一种基于Raft-PBFT的区块链共识方法技术

本发明专利技术涉及一种基于Raft

【技术实现步骤摘要】
一种基于Raft
‑
PBFT的区块链共识方法


[0001]本专利技术属于区块链
，涉及一种基于Raft
‑
PBFT的区块链共识方法。

技术介绍

[0002]区块链是一种分布式数据库技术，该技术在金融服务、能源贸易、供应链管理、物联网等各个领域都显示出巨大的应用潜力。区块链的核心技术包括共识机制、分布式存储技术、密码学和智能合约，其中，共识机制着重解决分布式系统的一致性问题，旨在保证所有节点维护的数据副本的一致性，避免数据不统一和信息不对称问题的发生。
[0003]为提高共识效率，区块链中常使用轻量的共识算法，如实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)和Raft等一致性共识算法。PBFT算法可在一定程度上实现区块链系统的拜占庭容错，该算法流程包括主节点广播预准备消息给副本节点，副本节点收到预准备消息后，广播准备消息，若副本节点收到不少于2f条来自不同节点的准备消息，则该节点广播提交消息。根据PBFT算法流程，若存在不超过1/3的恶意节点数目，该算法仍可实现节点共识。尽管PBFT算法在延迟、资源需求和节点复杂性方面表现出良好的性能，但其流程较为复杂，可扩展性差，难以适用于大规模网络场景。Raft是一种强领导者算法，其可分解为两个模块：领导者选举和日志复制。在基于Raft的区块链系统中，数据仅能从领导者到其他服务器单向流动，具有线性复杂度，共识效率高，Raft可以容忍不超过50％的停机故障，但其不具备拜占庭容错能力。针对PBFT及Raft算法的缺陷，亟需设计高效、复杂度较低且支持拜占庭容错的区块链共识机制。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于Raft
‑
PBFT的区块链共识方法。通过实现Raft与PBFT机制的高效融合，降低节点通信开销，支持拜占庭容错，提高共识效率和可扩展性。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种基于Raft
‑
PBFT的区块链共识方法，该方法包括以下步骤：
[0007]S1：基于K均值算法将区块链网络节点划分为多个子集群；
[0008]S2：所有子集群主节点与监督节点构成主集群；
[0009]S3：客户端发送请求消息至主集群节点，重定向至监督节点；
[0010]S4：监督节点接收客户端请求消息，验证客户端请求消息签名及客户端身份是否合法；若消息签名或客户端身份验证未通过，则丢弃该请求消息；若验证通过，转至S5；
[0011]S5：主集群内基于改进的Raft协议执行第一轮共识协议；
[0012]S6：若主集群节点未达成共识，请求消息验证失败；
[0013]S7：若主集群节点达成共识，监督节点发送确认回复消息至客户端，并将回复证书发送至主集群节点；
[0014]S8：若主集群节点收到回复证书，转至S10；
[0015]S9：若主集群节点未收到回复证书，则在其子集群内触发视图切换，转至S10；
[0016]S10：各子集群内基于实用拜占庭容错PBFT算法执行第二轮共识；
[0017]S11：子集群判断是否达成共识，若是，对应子集群主节点发送确认回复消息至客户端，转至S14；
[0018]S12：若子集群未达成共识，判断视图切换次数是否大于门限值，若是，该子集群终止共识过程；否则，子集群触发视图切换，更新视图切换次数并执行第二轮共识，转至S11；
[0019]S13：若子集群达成共识，子集群主节点发送确认回复消息至客户端；
[0020]S14：若客户端收到不少于主集群半数的确认回复消息，客户端请求消息在集群内达成共识，区块链共识流程结束。
[0021]可选的，所述S1中，令Φ表示区块链网络节点集合，Φ＝{I1，I2，
…
，I
n
}，其中，I
n
标识第n个区块链网络节点，1≤n≤N，N为区块链网络节点数，基于K均值算法构建区块链子集群过程如下：
[0022]S11：初始主节点选择：随机选择K个区块链节点作为初始主节点，得到初始主节点集合子集群成员集合
[0023]S12：主节点与子集群节点关联：定义网络性能为节点能耗与误码率的加权和，令Ψ
i，k
表示子集群节点I
i
∈Φ
cm
与主节点关联对应的成本，建模Ψ
i，k
为Ψ
i，k
＝E
i，k
+ωδ
i，k
，其中，E
i，k
与δ
i，k
分别表示子集群节点I
i
发送消息至主节点I
k
对应的能耗及误码率，ω表示误码率对应的权重；根据公式E
i，k
＝P
i，k
t
i，k
建模E
i，k
，其中，P
i，k
表示子集群节点I
i
向主节点I
k
传输数据的发射功率，t
i，k
表示子集群节点I
i
向主节点I
k
传输数据的时长，根据公式建模t
i，k
，其中，S
i，k
表示子集群节点I
i
向主节点I
k
传输的数据量，R
i，k
表示子集群节点I
i
向主节点I
k
传输数据时对应的传输数据速率，根据公式R
i，k
＝B
k
log2(1+γ
i，k
)建模R
i，k
，其中，B
k
表示主节点I
k
进行子集群内通信的可用带宽，γ
i，k
表示子集群节点I
i
向主节点I
k
之间的信噪比，根据公式建模γ
i，k
，其中，h
i，k
表示子集群节点I
i
