一种基于VRF和门限签名的区块链共识方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于VRF和门限签名的区块链共识方法和装置，首先系统对轻节点矿工周期随机采样，形成若干个验证组，然后以上一区块的随机数作为PRG函数的随机种子，产生的随机数来确定当前高度的验证组。全网重节点根据上一块区块的随机数，进行VRF分组，随机选出当前高度的提案组，提案成员给出若干个候选区块提案定向广播给当前高度的验证组。当前高度的验证组以组协作方式，无交互地通过签名投票来完成候选区块验证，并通过门限签名方式达成组内共识向组外广播。本发明专利技术通过周期随机采样建组，利用无交互的签名来做投票达成组内共识，并且数据量可以达到最小，基于VRF算法和门限签名（BLS）算法实现了一种高效，安全，去中心化的区块链共识方案。

A block chain consensus method and device based on VRF and threshold signature

【技术实现步骤摘要】
一种基于VRF和门限签名的区块链共识方法和装置
本专利技术涉及区块链
，涉及一种区块链共识方法，尤其涉及一种基于VRF和门限签名的共识方法。
技术介绍
区块链是共识算法、分布式存储、点对点传输、加密算法等计算机技术的新型系统。被广泛应用于证券交易、电子商务、智能合约、物联网、社交通讯以及文件存储等众多领域。当前的区块链技术是由一串使用密码学方法产生的数据块组成的，每一个区块都包含了上一个区块的哈希值（hash），并且确保按照时间顺序在上一个区块之后产生，从创始区块（genesisblock）开始连接到当前区块，形成块链。共识算法是区块链的核心技术，其保证区块链平台各节点账本数据一致的关键，它决定着区块链的效率和部分安全性。目前区块链的主流共识算法很多，主要包括如下几种：（1）PoW(ProofofWork，工作量证明机制)：PoW机制中根据矿工的工作量来执行货币的分配和记账权的确定。算力竞争的胜者将获得相应区块记账权和比特币奖励。因此，矿机芯片的算力越高，挖矿的时间更长，就可以获得更多的数字货币。PoW在比特币系统中运行了10年时间，经历了时间的考验，是目前最为安全稳定的共识算法。然而，由于近年来大部分算力掌握在几大矿池手中，业界对大矿池算力垄断的担忧日趋严重。PoW对资源的巨大消耗引起了环保人士的批评，此外很低的TPS(即每秒处理交易量，TransactionsPerSecond,TPS)，将大多数人排除在挖矿之外导致很低的参与度，偏离了去中心化的设计目标。（2）PoS(ProofofStake，权益证明机制)：POS机制采用类似股权证明与投票的机制，选出记帐人，由它来创建区块。持有股权愈多则有较大的特权，且需负担更多的责任来产生区块，同时也获得更多收益的权力。简单地说，PoS就是把PoW由算力决定记账权变成由持有币数来决定记账权。在PoW中，是按照算力占有总算力的百分比，从而决定你获得本次记账权的概率。在PoS中，持有币数占系统总币数的百分比，决定着获得本次记账权的概率。PoS摒弃了算力竞争，能耗更低，让大部分用户可以参与进去，但同时也带来了其它问题，例如：大股东股权垄断、区块高分叉倾向、无利害关系攻击(Nothing-at-Stake)、长程攻击(Long-range-attack)等。（3）DPoS(DelegatedProofofStake，股份授权证明机制)：作为一种改进，DanielLarimer(通过Bitshares，BTS)又提出了DPOS共识。DPoS是在POS基础之上发展起来的。与PoS的主要区别在于持币者投出一定数量的节点，代理他们进行验证和记账。其合规监管、性能、资源消耗和容错性与PoS相似。作为一种改进，DanielLarimer(通过Bitshares，BTS)又提出了DPOS共识。（4）PBFT(PracticalByzantineFaultTolerance，实用拜占庭容错)，实用拜占庭容错在保证活性和安全性(liveness&safety)的前提下提供了(N-1)/3的容错性。在分布式计算上，不同的计算机通过讯息交换，尝试达成共识；但有时候，系统上协调计算机(Coordinator/Commander)或成员计算机(Member/Lieutanent)可能因系统错误并交换错的讯息，导致影响最终的系统一致性。拜占庭将军问题就根据错误计算机的数量，寻找可能的解决办法，这无法找到一个绝对的答案，但只可以用来验证一个机制的有效程度。而拜占庭问题的可能解决方法为：在N≥3F+1的情况下一致性是可能解决。其中，N为计算机总数，F为有问题计算机总数。信息在计算机间互相交换后，各计算机列出所有得到的信息，以大多数的结果作为解决办法。(5)DBFT(DelegatedByzantineFaultTolerance，授权拜占庭容错算法)：是由权益来选出记账人，然后记账人之间通过拜占庭容错算法来达成共识。DBFT和PBFT的关系类似于PoS和DPoS的关系。(6)PoA(ProofofAuthority，权威证明机制)：所谓权威证明，就是使用一组所谓的“权限”来允许人们在区块链上创建新的节点并确保区块链的安全。在PoA中，验证者(validator)是整个共识机制的关键。验证者不需要昂贵的显卡，也不需要足够的资产，但他必须具有已知的，并且已获得验证的身份。验证者通过放置这个身份来获得担保网络的权利，从而换取区块奖励。若是验证者在整个过程中有恶意行为，或与其他验证者勾结。那通过链上管理可以移除和替换恶意行为者。现有的法律反欺诈保障会被用于整个网络的参与者免受验证者的恶意行为。PoA共识机制能达到较高的TPS(transactionspersecond，每秒的交易数)，具有高并发的特点，非常适合私有链和联盟链。(7)混合证明机制：由于不同共识机制有着不同的优劣势，有些系统选择采用多种共识机制的方式来取长补短。较为典型的就是以太坊将要采用PoW+PoS的共识机制。为了克服经典POW算法的低性能，高能耗问题，近年来，越来越多的公链采用了POS共识。众所周知，POS机制分为提案(proposal)和验证(verification)两个阶段。在提案阶段选择提案者，由提案者负责打包交易生成候选区块。在验证阶段由部分或全部矿工来担当验证者，对可能多余一个的候选区块进行投票，达成组内共识产生最终区块。放弃POW算法，POS共识机制需要解决核心问题是如何在保证高度去中性化的前提下，确保矿工“记账权”的公正公平性。因此需要寻找一种真随机数生成算法，是当前该问题的主要解决策略。在众多随机数算法中当前最著名的就是采用VRF（全称VerifiableRandomFunctions，即可验证随机函数）产生真随机数的解决方案，比如Algorand，Cardano，Ont等知名公链均采用VRF算法。目前来说，VRF算法在解决提案公平性上最佳的技术之一。Algorand是当前基于VRF最著名的公链，但是仍然存在一些缺点：验证阶段BA*算法效率低下，实验数据在12s以上，预测公网环境达到40s以上，TPS无法达到1000，数据存储浪费影响性能。验证组规模过大，相应的凭证及签名数据巨大。10M区块估计凭证/签名数据可达1M，可记录的交易数据变相减少。网络通讯效率低，系统采用P2P全网广播模式，传输性能不高。此外，无法构建经济激励机制。达成拜占庭共识时，每个验证节点收到的签名数据可能是不一致的，即每个节点可能收到组内不同子集（数量超过2/3组员数）的签名，所以系统无法给出相应的铸块验证奖励。因此，如何设计高性能，高安全，去中心化的区块链共识机制是个系统问题，仅仅考虑提案使用VRF是不够的，上述公链的技术在性能上，存储上均存在不足。在此，我们提出一种新的采用预先分组、组内门限签名（BLS）达成验证共识POS共识机制架构。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于VRF和门限签名的区块链共识方法，基于该共识方法对具有B0，B1……Bh-1的区块链写入新区块Bh，所述B本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于VRF和门限签名的区块链共识方法，基于该共识方法对具有B

