基于分布式协调通信机制的区块链安全计算方法技术

本发明专利技术属于区块链通信技术领域，涉及一种基于分布式协调通信机制的区块链安全计算方法；所述方法包括构建出以Tangle为共识算法的区块链，根据载波侦听多路访问协议将节点接入到无线网络；节点采用分布式协调通信机制获得信道的使用权，将本地的新交易广播到无线信道中；按照马尔科夫模型计算交易请求发布、成功传输和失败传输的持续时间；根据随机理论计算出交易从到达节点到成功接入到区块链花费的时间；将广播成功的交易进入共识过程，按照无线区块链中的交易参与共识的过程，建立出恶意节点发动双花攻击的攻击时间模型；根据攻击时间模型，计算出恶意节点成功发动双花攻击的概率；本发明专利技术能够有效提升无线区块链的安全性能。

【技术实现步骤摘要】
基于分布式协调通信机制的区块链安全计算方法
本专利技术属于区块链通信
，涉及一种基于分布式协调通信机制的区块链安全计算方法。
技术介绍
媒体访问控制(MAC)层上的分布式协调功能(DCF)是被IEEE802.11无线局域网(WLAN)提出来，很早之前在学术界和工业界得到了极大的关注。DCF基于载波侦听多路访问(CSMA)协议，具有两种访问机制，包括基本访问机制和请求发送/清除发送(RTS/CTS)机制。作为一种随机访问协议，DCF继承了最小协调和分布式控制的优点，并且可以用二维马尔可夫链来表征每个单个节点的退避行为。在网络饱和流量时(即每个节点始终都有要发送的数据包)，广播通信中DCF方式极大了提升了网络的效率。在区块链中，篡改账本中的数据的唯一方法是重新建立分支以重做之前的账本。因此，为了解决安全性问题，基于单链结构的区块链使用最长的链作为工作量的标准，为了最大化其利润，自私的矿工在寻找新的分支时基于最长的链工作。然而Tangle共识算法的区块链系统中，尽管基于DAG的分支拓扑结构可以在共识过程中提高吞吐量，但也应将分支限制在合理的规模内以防止重复分支。为此，DAG网络中的节点使用MCMC尖端选择算法来扩展总权重最重的Tangle，总累计权重较小的子Tangle将不再逐步获得新交易的批准。在许多共识过程中，区块链账本信息会产生许多分支，这种现象将导致“双重支出”，也就是“双花攻击”。因此，为了提升区块链的安全性能，如何计算出双花攻击的发生概率就显得尤为重要，然而现有技术中的大多数都只是考虑了区块链层面双花攻击的可能性，并没有结合无线网络通信的广播传输模式来考虑，导致双花攻击的概率与实际的通信环境下相差甚远，不能准确刻画实际的无线区块链中的双花攻击概率，导致无法提升其安全性能。
技术实现思路
为了分析恶意节点发动双花攻击的行为，本专利技术的目在于提供一种基于时间函数来计算区块链中的双花攻击成功概率。该方法首先将DAG作为区块链的共识算法，共识节点基于CSMA协议接入网络，按照DCF的方式去竞争信道的使用权。然后，根据排队模型和攻击过程抽象出节点的攻击过程函数，最后推导出随时间变化的双花攻击成功表达式。为了达到上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种基于分布式协调通信机制的区块链安全计算方法，所述方法包括：构建出以Tangle为共识算法的区块链，将其中的节点根据载波侦听多路访问协议接入到无线网络中构成无线区块链；在所述无线区块链中，节点采用分布式协调通信机制获得信道的使用权，并将本地的新交易广播到无线信道中；将节点打包交易并在信道中传输的过程建模成马尔科夫模型，分别计算出交易请求发布、成功传输以及失败传输的持续时间；根据随机理论，基于交易请求发布、成功传输以及失败传输的持续时间计算出交易从到达节点到成功接入到区块链花费的时间；将广播成功的交易进入共识过程，按照无线区块链中的交易参与共识的过程，建立出恶意节点发动双花攻击的攻击时间模型；根据所述攻击时间模型，按照交易从到达节点到成功接入到区块链花费的时间计算出攻击节点控制恶意节点成功发动双花攻击的概率。本专利技术的有益效果：本专利技术是以共识算法Tangle为基础，搭建了依据CSMA接入协议的区块链网络。其中，本专利技术中每个节点都必须以DCF方式竞争信道，发布新交易并广播，并且节点们基于本地账本去验证区块链中的未被批准的交易。本专利技术在对无线区块链的安全计算主要从两个方面来处理，在第一个层面中，本专利技术按照DCF通信机制下节点发送交易的过程，根据马尔科夫链状态转移求出交易从到达节点被接入到区块链中花费的时间。在第二个层面中，分析攻击节点控制某些恶意节点发送双花攻击的过程，将实际问题抽象出模型建立以时间为自变量的攻击函数，从而计算出无线区块链的安全性，后续过程可以限制攻击节点算力或加强认证难度等方式提升区块链的安全性能。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：图1为本专利技术实施例的一种基于分布式协调通信机制的区块链安全计算方法的流程图；图2为本专利技术的以Tangle为共识算法的无线区块链双花攻击的模型图；图3为本专利技术中DCF通信机制下交易在不同的传输次数下的状态转移图；图4为本专利技术实施例的一种基于分布式协调通信机制的区块链安全计算方法的攻击概率仿真图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利技术的限制；为了更好地说明本专利技术的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。本专利技术实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本专利技术的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利技术的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。对于在饱和网络中，分布式协调机制无疑会规范区块链的共识节点的数据传输行为，因此本专利技术设计出一种基于CSMA方式接入网络和DCF机制传输数据的区块链架构，并分析恶意的共识节点行为，从而有助于提高未来区块链网络的安全性。本专利技术所提出的安全计算方法来解决区块链网络中安全性问题，并对其系统的双花攻击的成功概率进行计算；图1是本专利技术实施例的一种基于分布式协调通信机制的区块链安全计算方法的流程图，如图1所示，包括以下步骤：S1、构建出以Tangle为共识算法的区块链，将其中的节点根据载波侦听多路访问协议接入到无线网络中构成无线区块链；图2给出了本专利技术实施例的无线区块链架构模型图；在本专利技术中，以Tangle为共识算法的区块链中，其中的双花攻击模型如图2所示，任何节点必须通过分布式协调机制去竞争无线信道的使用权。节点A在拿到信道使用权后，节点将本地的新交易本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分布式协调通信机制的区块链安全计算方法，其特征在于，所述方法包括：/n构建出以Tangle为共识算法的区块链，将其中的节点根据载波侦听多路访问协议接入到无线网络中构成无线区块链；/n在所述无线区块链中，节点采用分布式协调通信机制获得信道的使用权，并将本地的新交易广播到无线信道中；/n将节点打包交易并在信道中传输的过程建模成马尔科夫模型，分别计算出交易请求发布、成功传输以及失败传输的持续时间；/n根据随机理论，基于交易请求发布、成功传输以及失败传输的持续时间计算出交易从到达节点到成功接入到区块链花费的时间；/n将广播成功的交易进入共识过程，按照无线区块链中的交易参与共识的过程，建立出恶意节点发动双花攻击的攻击时间模型；/n根据所述攻击时间模型，按照交易从到达节点到成功接入到区块链花费的时间计算出攻击节点控制恶意节点成功发动双花攻击的概率。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于分布式协调通信机制的区块链安全计算方法，其特征在于，所述方法包括：
构建出以Tangle为共识算法的区块链，将其中的节点根据载波侦听多路访问协议接入到无线网络中构成无线区块链；
在所述无线区块链中，节点采用分布式协调通信机制获得信道的使用权，并将本地的新交易广播到无线信道中；
将节点打包交易并在信道中传输的过程建模成马尔科夫模型，分别计算出交易请求发布、成功传输以及失败传输的持续时间；
根据随机理论，基于交易请求发布、成功传输以及失败传输的持续时间计算出交易从到达节点到成功接入到区块链花费的时间；
将广播成功的交易进入共识过程，按照无线区块链中的交易参与共识的过程，建立出恶意节点发动双花攻击的攻击时间模型；
根据所述攻击时间模型，按照交易从到达节点到成功接入到区块链花费的时间计算出攻击节点控制恶意节点成功发动双花攻击的概率。


