一种异构联盟链的共识方法技术

本发明专利技术公开一种异构联盟链的共识方法，在PBFT算法的基础上，结合RAFT算法，并使用了分层的结构，不仅有效降低节点之间数据传输的通信开销，使其更适合应用于设备数量大，通信复杂的工业物联网中；而且能够使区块链中参与共识的节点数量得到扩展，增加了可扩展性；此外，增加监督机制和重启机制，从而增加了容错率，保持了安全性，以满足医疗领域下的信息交互需求。

A consensus method for heterogeneous alliance chain

【技术实现步骤摘要】
一种异构联盟链的共识方法
本专利技术涉及通信
，具体涉及一种异构联盟链的共识方法。
技术介绍
如何保障医疗数据的安全性和隐私性是医疗行业的核心问题。医疗数据的储存与分享涉及政府、研究院、制药厂和保险公司等多个行业，其信息交互愈发体现异构性、复杂性、保密性。传统保密接入技术无法满足其信息交互平台安全、花销小、可扩展性好的需要。区块链因其去中心化、无法篡改、低成本和能进行多签名复杂权限的管理能力，成为了医疗数据存储与分享的最佳方案，但是并非所有的区块链方案都适合应用于医疗领域。公有链(例如POW)允许任意成员加入，但是其通过某概念证明的方式，往往需要在资源上有很大的消耗。私有链(例如RAFT)只允许认证的成员加入，但是其共识方式过于集中，不够安全。联盟链(例如PBFT)只允许认证的成员加入，但是权限设计要求更复杂，算法可扩展性不强。
技术实现思路
本专利技术主要解决现有区块链技术在医疗领域中，存储数据私密性要求高、数据分享时开销大和可扩展性要求高等问题，提供一种异构联盟链的共识方法。为解决上述问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种异构联盟链的共识方法，具体包括步骤如下：步骤1、根据初始网络环境中的节点数量进行初始分组，其每个分组的成员包括A个普通节点和V个监督节点；每个监督节点同时处于两个不同的分组，且一个分组的监督节点所在分组各不相同；步骤2、初始分组完成后，先随机选出每个分组的领导者；所有选出的领导者构成委员会的成员；步骤3、客户向随机向网络其中一个节点发送请求消息，此时该节点所在分组中的领导者即为主节点，并进入委员会共识；步骤4、主节点向委员会的所有成员广播预准备消息，当委员会成员收到预准备消息后，则该成员向委员会的其他成员广播准备消息；步骤5、当委员会中的某一个成员收到的准备消息的数目大于等于2f后，则该成员向委员会的其他成员广播提交消息；步骤6、当委员会内的任意一个成员收到的提交消息的数目大于等于2f个时，则委员会共识完成，并进入组内共识；步骤7、领导者将日志消息同步到其所在分组内的其他成员；步骤8、当分组内的其他成员收到领导者的日志消息后，则向领导者返回第一回复消息；步骤9、当监督节点收到2个领导者发送的日志消息后，则对这2个日志消息进行比较：若2个日志消息一致，则不进行操作；若2个日志消息不一致，则监督节点发送报警消息；步骤10、当领导者收到的第一回复消息的数目大于(A+V)/2时，则向分组内的其他成员广播提交消息；步骤11、当分组内的其他成员收到领导者的提交消息后，则将日志消息写入自己的状态机中，并向领导者返回第二回复消息；步骤12、当领导者收到的第二回复消息的数目大于(A+V)/2时，则组内共识完成；其中f为设定的容错节点个数。上述方案中，每个分组的监督节点的个数为2f个，其中f为设定的容错节点个数。上述步骤1中，每个分组的监督节点通过抽签随机从分组成员中选取。上述方案中，当在分组中的领导者宕机时，分组内的成员就开始计时；竞选时钟率先耗尽的成员向分组中的其他成员发送投票请求，并将自己的状态变更为候选者，如果超过半数的成员跟随者投了票，则候选者自动变成领导者，开始在分组内广播该日志。上述方法还进一步包括如下步骤：步骤13、根据看门狗时钟的设定，周期性地重启。与现有技术相比，本专利技术在PBFT算法的基础上，结合RAFT算法，并使用了分层的结构，不仅有效降低节点之间数据传输的通信开销，使其更适合应用于设备数量大，通信复杂的工业物联网中；而且能够使区块链中参与共识的节点数量得到扩展，增加了可扩展性；此外，增加监督机制和重启机制，从而增加了容错率，保持了安全性，以满足医疗领域下的信息交互需求。附图说明图1为一种异构联盟链的共识方法的流程图；图2为本共识算法与经典PBFT算法的通信开销对比图；图3为本共识算法最大容恶意错误节点数与同等节点数量的PBFT的容错率对比图；图4为本共识算法最小容恶意错误节点数与同等节点数量的PBFT的容错率对比图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本专利技术进一步详细说明。一种异构联盟链的共识方法，如图1所示，其具体步骤描述如下：(1)分组：步骤1、根据初始网络环境中的节点数量进行初始分组，其每个分组的成员包括A个普通节点和V个监督节点。算法根据初始网络环境中的节点数量，进行分组，分组的初始划分是参考OmniLedger的抗偏性分布式随机数进行分片。一个分组的分组成员中有A+V个成员。事实上，由于每个监督节点同时处于两个不同的分组，且一个分组的监督节点所在分组各不相同，因此每个分组实际成员数为M＝A+V/2，整个网络的实际成员总数就为N＝(3f+1)×M+3f+1。其中f为PBFT(PracticalByzantineFaultTolerance，实用拜占庭容错算法)容错节点。由于监督节点监督两个领导者，因此不能被领导者事先知道身份，以防止恶意的领导者发送不同的信息给不同的监督节点。为此，本专利技术采用可验证的随机函数进行抽签随机选取。根据抽签结果落入哪个区间进行判定是否成为监督节点，以及监督自己组之外的哪一个组。由于抽签结果满足二项分布，因此在理想条件下，每个监督节点监督的分组不同。监督节点所监督的分组一旦确定，不可更换，若在一个重启周期内，一个监督节点向多个不同分组领导者发送告警消息，则会被认为是恶意监督节点。其中f为设定的容错节点个数。(2)领导者选举：步骤2、初始分组完成后，先随机选出每个分组的领导者。所有选出的领导者构成委员会的成员。在异构联盟链中，所有领导者的集合我们称为委员会。委员会采用PBFT共识，节点数量实际应该满足的条件为N≥3f+1，本文为了描述及分析简便，设定委员会内成员的个数是3f+1。领导者的初始选取是根据一个可信的随机信标提供的随机值选出。在分组中，一旦领导者宕机，分组成员与监督节点就开始计时。竞选时钟率先耗尽的节点向分组中的其他节点发送投票请求，并将自己的状态变更为候选者。如果超过半数的跟随者投了票，则候选者自动变成领导者，开始在分组内多播日志。为了去除异构共识的耦合性，委员会PBFT共识与组内RAFT共识互补干扰。即委员会节点进行PBFT共识阶段不与组内成员数据通信，只保留RAFT基本heartbeat通信，待PBFT共识完成后，节点将收到的Commit数据信息通过Raft共识同步到组内其他节点中去。(3)主节点选举：步骤3、客户向随机向网络其中一个节点发送请求消息，此时该节点所在分组中的领导者即为主节点，并进入委员会共识。在委员会中，领导者节点根据当前主节点操作状态判断其是否宕机，若宕机则发动视图变更。委员会里的其他领导者收到视图变更消息，并确认消息来源的安全性，便进行应答。领导者节点成为新本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异构联盟链的共识方法，其特征是，具体包括步骤如下：/n步骤1、根据初始网络环境中的节点数量进行初始分组，其每个分组的成员包括A个普通节点和V个监督节点；每个监督节点同时处于两个不同的分组，且一个分组的监督节点所在分组各不相同；/n步骤2、初始分组完成后，先随机选出每个分组的领导者；所有选出的领导者构成委员会的成员；/n步骤3、客户向随机向网络其中一个节点发送请求消息，此时该节点所在分组中的领导者即为主节点，并进入委员会共识；/n步骤4、主节点向委员会的所有成员广播预准备消息，当委员会成员收到预准备消息后，则该成员向委员会的其他成员广播准备消息；/n步骤5、当委员会中的某一个成员收到的准备消息的数目大于等于2f后，则该成员向委员会的其他成员广播提交消息；/n步骤6、当委员会内的任意一个成员收到的提交消息的数目大于等于2f个时，则委员会共识完成，并进入组内共识；/n步骤7、领导者将日志消息同步到其所在分组内的其他成员；/n步骤8、当分组内的其他成员收到领导者的日志消息后，则向领导者返回第一回复消息；/n步骤9、当监督节点收到2个领导者发送的日志消息后，则对这2个日志消息进行比较：若2个日志消息一致，则不进行操作；若2个日志消息不一致，则监督节点发送报警消息；/n步骤10、当领导者收到的第一回复消息的数目大于(A+V)/2时，则向分组内的其他成员广播提交消息；/n步骤11、当分组内的其他成员收到领导者的提交消息后，则将日志消息写入自己的状态机中，并向领导者返回第二回复消息；/n步骤12、当领导者收到的第二回复消息的数目大于(A+V)/2时，则组内共识完成；/n其中f为设定的容错节点个数。/n...