【技术特征摘要】
1.一种基于VRF和门限签名的区块链共识方法，基于该共识方法对具有B0，B1……Bh-1的区块链写入新区块Bh，所述B0，B1……Bh-1的区块链具有对应的随机数列R0,R1……Rh-1，全网提案重节点包括P0，P1……Ph-1,其特征在于，按照下述共识方法生成新区块Bh：
S1:系统对轻节点申请验证者周期随机采样，形成若干个验证组Vr……Vm；
S2:以上一区块Bh-1内的随机数Rh-1作为RPG函数的随机种子产生一随机数从所述若干验证组中确定当前高度验证组；
S3：当前区块Bh的当前高度的验证组通过对上一区块Bh-1内的随机数Rh-1进行门限签名产生当前区块Bh对应的随机数Rh；
S4:全网重节点P0,P1……Ph-1根据上一区块Bh-1的随机数Rh-1利用VRF算法进行分组，随机选出当前高度的提案组，提案成员给出若干个候选区块提案定向广播给所述当前高度的验证组；
S5:所述当前高度的验证组以组协作方式，无交互地通过签名投票来完成所述候选区块验证，并通过门限签名方式达成组内共识向组外广播。


2.如权利要求1所述的基于VRF和门限签名的区块链共识方法，其特征在于，所述验证组具有一定生存周期，在生存周期内，组员固定，组内通过门限签名可以恢复出唯一的组签名。


3.如权利要求2所述的基于VRF和门限签名的区块链共识方法，其特征在于，在所述验证组的生存周期结束后，所述验证组解散，验证组成员重新进入新验证组的候选成员。


4.如权利要求1所述的基于VRF和门限签名的区块链共识方法，其特征在于，创世组由人为设置，各创世组组员根据设置的随机数进行签名并聚合为随机数R0作为创始块的随机数。


5.如权利要求1所述的基于VRF和门限签名的区块链...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕晟珉，庞先富，吴轶群，
申请(专利权)人：杭州智块网络科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33