[发明专利]一种基于信誉与投票机制的改进PBFT共识方法

说明书

本发明属于区块链技术领域，提出了一种基于信誉与投票机制的改进PBFT共识方法，包括对节点进行状态划分，并根据节点在共识过程的表现进行节点状态的转换；根据节点的状态进行权限分配，具有参选权限的节点可参与主节点选举，并根据投票计算选举出主节点；主节点接收客户端发送的请求，广播该请求给备份节点，开始共识过程；共识过程中，如果主节点故障或作恶，根据主节点异常情况进行视图切换；本发明与传统PBFT相比，增加了平均吞吐量，降低了时延，提高了系统的运行效率和安全性。

技术领域

本发明属于区块链技术领域，提出了一种基于信誉与投票机制的改进实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)共识方法。

背景技术

目前区块链技术已为各行各业提供去中心化解决方案，形成分布式数据存储、密码学、网络协议、共识机制等计算机技术组成的新型应用模式。共识机制是区块链技术的核心，通过节点共识过程保证了节点中最新交易集生成区块的一致，从而保障分布式网络正常运行。

目前，区块链中共识算法主要有：工作量证明(Proof of Work,PoW)、股权证明(Proof of Stack,PoS)、授权股权证明(Delegated Proof of Stack,DPoS)和PBFT。PoW算法中，各个节点通过算力解决密码学问题，可获得记账的权利，并得到一定的收益，保障了比特币的安全性和公平性，但浪费了巨大的计算和能量资源。PoS算法是为了解决PoW的资源浪费提出的替代性方案，一定程度上减少了资源的使用，提高了区块生成速度，但实际开发成本仍然很高。DPoS算法通过赋予每个持股人一定的投票权，由他们投票产生“挖矿”代表，降低了计算成本，是一种高效的共识算法。然而，DPoS中的奖励分布不均匀，容易产生较大的贫富差距，且恶意节点的防御能力弱，所以系统安全性较低。PBFT算法主要为解决分布式系统中存在拜占庭错误节点的一致性问题，在拜占庭协议的基础上，将算法复杂度从指数级降到了多项式级。

PBFT算法中的节点分为主节点和备份节点，每个节点按顺序从0到N-1分配一个编号，其中N为节点个数。主节点的编号记为p，主要职责为接收客户端提交的请求，并将请求消息广播给备份节点。该算法中每一次共识中所有的数据集群称为一个视图(view)，为方便管理视图，将视图记作v，同时从0开始对其进行编号，主节点p满足p＝v mod N。PBFT共识过程的核心三阶段，包括预准备阶段(pre-prepare)，准备阶段(prepare)和确认阶段(commit)，下面对三个阶段进行简要描述。

(1)预准备阶段，主节点广播预准备消息给备份节点。

(2)准备阶段，备份节点收到预准备消息后会对消息内容进行验证，节点验证、检查并接受预准备消息后，则该节点进入准备阶段，并向其他节点广播准备消息，然后将预准备消息写入日志。

(3)确认阶段，节点验证准备消息为真后，会向其他节点广播确认消息，当收到2f+1(f是最大可容忍的拜占庭节点数)个确认消息后，代表大多数节点已经进入确认状态，达成共识，于是节点会执行请求消息的内容。

上述过程中，如果备份节点认为主节点故障或作恶时，会向其他节点广播视图切换(view-change)消息。当收到2f个其他节点有效的view-change消息时，证明主节点异常，此时视图编号加1，下一个编号的节点成为主节点，主节点会继续执行上个视图未处理完的请求。

将PBFT算法作于区块链的共识算法，在保证系统运行效率的前提上，具有较高可靠性和安全性，目前已广泛应用于部分去中心化，由多个组织共同管理区块链网络的联盟链中。然而，PBFT算法中仍然存在部分问题：

(1)异常节点担任主节点。PBFT算法中对于主节点的选取采用顺序制，无法保证主节点的可靠性，容易产生异常节点担任主节点的情况。虽然视图切换协议保证了系统的安全性和活性，但是频繁更换视图，极大的降低了系统运行效率。