[发明专利]基于可信执行环境与秘密共享技术的并行化拜占庭容错共识系统及方法

说明书

本发明公开了基于可信执行环境与秘密共享技术的并行化拜占庭容错共识系统及方法，包括上层根委员会、备用根委员会和多个相互独立并行的下层共识委员会，所述上层根委员会与各个备用根委员会和下层共识委员会之间均采用数据通信连接，其中所述上层根委员会用于全序排序和全局共识操作，所述下层共识委员会用于执行本地共识流程操作，并将共识消息集合发送至上层根委员会；本发明实现了消息共识与秘密验证的分层处理，从而实现了下层共识过程的并行化，而共识并行化设计从根本上提升了共识算法的可扩展性，进而提高了系统的吞吐量，提升了共识算法应对大规模节点集群共识的适应能力，适合被广泛推广和使用。

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，具体涉及基于可信执行环境与秘密共享技术的并行化拜占庭容错共识系统及方法。

背景技术

PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance，实用拜占庭容错)是一种BFT类共识协议，由Miguel Castro和Barbara Liskov于1999年提出。PBFT的目标是在拜占庭故障模型下，确保分布式系统中的节点能够达成一致的共识结果，并且在性能上能够比传统的BFT算法更优。PBFT协议的核心思想是采用了拜占庭将军问题的解决方法，将共识过程分为多个阶段，每个阶段由不同的角色负责完成，保证共识的正确性和高效性。具体来说，PBFT协议将共识过程分为四个阶段：请求阶段(Request phase)，客户端向备份节点发送请求，请求处理某个操作；预备阶段(Pre-prepare phase)，备份节点收到请求后，将请求广播给其他备份节点，以达成预备状态；准备阶段(Prepare phase)，备份节点收到预备消息后，发送准备消息给其他备份节点，证明本节点已经完成了预备状态；提交阶段(Commit phase)，备份节点收到足够数量的准备消息后，发送提交消息给其他节点，以决定最终的共识结果。PBFT协议使用了数字签名和哈希函数等密码学技术，确保消息的可信度和完整性，同时使用了状态机复制技术，保证分布式系统的状态一致性。PBFT协议的思想和技术被广泛应用于区块链、分布式数据库、分布式存储等领域，并逐渐成为了分布式系统中的重要组成部分。

目前，虽然PBFT协议在拜占庭容错模型下具有高效和安全的特性，但是它也存在一些缺点：

性能问题，PBFT协议的性能问题主要源于O(n²)级消息复杂度产生大量消息传递导致共识消息延迟，且在PBFT协议中需要等待足够多的节点发送确认消息，然后才能继续后续的共识过程，因此消息传递的延迟会导致共识速度的下降；

节点数量问题，PBFT协议需要至少三分之二的节点参与共识过程，因此当节点数量较少时，PBFT协议的可靠性和安全性会下降；

依赖节点诚实性问题，PBFT协议假设大多数节点是诚实的，但如果有一部分节点恶意操作或者被攻击，则可能导致共识结果的错误；

可扩展性问题，当节点数量较大时，由于O(n²)级消息复杂度，PBFT协议的消息传递量会急剧增加，从而导致共识速度的快速下降，而PBFT协议在共识运行中不支持动态节点的加入和退出，限制了系统的可扩展性；

综上所述，虽然PBFT协议是一种高效和安全的共识协议，但是它也存在一些问题和限制；因此，需要设计基于可信执行环境与秘密共享技术的并行化拜占庭容错共识系统及方法(即TopBFT)。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，为更好的解决基于拜占庭容错协议在大规模节点共识中的性能瓶颈与可扩展性的问题，提供了基于可信执行环境与秘密共享技术的并行化拜占庭容错共识系统及方法，其通过下层共识委员会的并行化设计实现了系统性能与可扩展性的提升，并利用可信执行环境保护排序安全，降低了所需共识节点数量的下界，还利用秘密共享实现了共识投票，降低了共识操作的消息复杂度。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：