基于分片的无授权区块链架构下的节点激励方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于分片的无授权区块链架构下的节点激励方法及系统，所述方法包括：分片形成步骤、交易分配步骤、验证和共识步骤和出块步骤，在交易分配步骤中服务分片接收用户的交易，以基于VRF算法生成的随机数作为种子，以各个分片的交易量占比作为染色体，基于遗传算法获得最优交易分配方案；验证和共识步骤中，服务分片基于静态博弈模型利用普通分片内普通节点采取不同共识策略对应的效用值函数预测各普通节点的共识策略，并基于在前一轮出块后普通分片内普通节点的信誉值计算各普通节点的信誉值占比，以进行与交易费对应的奖励分配；出块步骤中服务分片获得各个普通节点的交易验证时长，计算本轮出块过程中每个节点对应的信誉值。点对应的信誉值。点对应的信誉值。

【技术实现步骤摘要】
基于分片的无授权区块链架构下的节点激励方法及系统


[0001]本专利技术涉及区块链
，尤其涉及一种基于分片的无授权区块链架构下的节点激励方法及系统，特别的涉及一种基于分片的无授权区块链架构下片内片间协同激励方法及系统。

技术介绍

[0002]分片技术作为区块链链上扩容技术之一，通过将网络中所有节点划分到若干个集合，在各个集合中独立验证交易、共识区块，可提高系统可扩展性。因此，分片技术被视为提高区块链可扩展性和突破区块链“不可能三角”性能瓶颈的有效方式之一。然而，虽然现阶段共识层安全性和效率问题在区块链分片系统中研究较为充分，但激励层相关分析与研究较少。在区块链分片系统中，验证节点均匀分布到各个分片内，大部分主流分片方案包括Elastico，Omniledger，RapidChain等都采取实用拜占庭容错算法（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）等拜占庭容错算法（BFT）类投票类共识协议作为片内共识以提高共识可扩展性和一致性。但由于缺少对BFT类共识激励机制的研究，因此当BFT类共识在应用到无授权区块链系统中时，会面临经济激励的问题，无法保证自私节点正确参与共识协议。也即，现有的分片方案大部分都缺少能够促进分片内节点相互合作并尽最大能力参与共识的激励机制，导致一些自私节点为获得更高奖励采取一些不利于区块链系统维护的策略，提高自己的收益，从而危害到整个区块链系统的稳定性和安全性。这种问题在无授权区块链分片系统下更为突出，由于分片内验证节点数量较少，若大部分自私节点选择投入很少的计算资源参与共识或者不参与共识，则分片内无法及时出块，整个分片系统的效率、可用性以及安全性都会受到影响。
[0003]在基于分片的无授权区块链中，一直缺少对自私节点的博弈分析和交易分配策略的分析，而这对于设计激励机制是非常重要的。进一步说，假设分片内每一个节点都是理性且自私的，那么当节点的预期收益小于节点投入成本时，节点可能会选择消极怠工，从而不参加分片内交易的验证或者区块的共识，如果这种情况增多，则将严重影响分片系统的共识效率和出块速度。为解决这一问题，GTSB（the Game Theoretic Shard
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based Blockchain，基于分片的博弈论区块链）机制使用非合作静态博弈模型去分析节点的行为策略，证明当奖励在所有节点均分的情况下，节点选择失效是一个纳什均衡。若考虑公平的奖励分配原则，奖励只在所有参与者之间平分，则在相关参数满足一定关系后，参与是纳什均衡，因此相比均分更能激励节点相互合作，提升公平性。
[0004]在GTSB机制中，由于假设节点是拥有相同计算能力和计算容量的，因此并没有考虑所有参与合作节点投入的异质性。但在实际的区块链系统中，各个节点投入的硬件成本不一样，从而导致节点计算能力不同，验证交易的速度不同。除此之外，节点对网络维护成本投入的多少也会影响网络的稳定性，如果发生网络延迟的情况则直接影响共识的速度，因此奖励若在参与者之间均分不能激励节点投入更多计算资源，同时也影响激励的公平性。
[0005]无授权区块链分片系统中无法有效激励节点更多更好的参与片内共识的问题，是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]为解决现有的无授权区块链分片系统中无法有效激励节点更多更好的参与片内共识的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于分片的无授权区块链架构下片内片间协同激励方法及系统，以最大程度激励自私节点参与并投入更多的计算资源到共识过程中，提升整个分片系统的效率、可用性及安全性。
[0007]本专利技术的一方面，提供一种基于分片的无授权区块链架构下片内片间协同激励方法，该方法包括以下步骤：分片形成步骤，由已确定的服务分片的节点基于可验证随机数VRF算法生成公共无偏可验证的随机数，并将已注册节点分配到普通分片，形成包括一个服务分片和多个普通分片的分片结构，所述服务分片和普通分片中包括未授权主节点和未授权普通节点；交易分配步骤，所述服务分片接收用户的交易，以在所述分片形成步骤中基于VRF算法生成的随机数作为种子，以各个分片被分得的交易量占比作为染色体，基于上一轮共识过程分片间参与共识的节点总数与未参与共识的节点总数各自对应的目标函数获得遗传算法的适应度函数，利用遗传算法获得最优的交易分配方案，以基于所述交易分配方案通过服务分片的主节点进行交易在普通分片间的分配；验证和共识步骤，该步骤包括：接收到交易的普通分片基于拜占庭容错算法BFT的共识协议对交易进行验证，做出参与共识决策的普通节点向其分片中的主节点返回签名，以由该分片中的主节点在收到签名后生成子区块并向服务分片发送形成的子区块，该子区块中的子区块头包括当前普通分片的普通节点返回的签名数量以及各普通节点的交易验证时长；服务分片基于静态博弈模型利用普通分片内普通节点采取不同共识策略对应的效用值函数来预测各普通节点所采取的共识策略，并基于在前一轮出块后普通分片内普通节点的信誉值计算各普通节点的信誉值占比，以基于计信誉值占比进行普通分片内普通节点的与交易费对应的奖励分配；出块步骤，服务分片接收来自各个普通分片的子区块并获得各个普通节点的交易验证时长，基于各个普通节点的交易验证时长计算本轮出块过程中每个节点对应的信誉值，整合来自各个普通分片的子区块并对信誉值打包，生成最终区块并进行全网广播。
