系统的稳定性。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于信用评价的区块链共识方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明实施例的基于信用评价的区块链模型；

图2为本发明实施例的基于信用评价的区块链共识方法在一次共识中的流程图；

图3为本发明实施例提供的某异常节点参与最终共识的情况；

图4为本发明实施例的基于信用评价的区块链与传统PBFT共识方法在运行时间与系统效率上的对比。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

本发明针对如下场景：区块链的规模在不断扩大，区块链联盟链参与者也不断地增加。面对大量的参与者，区块链需要一个稳定可靠高效的方案来保障数据的一致性。

本发明较佳的实施例提供了一种基于信用评价的区块链共识方法，包括以下阶段：

S1，节点信用评价机制建立阶段：在已有区块链基础网络上，根据规则对每一节点进行信用评分确定信用系数，信用系数会根据节点在区块链中的行为动态变化。节点信用状态由信用评分确定，为后续的投票以及共识提供参考依据；

S2，基于信用的投票阶段：可投票节点对候选节点进行投票，投票结果决定候选节点是否能参与到最终的全局共识。投票结果受可投票节点和候选节点的状态影响。

S3，共识阶段；

经过S2投票选出的节点，依照改进的PBFT协议进行区块链共识。

具体的，所述步骤S1，包括：

1)信用定义：信用(Credit)C_ij表示组织Org_i的第j个节点的信用程度的参数，{C_ij，1≤i≤N，1≤j≤n_i}，N表示组织的总数，n_i表示组织内节点总数；C_ij∈[C_min,C_max]，其中C_max表示信用系数的上限，C_min表示信用系数的下限。有C_good、C_bad、C_init满足C_min<C_bad<C_init<C_good<C_max，其中C_good表示节点可信的信用阈值，C_bad表示节点不可信的信用阈值，C_init为节点初始的信用系数。信用系数直接影响节点状态和节点在区块链中的可用权限，信用会根据节点在区块链中的行为进行动态改变，对于每个首次加入的节点，信用系数默认为初始值C_init。信用系数可以与不同领域的实际业务相结合，根据具体业务转换为代表某种数字产品、实体产品或者电子信息等。

2)信用奖惩：指系统根据节点行为对系统造成的影响进行奖励或惩罚

其中，奖励公式为：

C_ij＝C_ij+X

惩罚公式为：

C_ij＝C_ij-X

其中，C_ij表示组织Org_i的第j个节点的信用系数，X表示信用奖惩量，是一个常数，根据具体业务调整。

3)信用恢复：指节点信用系数随着时间的推移按照某种方式逐渐回归初始值，在某些具体业务中，信用恢复可以表现为某种价值随时问的消耗或增长。信用恢复在每一次投票开始时遵循一定的规则恢复，满足的公式为：

其中，C_ij表示组织Org_i的第j个节点的信用系数，C_init为节点初始的信用系数，t表示节点上一次参与投票到这一次参与投票开始的时间，T是一个常量，表示恢复周期，根据具体业务调整。S表示信用恢复速度，可根据不同业务进行定制。

4)节点信用状态State_ij：指组织Org_i的第j个节点由信用系数决定的状态。节点具有四种状态σ(Node_ij)＝{credible，normal，excepted，invalid}，可信状态credible代表表示节点Node_ij在一段时间T内连续没有产生无效区块，且信用系数C_ij超过信用阈值C_good；普通状态normal表示节点的正常状态；异常状态excepted表示该节点Node_ij在一段时间T内产生无效区块，但信用系数C_ij不低于信用阈值C_bad；非法状态invalid，表示该节点在一段时间T内产生无效区块，且信用系数C_ij低于信用阈值C_bad。

具体的，所述步骤S2，包括：

1)投票定义：投票指所有可投票节点对各组织的主节点投票，选拔参加最后全局共识的过程。票的种类主要有支持票、反对票和弃权票。每一次投票中，节点都可以投出支持票或者弃权票，每个节点在一段时间T内只能获得一次投出反对票的机会，时间T与信用恢复的常量T一致。