与主节点I
k
之间链路的信道增益，N0表示噪声功率；建模子集群节点I
i
与主节点I
k
之间链路的误码率为其中，α表示调制阶数；子集群节点I
i
基于成本函数优化选择主节点，即若有k
*
＝argminΨ
ik
，则子集群节点I
i
与主节点关联进行信息传输，令Φ
k
表示第k个子集群的主节点及子集群节点集合；
[0024]S13：主节点更新：令表示第k个子集群的节点I
i
与子集群内其他节点之间进行信息传输的总成本，建模为若则k
′
为第k个子集群的主节点；
[0025]S14：重复S12～S13，直本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Raft
‑
PBFT的区块链共识方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：基于K均值算法将区块链网络节点划分为多个子集群；S2：所有子集群主节点与监督节点构成主集群；S3：客户端发送请求消息至主集群节点，重定向至监督节点；S4：监督节点接收客户端请求消息，验证客户端请求消息签名及客户端身份是否合法；若消息签名或客户端身份验证未通过，则丢弃该请求消息；若验证通过，转至S5；S5：主集群内基于改进的Raft协议执行第一轮共识协议；S6：若主集群节点未达成共识，请求消息验证失败；S7：若主集群节点达成共识，监督节点发送确认回复消息至客户端，并将回复证书发送至主集群节点；S8：若主集群节点收到回复证书，转至S10；S9：若主集群节点未收到回复证书，则在其子集群内触发视图切换，转至S10；S10：各子集群内基于实用拜占庭容错PBFT算法执行第二轮共识；S11：子集群判断是否达成共识，若是，对应子集群主节点发送确认回复消息至客户端，转至S14；S12：若子集群未达成共识，判断视图切换次数是否大于门限值，若是，该子集群终止共识过程；否则，子集群触发视图切换，更新视图切换次数并执行第二轮共识，转至S11；S13：若子集群达成共识，子集群主节点发送确认回复消息至客户端；S14：若客户端收到不少于主集群半数的确认回复消息，客户端请求消息在集群内达成共识，区块链共识流程结束。2.根据权利要求1所述的一种基于Raft
‑
PBFT的区块链共识方法，其特征在于：所述S1中，令Φ表示区块链网络节点集合，Φ＝{I1，I2，
…
，I
n
}，其中，I
n
标识第n个区块链网络节点，1≤n≤N，N为区块链网络节点数，基于K均值算法构建区块链子集群过程如下：S11：初始主节点选择：随机选择K个区块链节点作为初始主节点，得到初始主节点集合子集群成员集合S12：主节点与子集群节点关联：定义网络性能为节点能耗与误码率的加权和，令Ψ
i，k
表示子集群节点I
i
∈Φ
cm
与主节点关联对应的成本，建模Ψ
i，k
为Ψ
i，k
＝E
i，k
+ωδ
i，k
，其中，E
i，k
与δ
i，k
分别表示子集群节点I
i
发送消息至主节点I
k
对应的能耗及误码率，ω表示误码率对应的权重；根据公式E
i，k
＝P
i，k
t
i，k
建模E
i，k
，其中，P
i，k
表示子集群节点I
i
向主节点I
k
传输数据的发射功率，t
i，k
表示子集群节点I
i
向主节点I
k
传输数据的时长，根据公式建模t
i，k
，其中，S
i，k
表示子集群节点I
i
向主节点I
k
传输的数据量，R
i，k
表示子集群节点I
i
向主节点I
k
传输数据时对应的传输数据速率，根据公式R
i，k
＝B
k
log2(1+γ
i，k
)建模R
i，k
，其中，B
k
表示主节点I
k
进行子集群内通信的可用带宽，γ
i，k
表示子集群节点I
i
向主节点I
k
之间的信噪比，根据公式建模γ
i，k
，其中，h
i，k
表示子集群节点I
i
与主节点I
k
之间链路的信道增益，N0表示噪声功率；建模子集群节点I
i
与主节点I
k
之间链路的误码率
为其中，α表示调制阶数；子集群节点I
i
基于成本函数优化选择主节点，即若有k
*
＝argminΨ
ik
，则子集群节点I
i
与主节点关联进行信息传输，令Φ
k
表示第k个子集群的主节点及子集群节点集合；S13：主节点更新：令表示第k个子集群的节点I
i
与子集群内其他节点之间进行信息传输的总成本，建模为若则k
′
为第k个子集群的主节点；S14：重复S12～S13，直至主节点集合以及主节点与子集群节点之间关联关系不再更新。3.根据权利要求2所述的一种基于Raft
‑
PBFT的区块链共识方法，其特征在于：所述S3中，客户端发送请求消息至网络节点，若接收客户端请求的节点不为监督节点，则该节点发送监督节点标识至客户端，客户端接收消息后发送请求消息至监督节点；其中，请求消息包括消息类型、客户端标识、客户端执行操作类型、客户端发送请求消息的当前时间戳及客户端对请求消息的签名，令M表示客户端请求消息。4.根据权利要求3所述的一种基于Raft
‑
PBFT的区块链共识方法，其特征在于：所述S4中，所主节点接收客户端发送的请求消息M，验证请求消息签名及客户端身份是否合法...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴蓉，杨锡政，蒋汶航，陈前斌，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：