一种联盟链共识下满足分区容忍性的拓扑构造方法及系统技术方案

本发明专利技术适用于网络构建技术改进领域，提供了一种联盟链共识下满足分区容忍性的拓扑构造方法，包括：S1、将联盟链共识机制与网络拓扑结构相结合使联盟链共识在概率上满足分区容忍性；S2、将系统的分区容忍性抽象为一类可收敛的Markov过程并获取系统的稳态概率；S3、估算故障信道数量一定时发生分区故障且不满足一致性或可用性的概率及最小修复时间，得到系统的分区容忍概率及平均最小修复时间；S4、根据得到的分区容忍概率及平均最小修复时间分析不同网络拓扑结构下的资源开销和分区容忍性，为不同需求的联盟链共识构造规模适合、分区容忍性高的网络拓扑结构。能够实现CAP三个因素的共存，具有很高的现实意义。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种联盟链共识下满足分区容忍性的拓扑构造方法及系统
本专利技术属于网络构建技术改进领域，尤其涉及一种联盟链共识下满足分区容忍性的拓扑构造方法。
技术介绍
区块链，指的是一种在对等网络(Peer-to-PeerNetworking，又称点对点网络)环境下，通过透明和可信规则，构建不可伪造、不可篡改和可追溯的块链式数据结构，来实现和管理事务处理的模式。根据人们早期对区块链的讨论，狭义上，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本；广义上，区块链是利用块链式数据结构来验证和存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算方式。区块链本质上是一种去中心化的分布式账本，而早在区块链出现以前，分布式的思想就已经被提出并日益发展成熟。2000年，EricBrewer在某个研讨会上提出猜想：一致性(C：Consistency)、可用性(A：Availability)和分区容忍性(P：Partitiontolerance)三者无法在分布式系统中同时被完全满足。2002年，Lynch等人证明了这个猜想，并将其上升为CAP定理。CAP定理首次将一致性、可用性和分区容忍性三个因素提炼为分布式系统设计的重要特征。具体地，(1)一致性指系统中任何的操作都应该看起来是“原子”或串行的，所有的操作都看起来像被全局排序；(2)可用性指任何正常节点受到请求后都应该在有限的时间内给出响应；(3)分区容忍性指当网络在某一时刻发生分区时，系统仍然能够满足一致性和可用性。由于区块链的网络环境十分复杂，PoW等主流区块链共识算法通过弱化严格一致性为长时间的最终一致性来满足高可用性和分区容忍性，但这会导致系统的TPS性能受限。因此，EOS等一些高性能的区块链系统选择牺牲部分分区容忍性，通过控制参与记账的节点数量来换取TPS性能的提升。上述两种手段都只是在一致性、可用性和分区容忍性中选择两个因素作为主要强化的点，而大幅度弱化第三个因素，距离CAP极限还有很大的空间。比特币采用了基于互联网的点对点分布式网络架构，每个节点都具备网络路由功能。当一个新节点需要接入到比特币网络中时，执行以下步骤：1.使用DNS种子或seednode命令寻找到比特币网络中的有效节点。2.向发现的有效比特币节点发送一条包含基本认证内容的version消息进行初始握手通信过程，建立连接。3.将自己的IP地址发送给已连接的节点，这些节点收到后将此转发给它们各自的连接节点，使网络中有更多的节点接收到新节点。4.向已连接节点请求其已知的节点IP地址列表，从而找到更多可连接的节点。5.定期向已建立连接的节点发送信息维持连接，如果与某个节点之间长达90分钟没有通信，则被认为已经断开，开始寻找一个新的节点。由于比特币通信基于TCP协议，每个节点的TCP连接数有限，因此超过数量的IP地址会被忽略。启动完成后，节点会记住最近成功连接的节点，当重新启动后可以迅速与先前的节点重新建立连接。如果先前节点均无法连接，则重新从步骤(1)开始执行。在比特币区块链节点间通信过程中，不要求维护网络的拓扑结构，也就是不需要将网络进行逻辑意义上抽象，采用泛洪策略进行数据的传输。泛洪思想简单易于实现，而且节点加入、离开以及失效等行为对整个系统的负面影响较小，网络可靠性高。但是，由于网状结构互相连通，泛洪有可能引起节点多次重复收到相同的数据，导致节点信息冗余接收，大量无用的重复数据传输也消耗着网络资源。基于联盟链的一类权威证明(ProofofAuthority，PoA)共识算法由以太坊联合创始人兼前首席技术官GavinWood于2017年提出，目前用在以太坊测试网Kovan中。PoA的共识流程为：首先在创世区块中指定一组初始授权的签名者，启动挖矿后签名者开始对生成的区块进行签名并广播上链。如果其他已授权的签名者反对该区块生成，则对该区块的签名者进行“踢出”投票，票数超过签名者总数的50％即取消区块对应签名者的记账权。为了减少恶意签名者带来的损失，同一个签名者只能签名(SIGNER_COUNT/2)+1个区块中的一个。为了降低分叉的概率，每一高度都有一个签名者处于IN-TURN状态，其他签名者处于OUT-OF-TURN状态，IN-TURN状态的签名者能够立刻广播自己的区块，OUT-OF-TURN状态的签名者生成区块时则会随机延时一段时间后再广播。PoA共识依赖于有效且值得信赖的身份认证机制。考虑到签名者的身份是向全网公开的，一旦攻击者攻击了超过半数的签名者，则系统无法保证区块的正确性。另一方面，相较传统的PBFT共识算法，PoA共识算法通过弱化一致性需求为无一致性(Aura客户端)或最终一致性(Clique客户端)，来达到高可用性和分区容忍性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种联盟链共识下满足分区容忍性的拓扑构造方法，旨在解决上述的技术问题。本专利技术是这样实现的，一种联盟链共识下满足分区容忍性的拓扑构造方法，所述拓扑构造方法包括以下步骤：S1、将联盟链共识机制与网络拓扑结构相结合使联盟链共识在概率上满足分区容忍性；S2、将系统的分区容忍性抽象为一类可收敛的Markov过程并获取系统的稳态概率；S3、估算故障信道数量一定时发生分区故障且不满足一致性或可用性的概率及最小修复时间，得到系统的分区容忍概率及平均最小修复时间；S4、根据得到的分区容忍概率及平均最小修复时间分析不同网络拓扑结构下的资源开销和分区容忍性，为不同需求的联盟链共识构造规模适合、分区容忍性高的网络拓扑结构。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤S2中Markov过程收敛于一个独立初始分布的稳态分布，在单一网络拓扑结构下获取系统的稳态概率包括以下步骤：S21、将状态转移矩阵P循环与自身相乘；S22、判断连续两次乘积之差的矩阵2-范数是否小于设定的收敛精度，若小于，则认为此时的P的幂值为稳态概率矩阵P*，若不小于，则返回步骤S21。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤S3中各个分析元素的MTBF和MTTR都是无记忆的独立过程且均值恒定；在单一网络拓扑结构下获取系统的分区容忍概率包括以下步骤：S311、对于稳态系统的每个可能状态分别抽样N次；S312、估计每个状态下发生分区故障且不满足一致性或可用性的概率；S313、再根据全概率公式计算系统的分区容忍概率，全概率公式为：l表示信道总数，i表示稳态系统中有且仅有i条信道处于故障状态。本专利技术的进一步技术方案是：在单一网络拓扑结构下获取系统的平均最小修复时间包括以下步骤：S321、对每一个发生分区故障且不满足一致性或可用性的样本计算最小修复时间；S322、乘以该样本在总系统分区容忍问题中所占的权重，得到系统的平均最小修复时间。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种联盟链共识下满足分区容忍性的拓扑构造方法，其特征在于，所述拓扑构造方法包括以下步骤：/nS1、将联盟链共识机制与网络拓扑结构相结合使联盟链共识在概率上满足分区容忍性；/nS2、将系统的分区容忍性抽象为一类可收敛的Markov过程并获取系统的稳态概率；/nS3、估算故障信道数量一定时发生分区故障且不满足一致性或可用性的概率及最小修复时间，得到系统的分区容忍概率及平均最小修复时间；/nS4、根据得到的分区容忍概率及平均最小修复时间分析不同网络拓扑结构下的资源开销和分区容忍性，为不同需求的联盟链共识构造规模适合、分区容忍性高的网络拓扑结构。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种联盟链共识下满足分区容忍性的拓扑构造方法，其特征在于，所述拓扑构造方法包括以下步骤：
S1、将联盟链共识机制与网络拓扑结构相结合使联盟链共识在概率上满足分区容忍性；
S2、将系统的分区容忍性抽象为一类可收敛的Markov过程并获取系统的稳态概率；
S3、估算故障信道数量一定时发生分区故障且不满足一致性或可用性的概率及最小修复时间，得到系统的分区容忍概率及平均最小修复时间；
S4、根据得到的分区容忍概率及平均最小修复时间分析不同网络拓扑结构下的资源开销和分区容忍性，为不同需求的联盟链共识构造规模适合、分区容忍性高的网络拓扑结构。