2)可投票的节点：可投票节点指信用系数不为invalid状态的节点。在投票过程中，节点可根据自身情况对候选节点投出支持票、反对票和弃权票。

3)投票结果：投票结果是所有可投票节点对各组织主节点投票的结果，根据每个节点信用状态和信用系数，统计公式如下：

其中，Re s ult_ij表示节点的投票结果，对Re s ult_ij进行排名取前预设比例(如20％)的节点参与全局共识(若不足4个节点，则取前4名)，state_ij表示各组织主节点信用状态系数，若状态为credible取值为1，若状态为normal取值为0.5，若状态为excepted取值为0.25，若状态为invalid取值为0；C_ij表示各组织主节点的信用系数，N参与投票的组织的总数，n表示组织内参与投票的节点总数；Vote_kl表示投票种类，支持票取值为1，弃权票取值为0，反对票取值为-1；

4)投票奖惩指根据投票情况和代理节点参与共识的情况，对各个参与投票节点进行奖励与惩罚，主要有以下三种情况：

①当excepted参加代理节点选举且落选时，对excepted节点投反对票的节点获得信用奖励。

②当代理节点成功生成区块，对代理节点投支持票的节点获得信用奖励。

③当代理节点作恶或故障变为excepted节点，对代理节点投支持票的节点获得信用惩罚，对代理节点投反对票的获得信用奖励。

具体的，所述步骤S3中，包括三个协议：

1)基于信用的一致性协议：一致性协议是共识的核心部分，其目的是保证节点生成的区块在全网达成一致，区块链系统中每隔一段时间，一定数量的交易被打包成区块中，系统中节点通过一致性协议保证各个节点记录的区块信息正确并相同。为了避免信用低的节点担任主节点，根据节点信用状态的划分权限。节点信用状态为credible节点有权担任主节点并且在主节点选择的时候优先获取。normal节点可以在credible节点选择过之后或没有credible节点时被选择担任主节点。excepted节点不能担任主节点，但可以作为从节点。invalid无法参与共识。这样的避免了划分权限，有效的避免了问题节点成为主节点，降低了主节点作恶的概率，减少视图切换的频率，大大减少了通信消耗，提高了系统效率。

在一致性协议中，若节点顺利完成区块生成，系统给予信用奖励。若节点出现故障或恶意攻击导致区块生成不顺利，系统给予信用惩罚，受到惩罚时节点状态变为excepted。

2)视图切换协议：视图切换协议通过更换主节点的协议来保障系统稳定，主要针对主节点发生故障的情况。

3)基于时间戳的检查点协议：使用基于时间戳的方式对在共识过程中，节点产生的日志信息进行清除。

参见图1所示为基于信用评价的区块链模型，上述三个阶段应用在该区块链基础网络中，在时间上是顺序执行的，因此，从每个节点的角度看，其工作流程如图2所示。

本发明的效果通过如下实验进行说明。

实验使用15台内存为8GB、CPU为I7-6700、显卡为GTX960的linux操作系统计算机。linux版本为Ubuntu 16.04。每一台计算机作为一个Org，标记为Org₁到Org₁₅。所有计算机处于同一个局域网下。按照Hyperledger fabric V1.1要求配置系统环境，生成区块链基础网络。使用开源的应用容器引擎docker在每台计算机上部署5～20个节点，并对每个节点进行编号。让Node₁₁不断发起交易，从而测试每秒事务处理量TPS(Transaction Per Second，每秒事务处理量)。实验设定每轮选举4个代理节点数量参加最终共识。由于传统的PBFT共识方案，异常节点会100％参与到最终共识中，本发明有效的降低了异常节点参与到共识机制中，由图3实验结果可知，在100次投票中，仅有1次异常节点排名进入前4名，低于5％，远低于PBFT的异常节点参与概率。实验表明CDBFT可以有效的降低异常节点参与最终共识的概率，更有利于提高系统的安全性。图4显示了本发明与传统PBFT共识方案在运行时间与系统效率上的对比。随着网络工作时间的延长，可以看出随着时间的增加，本发不明将异常节点的排除，减少了主节点的错误率之后，其的吞吐量显著上升。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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 (4)

