CN110570202A - 一种基于分片技术的混合共识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于分片技术的混合共识方法，该方法设计了应用于区块链系统的分片技术，将所有节点、交易地址分到了若干个分片中，每个分片中的普通节点记录从链，代表节点记录主链，并将共识过程分为两层，第一层是分片内进行的共识，共识的结果记录到从链，并通过分片的代表节点向主链提交共识结果，第二层是跨分片进行的3％)7共识，主要处理跨分片的交易并进行验证和记录。该共识方法基于分片技术，可以在保证区块链去中心化和安全性的同时，提高区块链系统的可扩展性。

Description

一种基于分片技术的混合共识方法

技术领域

本发明主要涉及区块链技术，尤其涉及一种基于分片的混合共识方法。

背景技术

区块链技术是一种分布式数据库技术，它将加密算法、分布式数据存储、点对点网络传输、共识机制等技术相结合，创造了一个去中心化、透明自治、信任公开且不可篡改的价值交互平台。

区块链的共识机制是为了确保所有节点能够遵守一定的规则，从而使区块链系统能正确处理合理的交易。区块链中常用的共识机制主要是PoW、PoS、DPoS和PBET，这些共识机制各有优缺点，无法在去中心化、安全性和可扩展性上都达到令人满意的效果。混合共识机制将多种共识机制应用在同一区块链中，能够弥补单一共识机制的不足。

在区块链中，分片技术按照一定的规则对区块链系统中的节点或数据进行分片，从而优化系统的整体性能。目前分片技术主要分为网络分片技术、交易分片技术和状态分片技术。网络分片技术将所有节点依据相应的规则划分到不同的分片中；交易分片技术将系统中的所有交易数据依据相应的规则划分给不同的分片进行处理；状态分片技术把所有的区块链状态信息分别存储在各个分片中。

分片技术和混合共识机制都对区块链的性能提升有很大的帮助，但目前并没有一个好应用将分片技术和混合共识机制的优势结合在一起。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于分片技术的混合共识方法，在保证系统去中心化和安全性的情况下，尽可能提高系统吞吐量。具体技术方案如下：

一种基于分片技术的混合共识方法，其特征在于，区块链系统有N个分片，每个分片包含一个代表节点和至少一个普通节点；代表节点负责与其他分片进行通信，并参与跨片交易共识；普通节点负责对片内交易进行共识，并负责收集与本分片地址有关的交易；在代表节点中，一个代表节点作为主节点，其余代表节点作为从节点；所述的跨片交易会由代表节点进行片间共识，所述的片内交易会由本分片内的普通节点进行片内共识；片内的所有普通节点存储从链，从链是一条记录了该分片内所有交易的区块链；所有代表节点存储主链，主链是一条记录了该系统内所有交易的区块链；每个交易地址只存在于某一个分片中。

所述的混合共识方法具体包括如下步骤：

S1：每个分片的普通节点接收本分片所包含的地址上传的交易信息，并进行分类处理，将跨片交易提交给代表节点进行片间共识，将片内交易广播给分片内的普通节点进行片内共识。

S2：同时进行片内共识和片间共识；

对于片内共识，每个分片内的普通节点会选择本分片中的一个普通节点作为本分片的记账节点，由该记账节点将验证通过的交易上传给本分片的代表节点，代表节点再将这些交易广播给其余代表节点；

对于片间共识，各从节点向主节点发送本轮共识要处理的跨片交易，主节点会对这些交易进行整合，主节点和所有从节点会一起对整合后的数据进行共识验证；主节点将验证通过的交易广播给所有从节点，从节点再把与该从节点所在分片有关的交易全部下发给该分片的普通节点。

S3：各分片内的记账节点会将验证通过的片内交易和与本分片有关的跨片交易打包成区块，并将该区块添加到该分片的从链上；主节点会将所有分片通过的片内交易和跨片交易打包成区块，并将该区块添加到主链上，本轮共识结束，开始下一轮共识。

