一种实用于区块链的优化拜占庭容错算法的制作方法

本发明涉及分布式系统中区块链技术的拜占庭共识算法领域，具体设计了一种实用于区块链的优化拜占庭容错算法。

背景技术：

区块链是一种去中心化协议，包含了分布式对称网络、数据加密、共识算法等技术。其中，共识算法的选择是区块链设计的核心部分。实用拜占庭容错算法pbft(practicalbyzantinefaulttolerance)改进于拜占庭共识算法bft(byzantinefaulttolerance)，继承了bft的优点，并且大规模降低了拜占庭协议的开销，因此拜占庭算法在区块链系统中能够被应用。pbft算法是基于状态机副本复制的算法，每个状态机副本都能保存服务状态，满足用户的合法请求，不仅可以完成交易，还能够实现不同类型的操作。系统中最多可以满足f＝(n-1)/3(n为节点总数)数量的作恶节点，这样仍能保持系统的安全性和活性，最终达成一致的分布式共识。

虽然pbft算法是一种成熟的算法，但是也存在着不足。首先，pbft算法采用c/s架构，不能动态感知节点数目的变化，更不能应用于p2p网络模型。没有灵活的共识节点加入和退出机制，如果需要增加节点，必须要重启系统，造成系统资源浪费，大幅度降低了系统的可用性。其次，主节点的选取方式较为随意，没有对主节点的真伪性进行验证，不能保证主节点的正确性，因此很有可能选举出恶意节点并且具有非常高的危险性。最后，三阶段广播过程中的后两次全节点广播，非常消耗网络带宽，节点之间要通过互相转发消息进行拜占庭容错，并且通信的成本将伴随着节点数目的增多而成多项式级的升高。

近年来，pbft算法是区块链技术中的研究热点，研究人员在传统pbft算法的基础上，就共识算法性能的提高方面，提出了许多的方案。

技术实现要素：

本发明设计了一种实用于区块链的优化拜占庭算法opbft(optimizedpracticalbyzantinefaulttolerance)。用于解决传统拜占庭算法不能动态感知节点数量、选举出恶意节点效率低下的问题。为了解决节点加入问题，该方法引入了节点动态加入和退出机制，节点加入和退出时都需要通过所有节点间的相互确认，确认过程分为四个阶段，分别是请求，确认，回复和完成。为了解决主节点选取的随意性问题，引入了打分和投票协同机制，打分机制遵循的是区块链的最长链原则，节点每成功共识一次加一分；节点非恶意节点，但没有成功执行共识，不加分也不减分；节点是恶意节点，减去一分。选分数最高的节点为主结点，如果存在分数相同的情况，则除去该分数相同的节点后，再选出低一分的节点集合执行节点投票机制，每个节点一票，选出票数最多的节点担任主节点，若还是存在票数相同的情况则根据节点编号，选择小的序号。若投票节点集合内只有一个节点，那么这一票投给的节点即为主节点。

区别于现有的处理方法，本发明的有益效果是：在传统的拜占庭容错算法中，没有灵活的共识节点加入和退出机制，特别是在集群中节点较多或者节点变更比较频繁的情况下，系统将难以应付，大幅度降低了系统的可用性。该方法中的节点加入和退出机制使得共识的节点数量可变，大大提高了共识算法的实用性。在传统的拜占庭容错算法中，主节点的选取方式随意，无法保证主节点的正确性，如果连续性选出恶意节点，系统资源会被浪费，系统的安全性会大大降低。该方法中的打分投票协同机制，极大地保证了选取的主节点的正确性，提高了系统的安全性。

附图说明

图1是节点加入示意图；图2是节点退出示意图；图3主节点选取的流程图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3所示：

1、一种优化的区块链实用性拜占庭容错算法，节点加入和退出并触发主节点选取机制，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：节点加入，过程分为请求、确认、回复、完成四个阶段，当节点加入后触发主节点选取机制。进入步骤二；

步骤二：主节点选取，通过打分和投票协同机制，选出正确性高的主节点，为系统的共识做准备。若有节点想退出，进入步骤三；

步骤三：节点退出，过程同加入相似，分为请求、确认、回复、完成四个阶段。当节点退出后再次触发主节点选取机制，为下一次的共识做准备。

2、根据权利要求1所述的一种实用于区块链的优化拜占庭容错算法，其特征在于，步骤一所述的节点加入过程包括以下步骤：

步骤一：节点i为待加入的节点，请求阶段，节点i向其余所有节点发送一条请求加入的消息。消息的格式为<request-join，t，ip>，t表示时间戳，ip表示待加入节点的ip地址。进入步骤二；

步骤二：接着是确认阶段，所有收到信息的从节点再分别向其他从节点发送消息，用来确定其余节点也都收到申请加入的消息，消息的格式为<join，j，ip>，j是发送消息的节点编号，ip是待加入节点的ip地址。消息发送完成后，当每个节点收到至少2f+1条消息时，进入回复阶段。进入步骤三；

步骤三：此时每个从节点向主节点回复并表明是否同意i节点加入，消息格式为<reply，agree/refuse，ip>，只有当超过半数的从节点同意加入时，主节点才会最终同意加入。如果主节点未收到某些节点的消息时，则将未回复节点视为放弃。

3、根据权利要求1所述的一种实用于区块链的优化拜占庭容错算法，其特征在于，步骤二所述的主节点的选取包括以下步骤：

步骤一：进入系统寻找主节点，首先进入节点打分机制，如果选出唯一最高分则直接选出主节点，并进入视图转换流程；如果未选出唯一的最高分，进入步骤二；

步骤二：进入投票机制，如果得到唯一的最高票数，则进入试图转换流程；若未能选出唯一票数最高的节点，则根据节点编号按从小到大选择，然后进入试图流程。

4、根据权利要求3所述的一种实用于区块链的优化拜占庭容错算法，其特征在于，步骤一所述的未知节点位置坐标计算包括以下步骤：

步骤一：节点每成功共识一次加一分。

步骤二：节点非恶意节点，但没有成功执行共识，不加分也不减分。

步骤三：节点是恶意节点，减去一分。选分数最高的节点为主结点，如果存在分数相同的情况，则除去该分数相同的节点后，再选出低一分的节点集合执行节点投票机制。

5、根据权利要求3所述的一种实用于区块链的优化拜占庭容错算法，其特征在于，步骤二所述的未知节点位置坐标计算包括以下步骤：

步骤一：每个节点一票，选出票数最多的节点担任主节点。

步骤二：若还是存在票数相同的情况则根据节点编号，选择小的序号。

6、根据权利要求1所述的一种实用于区块链的优化拜占庭容错算法，其特征在于，步骤三所述的节点退出过程包括以下步骤：

步骤一：节点m为待退出的节点，请求阶段，向主节点发送申请退出的消息，消息的格式为<request-quit，m，b，t>，b为区块号，t为时间戳，意思是告知主节点推出时间和位置。因为不能在交易的过程中退出，所以要在交易时间t之后的t+1时刻退出。进入步骤二；

步骤二：确认阶段，主节点发送消息给所有从节点，消息格式为<quit，m，t>，通知待退出节点的编号和时间，消息发送完成然后，进入步骤三；

步骤三：此时每个从节点向其余所有节点发送消息，用来确当其余节点也都收到申请退出的消息，消息的格式为<quit，agree/refuse>，只有当主节点收到超过半数的同意退出时，才会回复m节点同意退出。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等流程变换，或直接或间接运用在相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。