1.一种基于信用评价的区块链共识方法，其特征在于，包括：

步骤S1，在已有区块链基础网络上，根据预设规则求取每一节点的信用系数，所述信用系数根据节点在区块链中的行为动态变化；根据节点的信用系数，获取节点信任状态；

步骤S2，根据节点信任状态，获取可投票节点，通过可投票节点对候选节点进行投票；根据投票结果决定候选节点是否能参与到最终的全局共识；

步骤S3，经过S2投票选出的节点，依照改进的PBFT协议进行区块链共识；

所述步骤S1中，信用系数C_ij表示组织Org_i的第j个节点的信用程度的参数；其中，1≤i≤N，1≤j≤n_i，N表示组织的总数，n_i表示组织内节点总数；C_ij∈[C_min,C_max]，C_max表示信用系数的上限，C_min表示信用系数的下限；有C_good、C_bad、C_init满足C_min<C_bad<C_init<C_good<C_max，其中，C_good表示节点可信的信用阈值，C_bad表示节点不可信的信用阈值，C_init表示节点初始的信用系数，对于每个首次加入的节点，信用系数C_ij等于初始值C_init；

所述预设规则包括：

根据节点行为对系统造成的影响进行奖励或惩罚的信用奖惩规则，以及随着时间的推移让节点信用系数逐渐回归初始值的信用恢复规则；

信用奖励的方式表示如下：

C_ij＝C_ij+X

信用惩罚的方式表示如下：

C_ij＝C_ij-X

其中，X表示信用奖惩量，是一个常量；

所述信用恢复规则表示如下：

其中，t表示节点上一次参与投票到这一次参与投票开始的时间，T是一个常量，表示恢复周期；S表示信用恢复速度；

所述节点信任状态包括：σ(Node_ij)＝{credible,normal,excepted,invalid}，其中，可信状态credible表示节点在一段时间T内没有产生无效区块，且信用系数C_ij超过信用阈值C_good；普通状态normal表示节点的正常状态；异常状态excepted表示节点在一段时间T内有产生无效区块，但信用系数C_ij不低于信用阈值C_bad；非法状态invalid表示节点在一段时间T内有产生无效区块，且信用系数C_ij低于信用阈值C_bad；

所述步骤S2中，当节点信任状态不为invalid时为可投票节点；

所述通过可投票节点对候选节点进行投票包括：通过所述可投票节点对各组织的主节点投票；其中，投票种类包括支持票、反对票和弃权票；每一次投票中，可投票节点都可以投出支持票或者弃权票，每个节点在一段时间T内只能获得一次投出反对票的机会；

各组织主节点投票结果的统计公式如下：

其中，Result_ij表示节点的投票结果，对Result_ij进行排名取前预设比例的节点参与全局共识，state_ij表示各组织主节点信用状态系数，若状态为credible取值为1，若状态为normal取值为0.5，若状态为excepted和invalid取值为0；C_ij表示各组织主节点的信用系数，N参与投票的组织的总数，n表示组织内参与投票的节点总数；Vote_kl表示投票种类，支持票取值为1，弃权票取值为0，反对票取值为-1；

所述步骤S3中，所述改进的PBFT协议包括基于信用的一致性协议和基于时间戳的检查点协议；

所述基于信用的一致性协议包括：节点信用状态为credible节点有权担任主节点并且在主节点选择的时候优先获取；normal节点可以在credible节点选择过之后或没有credible节点时被选择担任主节点；excepted节点不能担任主节点，但可以作为从节点；invalid无法参与共识；在一致性协议中，若节点顺利完成区块生成，则给予信用奖励；若节点出现故障或恶意攻击导致区块生成不顺利，则给予信用惩罚，受到惩罚时节点状态变为excepted。

2.根据权利要求1所述的基于信用评价的区块链共识方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤S2中，如果excepted参加代理节点选举且落选时，对excepted节点投反对票的节点获得信用奖励；如果代理节点成功生成区块，对代理节点投支持票的节点获得信用奖励；如果代理节点作恶或故障变为excepted节点，对代理节点投支持票的节点获得信用惩罚，对代理节点投反对票的节点获得信用奖励。

3.根据权利要求1所述的基于信用评价的区块链共识方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤S3中，所述改进的PBFT协议还包括基于时间戳的检查点协议；所述基于时间戳的检查点协议使用基于时间戳的方式对在共识过程中节点产生的日志信息进行清除。

4.根据权利要求1所述的基于信用评价的区块链共识方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤S3中，所述改进的PBFT协议还包括视图切换协议；所述视图切换协议在主节点发生故障的时候，进行主节点更换。