进一步地，所有代表节点会记录一个版本号，根据该版本号和分片数量N可以确定主节点。

进一步地，代表节点进行片间共识采用的是PBFT共识机制。

进一步地，所述的每个分片的代表节点通过选举产生，在选举过程中，该分片所有节点不会进行共识，也不会产生新的区块，与此同时，主节点和从节点也不会处理与该分片相关的交易内容，直到选举结束产生新的代表节点，该分片的各节点才会重新开始进行共识。

进一步地，选举代表节点会在原代表节点发生作恶行为时自动进行。

进一步地，片内的普通节点采用PoS共识机制选择记账节点。

进一步地，所述的记账节点将上一轮共识收到的所有交易再次进行验证后再上传给代表节点；代表节点再对这些交易内容再进行一次验证，从而保证数据内容的准确性。

本发明的有益效果：

本发明实现了一种基于分片技术的共识机制，可用于区块链系统，在保证区块链去中心化和安全性的同时，提高区块链的吞吐量。

附图说明

图1是本发明的区块链系统的结构框图。

图2是本发明的共识方法的流程图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了根据本发明一个实施例的系统结构框图。如图1所示，区块链系统被划分为多个相对独立的分片，每个分片内含有一个参与分片间共识的代表节点和若干个参与片内共识的普通节点。每个分片都管理着一组具有特定关系的交易地址。

代表节点存储主链，主链是一条记录了区块链所有交易信息的区块链；普通节点存储从链，从链是一条记录了该分片内所有地址交易信息的区块链。普通节点存储从链用户余额表，从链用户余额表记录了当前该分片内所有地址的余额。

每个地址仅在一个分片内。片内交易是指两个同一分片内的地址进行的交易，片外交易是指两个不同分片间的地址进行的交易。代表节点只对片外交易进行共识，普通节点只对该分片的片内交易进行共识。

本发明的基于分片技术的混合共识方法具体包括如下步骤：

S1：交易收集和分类

所有地址都会向自己所在分片的普通节点上传自己的交易信息，每个分片的普通节点接收本分片所包含的地址上传的交易信息，并进行分类处理，将跨片交易提交给代表节点进行片间共识，将片内交易广播给分片内的普通节点进行片内共识。

S1中，所有节点都可以进行多线程操作，在进行共识的时候，也会一直收集交易。

所述的S1中，一个地址只会向一个节点上传交易内容，如果该节点宕机，则会自动选择另一个节点。普通节点收到跨分片交易就立刻将其上传给代表节点，而片内交易则会在共识开始后再广播给其余节点。普通节点会在共识开始后将之前收到的片内交易整合在一起再广播，这可以减少片内通信量。整个共识过程的时间大于片内节点通信的时间，可以保证所有交易都能及时处理。

S2：同时进行片内共识和片间共识；

对于片内共识，每个分片内的普通节点会选择本分片中的一个普通节点作为本分片的记账节点，由该记账节点将验证通过的交易上传给本分片的代表节点，代表节点再将这些交易广播给其余代表节点；

对于片间共识，各从节点向主节点发送本轮共识要处理的跨片交易，主节点会对这些交易进行整合，主节点和所有从节点会一起对整合后的数据进行共识验证；主节点将验证通过的交易广播给所有从节点，从节点再把与该从节点所在分片有关的交易全部下发给该分片的普通节点。

S3：各分片内的记账节点会将验证通过的片内交易和与本分片有关的跨片交易打包成区块，并将该区块添加到该分片的从链上；主节点会将所有分片通过的片内交易和跨片交易打包成区块，并将该区块添加到主链上，本轮共识结束，开始下一轮共识。

图2示出了根据本发明一个实施例的混合共识流程图。如图2所示，一共有N个分片，分片内PoS共识结束，各分片代表节点会将验证通过的交易广播给其余代表节点；代表节点间的PBFT共识结束，各代表节点会将验证通过且与本分片有关的交易向本分片内的普通节点广播。所有共识结束，主链和各分片内的从链更新，并开始下一轮共识。