2.根据权利要求1所述的联盟链共识下满足分区容忍性的拓扑构造方法，其特征在于，所述步骤S2中Markov过程收敛于一个独立初始分布的稳态分布，在单一网络拓扑结构下获取系统的稳态概率包括以下步骤：
S21、将状态转移矩阵P循环与自身相乘；
S22、判断连续两次乘积之差的矩阵2-范数是否小于设定的收敛精度，若小于，则认为此时的P的幂值为稳态概率矩阵P*，若不小于，则返回步骤S21。


3.根据权利要求2所述的联盟链共识下满足分区容忍性的拓扑构造方法，其特征在于，所述步骤S3中各个分析元素的MTBF和MTTR都是无记忆的独立过程且均值恒定；在单一网络拓扑结构下获取系统的分区容忍概率包括以下步骤：
S311、对于稳态系统的每个可能状态分别抽样N次；
S312、估计每个状态下发生分区故障且不满足一致性或可用性的概率；
S313、再根据全概率公式计算系统的分区容忍概率，全概率公式为：l表示信道总数，i表示稳态系统中有且仅有i条信道处于故障状态。


4.根据权利要求3所述的联盟链共识下满足分区容忍性的拓扑构造方法，其特征在于，在单一网络拓扑结构下获取系统的平均最小修复时间包括以下步骤：
S321、对每一个发生分区故障且不满足一致性或可用性的样本计算最小修复时间；
S322、乘以该样本在总系统分区容忍问题中所占的权重，得到系统的平均最小修复时间。


5.根据权利要求1-4任一项所述的联盟链共识下满足分区容忍性的拓扑构造方法，其特征在于，在层级化网络拓扑结构中，根据共识的过程，下级域的分区容忍不仅受自身的网络拓扑结构影响，还与高层级域的分区容忍性有关；系统的分区容忍概率为系统的平均最小修复时间为其中，表示各个域的分区容忍概率，表示各个域的平均最小修复时间。


6.一种联盟链共识下满足...

【专利技术属性】
技术研发人员：李挥，王菡，邬江兴，伊鹏，陆平，安辉耀，黄健森，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，佛山赛思禅科技有限公司，深圳赛思鹏科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44