【技术特征摘要】
1.一种异构联盟链的共识方法，其特征是，具体包括步骤如下：
步骤1、根据初始网络环境中的节点数量进行初始分组，其每个分组的成员包括A个普通节点和V个监督节点；每个监督节点同时处于两个不同的分组，且一个分组的监督节点所在分组各不相同；
步骤2、初始分组完成后，先随机选出每个分组的领导者；所有选出的领导者构成委员会的成员；
步骤3、客户向随机向网络其中一个节点发送请求消息，此时该节点所在分组中的领导者即为主节点，并进入委员会共识；
步骤4、主节点向委员会的所有成员广播预准备消息，当委员会成员收到预准备消息后，则该成员向委员会的其他成员广播准备消息；
步骤5、当委员会中的某一个成员收到的准备消息的数目大于等于2f后，则该成员向委员会的其他成员广播提交消息；
步骤6、当委员会内的任意一个成员收到的提交消息的数目大于等于2f个时，则委员会共识完成，并进入组内共识；
步骤7、领导者将日志消息同步到其所在分组内的其他成员；
步骤8、当分组内的其他成员收到领导者的日志消息后，则向领导者返回第一回复消息；
步骤9、当监督节点收到2个领导者发送的日志消息后，则对这2个日志消息进行比较：若2个日志消息一致，则不进行操作；若2个日志消息不一致，则监督节点发送报警消息；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄冬艳，任英琦，王波，付中卫，冯彤，陈斌，李浪，肖培剑，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45