所述的S2中，所有代表节点会记录一个版本号，根据该版本号和分片数量N可以确定主节点。

所述的S2中，代表节点的选举分为预报名阶段和投票选举阶段这两个步骤。在预报名阶段中，希望成为代表节点的节点先提出申请并提供一定的押金，进行报名成为候选节点。在投票选举阶段中，分片内的节点通过投票对候选节点进行选举。得票数最多的那个节点将作为本分片的代表节点，负责与其他分片进行通信以及参与跨片交易的PBFT共识。

所述的S2中，分片内的共识协议采用PoS共识机制，只对该分片的片内交易进行共识。分片内的共识协议仅由各分片的普通节点参与。普通节点根据目标值Target和自身的币龄CoinAge，处理SHA256数学难题找到一个Nonce值，使得Nonce值满足F(Nonce)＜Target*Coinage；找到Nonce值的普通节点向片内的其他普通节点广播该Nonce值；最先找到该Nonce值的普通节点作为记账节点。

所述的S2中，从节点向主节点发送本轮共识要处理的跨片交易，主节点将所有交易信息整合，并广播给所有从节点；各从节点向主节点和其余从节点广播自己收到的交易内容，并附上自己的签名；当主节点或从节点收到超过个相同的交易内容时，则开始对交易进行验证；验证完成之后，将验证结果广播给主节点和其余从节点，并附上自己的签名；当一个节点收到超过个相同的验证结果时，将该验证结果发送给主节点，该验证结果即为最终验证通过的交易集合。

所述的S2中，节点作恶行为包括伪造信息和恶意响应。节点发生宕机行为不算作恶。

所述的S2中，从链从存储量上来看可视为轻量级的主链，从存储内容上来看可视为主链的部分副本。

所述的S2中，各分片代表节点共同维护主链，保证了数据的一致性。

所述的S2中，代表节点通过片内选举产生。代表节点竞选成功后，会向其余分片的代表节点广播更换代表节点的消息。其余代表节点收到该消息后，会将主链最后一个区块的地址发送给该代表节点。只要知道一条区块链上最后一个区块的数据内容，就可以根据区块头中的上一个区块地址，获得上一个区块的数据内容，并依次获取所有区块的数据内容。可能会有部分节点作恶，该代表节点需要选择超过个签名的区块。

所述的S2中，代表节点的选举会增加整个区块链系统的通信量，不能过于频繁地选举新的代表节点。代表节点一旦作恶，就要将它的押金全部收走，这样可以避免节点作恶的行为。

所述的S2中，选举新的代表节点会在任何时间段发生。在选举过程中，该分片所有节点不会进行共识，也不会产生新的区块。与此同时，主节点和从节点也不会处理与该分片相关的交易内容。直到选举结束产生新的代表节点，该分片的各节点才会重新开始进行共识。

所述的S2中，找到的每个Nonce值都会有一个时间戳记录表示找到该值的时间，时间戳精确到微秒(10^-6s)，确保不会出现时间戳重复的情况发生。

所述的S2中，记账节点会把自己上一轮收到的所有交易进行验证，验证好后将交易上传给代表节点。代表节点会对这些交易内容再进行一遍验证，保证数据内容的准确性。如果发现数据有问题，会广播该错误的数据给本分片的其余普通节点，并要求所有普通节点再次寻找Nonce值。寻找Nonce值需要计算机运算，很消耗资源，只有成为记账节点并获得奖励才能保证有收益，故不存在有节点在成为记账节点后还作恶的情况发生。

所述的S2中，各分片的记账节点会在成功打包区块并上链后获得该轮共识的奖励。

所述的S2中，若主节点发生作恶行为或宕机行为，会进行一次视图更换的操作，将版本view自增1，自动会有一个新的主节点产生。主节点本身也是某个分片的代表节点，它作恶就将其押金全部收走。