2.根据权利要求1所述的一种基于分布式协调通信机制的区块链安全计算方法，其特征在于，所述计算出交易请求发布、成功传输以及失败传输的持续时间包括将交易可能处在的状态划分为请求发布状态、成功传输状态以及失败传输三种状态，按照马尔科夫模型中状态转移图计算出状态间的一步转移概率；求解出交易在某一次请求发布和成功传输的稳态分布以及请求发布和失败传输的稳态分布；按照状态之间的切换时间间隔求解出交易成功传输以及失败传输的持续时间；按照随机退避窗口范围内的退避值计算出交易请求发布的持续时间。


3.根据权利要求1或2所述的一种基于分布式协调通信机制的区块链安全计算方法，其特征在于，交易请求发布、成功传输以及失败传输的持续时间的计算公式包括：



其中，表示交易在状态为请求发布Ai的持续时间；τB表示交易在状态为成功传输B的持续时间；表示交易在状态为失败传输Ci的持续时间；η表示一个时隙内信道检测为空间的概率；Wi表示第i次传输对应的随机退避窗口；DIFS表示交易传输时的长帧间间隔，SIFS交易传输时的短帧间间隔，L表示交易打包传输后的包头和数据部分总传输时间，ACK为确认包的传输时间；σ表示一个时隙的时间；K表示交易的最大退避次数；πB表示传输成功的稳态分布；表示第i次传输失败的稳态分布。


4.根据权利要求1所述的一种基于分布式协调通信机制的区块链安全计算方法，其特征在于，所述计算出交易从到达节点到成功接入到区块链花费的时间包括将交易请求发布的持续时间与发布后成功接入到区块链的传输时间之和作为总的花费时间，通过概率母函数求解所述总的花费时间，按照所述迭代递归的方式求得所述概率母函数的一次导数即为交易成功接入到区块链花费的时间。


5.根据权利要求4所述的一种基于分布式协调通信...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘期烈，李孟阳，曹傧，许从方，李云，屈喜龙，成奎，邓月华，胡壹，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50