[0008]在本专利技术一些实施例中，所述方法还包括以下步骤：普通分片内的各节点基于服务分片的广播同步该普通分片内其他节点的信誉值。
[0009]在本专利技术一些实施例中，所述方法还包括：所述服务分片基于打包进子区块的签名数量确定普通分片内主节点的区块奖励并进行奖励分配。
[0010]在本专利技术一些实施例中，所述分片形成步骤包括：服务分片的节点基于公共信息运行VRF算法为本轮操作生成一个公共无偏可验证的随机数，上一轮操作中已注册的节点通过解决由当前随机数生成的工作量证明PoW难题生成公共可验证的身份，基于PoW结果的最后特定位数的比特信息将已注册节点分配到各个普通分片内，以形成所述分片结构；所述利用基于遗传算法的可验证交易分配机制获得最优的交易分配方案包括：以分片间选择
参与共识的节点总数与选择失效的节点总数作为目标，将不同目标函数分配权重并整合成一个目标函数，基于所述随机种子和适应度函数进行染色体的交叉、变异和选择；当最优染色体的适应度不再上升时，将输出最后交易分配方案结果。
[0011]在本专利技术一些实施例中，所述将不同目标函数分配权重并整合成一个目标函数，包括基于如下公式将不同目标函数分配权重并整合成一个目标函数：；其中，F为遗传算法的适应度函数，表示取F的最小值，分片间选择参与共识节点数量的均方根误差，代表整个分片系统选择失效的节点总数，和分别为和对应的权重系数。
[0012]在本专利技术一些实施例中，所述不同共识策略对应的效用值函数包括：；；其中，为节点选择参与共识策略时的效用值函数，为节点不选择参与共识策略时的效用值函数；和分别为签名被主节点选中的概率和第个分片中被主节点打包的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分片的无授权区块链架构下的节点激励方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：分片形成步骤，由已确定的服务分片的节点基于可验证随机数VRF算法生成公共无偏可验证的随机数，并将已注册节点分配到普通分片，形成包括一个服务分片和多个普通分片的分片结构，所述服务分片和普通分片中包括未授权主节点和未授权普通节点；交易分配步骤，所述服务分片接收用户的交易，以在所述分片形成步骤中基于VRF算法生成的随机数作为随机种子，以各个分片被分得的交易量占比作为染色体，基于上一轮共识过程分片间参与共识的节点总数与未参与共识的节点总数各自对应的目标函数获得遗传算法的适应度函数，利用遗传算法获得最优的交易分配方案，以基于所述交易分配方案通过服务分片的主节点进行交易在普通分片间的分配；验证和共识步骤，该步骤包括：接收到交易的普通分片基于拜占庭容错算法BFT的共识协议对交易进行验证，做出参与共识决策的普通节点向其分片中的主节点返回签名，以由该分片中的主节点在收到签名后生成子区块并向服务分片发送形成的子区块，该子区块中的子区块头包括当前普通分片的普通节点返回的签名数量以及各普通节点的交易验证时长；服务分片基于静态博弈模型利用普通分片内普通节点采取不同共识策略对应的效用值函数来预测各普通节点所采取的共识策略，并基于在前一轮出块后普通分片内普通节点的信誉值计算各普通节点的信誉值占比，以基于计信誉值占比进行普通分片内普通节点的与交易费对应的奖励分配；出块步骤，服务分片接收来自各个普通分片的子区块并获得各个普通节点的交易验证时长，基于各个普通节点的交易验证时长计算本轮出块过程中每个节点对应的信誉值，整合来自各个普通分片的子区块并对信誉值打包，生成最终区块并进行全网广播。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：普通分片内的各节点基于服务分片的广播同步该普通分片内其他节点的信誉值。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述服务分片基于打包进子区块的签名数量确定普通分片内主节点的区块奖励并进行奖励分配。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分片形成步骤包括：服务分片的节点基于公共信息运行VRF算法为本轮操作生成一个公共无偏可验证的随机数，上一轮操作中已注册的节点通过解决由当前随机数生成的工作量证明PoW难题生成公共可验证的身份，基于PoW结果的最后特定位数的比特信息将已注册节点分配到各个普通分片内，以形成所述分片结构；所述利用基于遗传算法的可验证交易分配机制获得最优的交易分配方案包括：以分片间选择参与共识的节点总数与选择失效的节点总数作为目标，将不同目标函数分配权重并整合成一个目标函数，基于所述随机种子和适应度函数进行染色体的交叉、变异和选择；当最优染色体的适应度不再上升时，将输出最后交易分配方案结果。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将不同目标函数分配权重并整合成一个目标函数，包括基于如下公式将不同目标函数分配权重并整合成一个目标函数：
；其中，表示取F的最小值，F为遗传算法的适应度函数，代表分片间选择参与共识节点数量的均方根误差，代表整个分片系统选择失效的节点总数，和分别为和对应的权重系数。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不同共识策略对应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭莉，康天宇，权恒，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：