所述的S2中，主节点和参与共识的从节点会获得奖励，奖励的币数量相等。主节点在收到最后验证成功的交易内容时，需要超过个签名，不在这些签名中的从节点即视为没有参与共识，不能获得奖励。奖励会在主节点生成区块并上链后由系统自动发给主节点和参与共识的从节点。

所述的S2中，每个记账节点生成区块并上链后，该分片的代表节点会将该信息通知给主节点。主节点等待所有分片的代表节点的通知，收到所有从节点的响应后，则向所有从节点广播开始下一轮共识的消息。各分片代表节点收到开始共识的消息后，向该分片内所有普通节点广播开始下一轮共识的消息。至此，新一轮共识正式开始。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于分片技术的混合共识方法，其特征在于，区块链系统有1个分片，每个分片包含一个代表节点和至少一个普通节点；代表节点负责与其他分片进行通信，并参与跨片交易共识；普通节点负责对片内交易进行共识，并负责收集与本分片地址有关的交易；在代表节点中，一个代表节点作为主节点，其余代表节点作为从节点；所述的跨片交易会由代表节点进行片间共识，所述的片内交易会由本分片内的普通节点进行片内共识；片内的所有普通节点存储从链，从链是一条记录了该分片内所有交易的区块链；所有代表节点存储主链，主链是一条记录了该系统内所有交易的区块链；每个交易地址只存在于某一个分片中。

所述的混合共识方法具体包括如下步骤：

S1：每个分片的普通节点接收本分片所包含的地址上传的交易信息，并进行分类处理，将跨片交易提交给代表节点进行片间共识，将片内交易广播给分片内的普通节点进行片内共识。

S2：同时进行片内共识和片间共识；

对于片内共识，每个分片内的普通节点会选择本分片中的一个普通节点作为本分片的记账节点，由该记账节点将验证通过的交易上传给本分片的代表节点，代表节点再将这些交易广播给其余代表节点；

对于片间共识，各从节点向主节点发送本轮共识要处理的跨片交易，主节点会对这些交易进行整合，主节点和所有从节点会一起对整合后的数据进行共识验证；主节点将验证通过的交易广播给所有从节点，从节点再把与该从节点所在分片有关的交易全部下发给该分片的普通节点。

S3：各分片内的记账节点会将验证通过的片内交易和与本分片有关的跨片交易打包成区块，并将该区块添加到该分片的从链上；主节点会将所有分片通过的片内交易和跨片交易打包成区块，并将该区块添加到主链上，本轮共识结束，开始下一轮共识。

2.根据权利要求1所述的基于分片技术的混合共识方法，其特征在于，所有代表节点会记录一个版本号，根据该版本号和分片数量N可以确定主节点。

3.根据权利要求1所述的基于分片技术的混合共识方法，其特征在于，代表节点进行片间共识采用的是3％)7共识机制。

4.根据权利要求1所述的基于分片技术的混合共识方法，其特征在于，所述的每个分片的代表节点通过选举产生，在选举过程中，该分片所有节点不会进行共识，也不会产生新的区块，与此同时，主节点和从节点也不会处理与该分片相关的交易内容，直到选举结束产生新的代表节点，该分片的各节点才会重新开始进行共识。

5.根据权利要求1所述的基于分片技术的混合共识方法，其特征在于，选举代表节点会在原代表节点发生作恶行为时自动进行。

6.根据权利要求1所述的基于分片技术的混合共识方法，其特征在于，片内的普通节点采用36共识机制选择记账节点。

7.根据权利要求1所述的基于分片技术的混合共识方法，其特征在于，所述的记账节点将上一轮共识收到的所有交易再次进行验证后再上传给代表节点；代表节点再对这些交易内容再进行一次验证，从而保证数据内容的准确性。