基于信誉的区块链分片共识方法及系统与流程

本公开涉及区块链分片，具体涉及一种基于信誉的区块链分片共识方法及系统。

背景技术：

1、分片技术作为一种链上扩容方式，通过分割网络可以降低交易处理负担，加快交易确认速度从而提升区块链性能。pbft(practical byzantine fault tolerance)作为一种拜占庭容错的共识算法，在分片方案中可用于每个分片内部的共识过程。通过将pbft和分片相结合，能够在提高交易吞吐量的同时，保持高度的安全性和拜占庭容错性，为区块链网络提供更高的效率和可靠性。然而pbft因其多轮通信和投票机制，时间复杂度达到o(n2)，在实际的应用中具有较高的计算和通信开销。

2、在基于信誉的分片系统中，信誉评估为节点选择、系统安全性和共识机制提供了重要保障。因此常有依据信誉值选出部分“优异”的节点参与共识，或者由选举出的领导节点来主导pbft共识，以达到降低系统开销的目的。然而这样很可能引入某种程度的中心化风险，当攻击者集中攻击领导节点时，整个共识过程将会中断。而且在这些改进中，并不能在共识的过程中确切地识别出恶意节点，当恶意节点拥有和正常节点同样的投票权时，恶意节点很有可能联合起来破坏系统的安全性。

3、同时，在基于信誉的分片系统中，缺少对于押金以及激励机制的研究，押金激励机制可以激励节点遵守协议规则，保护整个网络安全和稳定运行。在实际的区块链系统中，由于各个节点的计算能力、以及在验证交易的表现都有所不同，若是在节点之间均分奖励将不能激励节点诚实的做工，同时也影响系统激励的公平性。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术的不足，本公开提供了一种基于信誉的区块链分片共识方法及系统,所述方案通过综合考虑节点的性能特征和行为特征，设计了一种信誉综合计算策略，提高了信誉计算的全面性和准确性；在基于信誉的pbft共识中，通过采用聚合签名技术，将多个节点的签名聚合成一个，以信誉作为标准来决定一个节点的投票权重，大大减少了通信开销并提高了共识的平等性和安全性；同时，在信誉机制下提出一种押金与激励机制，当节点初入网络时设置最低门票标准并随着时间逐步增加，根据节点的不同的分工角色各自采用基础奖励与有效奖励结合的激励模式，从而有效平衡节点的稳定收益和动态奖励，不断提升网络的稳定性和安全性。

2、根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种基于信誉的区块链分片共识方法，包括：

3、当交易进入区块链分片时，区块链分片中的领导节点接收来自客户端的请求消息，进入共识阶段，其中，所述共识阶段包括：

4、预准备阶段：领导节点广播预准备消息给分片内所有参与共识的备份节点；

5、准备阶段：备份节点在接收到领导节点发送的预准备消息后对该消息进行校验，校验无误后向领导节点发送附有自身签名及投票权重的准备消息；以f表示最大的出错节点，则领导节点接收到2f条备份节点的消息后，基于所述投票权重计算收到的准备消息的权重总和，当满足预设阈值时聚合所有签名，合并为一条消息后广播给所有备份节点；

6、其中，区块链分片中节点的投票权重基于节点信誉值计算得到，在所述信誉值计算中，引入节点的性能特征，并基于所述性能特征结合节点行为特征，经缩放处理后获得节点信誉值；

7、提交阶段：备份节点向领导节点发送提交消息，当领导节点收到可包括自己的2f+1条消息并确定投票权重综合满足预设阈值时聚合所有签名，合并成一条消息后广播给所有备份节点；各节点执行请求操作，并将执行结果响应给客户端。

8、进一步的，所述信誉分数计算，具体采用如下公式：

9、

10、

11、其中，δt为节点i在周期t的影响因子，rt为最终的信誉分数，l为验证交易的数量，c为节点的初始分配的性能等级，s(i)为奖励或者惩罚系数，αj为验证结果系数，ρ为调节参数，max_score为最高分数，min_score为最低分数。

12、进一步的，所述区块链分片中节点的投票权重表示为节点信誉分数与预设调整系数的乘积。

13、进一步的，在准备和提交阶段中，当领导节点收到来自备份节点的消息时，校验成功后将其写入日志，当领导节点已收到足够来自不同备份节点的消息，且计算收到的消息中的权重总和超过2/3的总权重时，领导节点聚合已接收消息的所有备份节点的签名，合并为一条消息后，广播给所有的备份节点。

14、进一步的，对于区块链分片中的节点，执行如下押金及激励机制：

15、节点加入区块链分片系统时，向区块链的共有账户缴纳预设数额的押金；其中，在分片系统中设置一个最低押金标准，以防止信誉值过低的节点加入。

16、对于信誉值不小于预设阈值的节点进行押金的退还以及基于预设激励机制进行相关激励，对于信誉值低于预设阈值的节点，将其驱逐出当前区块链分片。

17、进一步的，所述押金的缴纳根据节点加入区块链分片系统完成交易的次数以及节点信誉分数，进行押金的逐步增加；以及，节点在完成一轮工作后，押金需锁定预设时间段。

18、进一步的，所述预设激励机制，具体为：

19、对于获得的交易费用和区块奖励，以基础奖励和有效奖励的分配方式分配给区块链分片中的节点，其中，所述基础奖励的分配方式为将交易费用中的一部分均分给所有节点；所述有效奖励的分配方式为将交易费用的另一部分以及区块奖励按照节点分工不同分别进行分配，所述节点分工包括领导节点和备份节点。

20、进一步的，对于备份节点，其有效奖励的分配基于备份节点在所属区块链分片中的信誉值占比，从交易费用的另一部分中获得。

21、进一步的，对于领导节点，其有效奖励的分配基于领导节点在所属区块链分片中打包进子区块的签名数量占比，从区块奖励中获得。

22、根据本实施例的第二个方面，提供了一种基于信誉的区块链分片共识系统，包括：

23、客户端，其用于向区块链中的领导节点发送交易请求，并接收来自区块链分片的交易处理结果；

24、区块链，其用于接收来自客户端的交易请求，执行本次交易的区块链分片中的节点进入共识阶段，完成共识后将节点的执行结果响应至客户端；其中，所述共识阶段采用上述的一种基于信誉的区块链分片共识方法。

25、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

26、(1)本公开所述方案提供了一种基于信誉的区块链分片共识方法及系统，所述方案综合考虑了节点的性能特征和行为特征，有效提高了信誉计算的全面性和准确性，为区块链系统提供更可靠的节点选择和信任机制。

27、(2)本公开所述方案通过聚合签名对基于信誉的pbft共识进行了改进，减少了通信和验证的数据量；以信誉作为标准来决定一个节点的投票权重，只有当超过总权重的2/3节点达成一致时才能继续共识，可以更好地抵御拜占庭节点可能引起的恶意行为，从而提高整体的安全性和效率。

28、(3)本公开所述方案采用一种押金与激励机制，通过收取节点押金可以促使节点遵守规则，根据节点不同的分工角色采用基础奖励+有效奖励的激励模式，有效平衡节点的稳定收益和动态奖励，从而更好地激励节点参与网络建设、改进和发展，提高整体网络的效率和安全性。