一种智能电网中区块链基于声誉机制的分片共识方法

本发明属于区块链技术、智能电网领域，更具体地指一种智能电网中区块链基于声誉机制的分片共识方法。

背景技术：

1、区块链技术是一种分布式的账本。其中节点运行在点对点的分布式网络中。区块链的可追溯性保证了其中数据的安全性。同时由于区块链的不可篡改性、去中心化、匿名性等特点而被运用到各大领域。在智能电网中，能源的调度也从集中式向分布式转变。传统的集中式能源存储与调度不再适合现在智能电网的发展。因此在智能电网部署一个点对点、分布式的能源数据共享平台是十分重要的。这一特性与区块链密切相联。

2、然而当前在智能电网中部署区块链网络还存在一些问题。传统区块链中的pow机制要求所有节点参与共识，耗费大量的计算资源和能源。在智能电网中部署传统的区块链会加重电网额外的计算和能源负担。其次传统区块链要求所有节点参与共识，造成吞吐量瓶颈，对于智能电网中频繁的交易也是不适用的。最后区块链要求设备公开透明，容易受到恶意攻击。因此需要一个安全的共识机制来保证交易安全和较低的交易时延，同时需要一个激励机制来促进节点为系统多做贡献。

3、区块链分片技术是为了解决传统区块链在扩展性、吞吐量和交易确认速度方面所面临的挑战而提出的。传统区块链，所有节点都需要验证和存储整个区块链的数据，这限制了系统的可扩展性。随着用户和交易数量的增加，区块链网络可能变得拥挤，交易确认时间延长，交易费用上升，限制了其在实际应用中的可用性。分片技术旨在将区块链网络分成多个较小的分片，每个分片都负责处理一部分交易和智能合约。这种方法可以在理论上将区块链系统的处理能力提升到线性水平，因为每个分片都可以并行地处理交易，从而显著提高了吞吐量和交易确认速度。分片技术还可以降低节点之间传输的数据量，减少了网络拥堵的可能性，并降低了参与节点的计算和存储要求。

4、然而，实施分片技术也带来了一些挑战。其中之一是如何确保跨分片的交易和智能合约的一致性和安全性。另一个挑战是如何在网络中引入有效的共识算法，以确保分片之间的合作和正确性。分片技术还需要重新设计区块链的架构，以适应片区通信、跨分片交易确认等新的需求。针对上述问题现有如下两种解决方案：

5、方案一：针对区块链分片所遇到的问题与挑战，该方案根据节点历史工作信息，获取每个节点的权重分数；接着对节点的权重分数进行排序，然后对节点进行以一个随机分片，最后在每个分片内进行实用拜占庭共识。

6、方案二：该方案提出了一种基于委员会的分片区块链交易同步共识方法。每个分片区块链网络的结构包括：用户节点、分片节点和共识节点。其中共识分为两个阶段：第一阶段，当用户节点发起交易后，由分片节点将交易打包为预构建区块。然后分片节点将预构建区块发送给委员会节点进行一阶段共识。第二阶段，一阶段共识完成后得到每个分片的确认交易池。最后分片节点对接受到的共识确认区块进行二阶段共识。

7、但上述已有的区块链分片共识方案分别存在如下缺点：

8、【方案一】根据节点的历史工作信息获取节点的权重分数不能结合节点的共识行为给与不同的分数，容易造成节点的权重分数没有差别。其次按权重分数排序后进行分片，易造成恶意节点集中。

9、【方案二】其中分片结构中的委员会节点和分片节点，忽略了恶意节点存在的问题。当委员会节点是恶意节点，发起虚假的第一阶段共识，增加额外的通信负担。

10、基于以上，本发明提供一种一种智能电网中区块链基于声誉机制的分片共识方法。

技术实现思路

1、在模拟验证阶段，根据节点不同行为给予节点不同的声誉分。评估节点的行为，将实际的交易信息分为两种类别：合法的和非法的。将节点的验证行为分为四种类别：同意，不同意、不确定和忽略。每个节点对交易信息的验证结果包括七种类别：同意合法的交易信息、不同意合法的交易信息、忽略合法的交易信息、同意非法的交易信息、不同意非法的交易信息、忽略非法的交易信息和对交易信息结果不确定。

2、当计算出节点的声誉分后可对节点进行声誉等级的划分和随机分片。对声誉分处在(0,0.5)，(0.5,0.9)，(0.9,1)区间的节点，分别定义为“差”节点、“良好”节点、“优秀节点”。当一个分片周期开始时，对处在不同声誉等级的所有节点分别进行一个随机分片，每个分片当中根据节点的声誉值确定领导者；首先分片内的候选者使用随机种子的随机生成器来生成随机数，该种子可用omniledger和rapidchain采用的随机生成协议生成。

3、当分片完成后，根据片区内每个节点的声誉分确定领导者节点。同时从声誉分优秀的节点中随机挑选出节点组成一个裁判者委员会用来监督领导者节点。对节点的声誉分进行降序排列后，选出一定占比的节点进行共识。为了防止领导者节点伪造共识组成员，领导者节点与裁判者节点之间必须实现半承诺方案。在一个周期结束后根据节点的声誉分给予节点不同的奖励。

4、技术效果

5、经过上述步骤，部署在智能电网中的区块链在吞吐量上会有提升、交易延迟得到降低、安全性得到加强。1、声誉机制使得节点的声誉分不是无限增长，将节点划分为了几个不同的声誉等级；2、基于声誉的随机分片方案使的每个片区节点声誉分分布均匀，恶意节点没有聚集于某一个片区，同时提升了区块链的吞吐量；3、基于声誉机制的共识方案使得领导者切换的通信复杂度降低，降低了区块链的共识延迟；4、半承诺方案保证了片区的安全性，恶意节点率下降；

技术特征：

1.一种基于声誉机制的分片共识方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于声誉机制的分片共识方法，其中所述的声誉机制，其特征在于根据节点所做出的不同行为计算节点的声誉分；同时根据声誉分计算公式，调节参数，控制节点声誉分收敛于某个值；最后根据计算出的声誉分，将节点划分为不同的声誉等级。

3.根据权利要求1所述的基于声誉机制的分片共识方法，其中所述的基于声誉等级的随机分片，其特征在于对“优秀、良好、差”的节点进行随机分片；根据随机种子生成的随机数将不同声誉等级的节点划分到不同的片区。

4.根据权利要求1所述的基于声誉机制的分片共识方法，其中所述的基于声誉分的pbft共识，其特征在于根据每个片区节点的声誉值挑选领导者节点；同时当恶意节点当选为领导者节点时，领导者节点从声誉分优秀的节点中挑选。

5.根据权利要求1所述的基于声誉机制的分片共识方法，其中所述的基于声誉分的半承诺方案，其特征在于领导者节点收集共识组的签名，计算哈希值，将哈希值广播给裁判者节点实现半承诺方案。

6.根据权利要求1所述的基于声誉机制的分片共识方法，其中所述的基于声誉分的激励机制，其特征在于区块链系统根据节点共识后的声誉分给予不同的奖惩。

技术总结
本发明公开了一种智能电网中区块链基于声誉机制的分片共识方法，属于区块链技术、智能电网领域，方法包括如下步骤：1、区块链节点预先模拟验证交易，计算声誉分；2、基于节点声誉分划分声誉等级；3、基于声誉等级随机分片；4、基于声誉机制的PBFT共识以及半承诺方案；5、节点的激励机制；经过以上步骤，部署在智能电网中的区块链可以实现吞吐量上的提升、共识延迟上的降低以及安全性的提升。

技术研发人员：邓啸野
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15