一種區(qū)塊鏈動態(tài)授權(quán)的共識機(jī)制

王 娟， 劉文斌， 冀璐璐

(黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

區(qū)塊鏈?zhǔn)且员忍貛艦榇淼臄?shù)字加密貨幣體系的核心支撐技術(shù)，融合了分布式系統(tǒng)、密碼學(xué)、博弈論等多種學(xué)科建立的一種新型信任模型[1]。通過結(jié)合分布式賬本、p2p網(wǎng)絡(luò)、共識機(jī)制、智能合約、非對稱加密等多種底層技術(shù)，在互不相干的分布式節(jié)點中實現(xiàn)去信用的點對點交易。區(qū)塊鏈的本質(zhì)是一種分布式數(shù)據(jù)庫，使用鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗證和存儲數(shù)據(jù)，通過分布式節(jié)點判決機(jī)制來生成和更新數(shù)據(jù)，它維護(hù)了一個持續(xù)增長并且不可被篡改和修改的數(shù)據(jù)記錄列表，直接或間接依賴可信任第三方的活動均可從該技術(shù)受益[2]。

區(qū)塊鏈技術(shù)的核心優(yōu)勢之一，就是能夠在決策權(quán)高度分散的去中心化系統(tǒng)中，使各節(jié)點高效地針對區(qū)塊數(shù)據(jù)的有效性和一致性達(dá)成共識[3]，避免了系統(tǒng)中的分歧現(xiàn)象。同時，共識機(jī)制是保證區(qū)塊鏈系統(tǒng)短時間內(nèi)完成交易響應(yīng)、驗證并廣播的關(guān)鍵因素，如何保證數(shù)據(jù)的可靠性和真實性，取決于共識機(jī)制使節(jié)點間達(dá)成共識的方法。共識機(jī)制的存在，維護(hù)了系統(tǒng)的運作順序，保障了系統(tǒng)的公平性。因此，性能優(yōu)異的共識機(jī)制是保證區(qū)塊鏈準(zhǔn)確高效運轉(zhuǎn)的必要條件。為使節(jié)點快速、安全地達(dá)到數(shù)據(jù)一致，專家學(xué)者相繼提出多種共識機(jī)制。文獻(xiàn)[4]正式提出了工作量證明共識機(jī)制(Proof of work，PoW)，為后來中本聰設(shè)計比特幣的共識機(jī)制奠定基礎(chǔ)，但卻存在資源消耗較大且共識時間較長的缺陷。文獻(xiàn)[5]提出了實用拜占庭容錯算法(Practical byzantine fault tolerance)有效提高了算法的共識效率，但無法抵御Sybil攻擊，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性受到威脅。文獻(xiàn)[6]給出了股份授權(quán)證明機(jī)制(Delegated proof of stake，DPoS)，該機(jī)制大幅減少了決策節(jié)點的個數(shù)，具有快速、高效的優(yōu)勢，但仍存在無法應(yīng)對惡意節(jié)點入侵、節(jié)點職能分配不均的缺點。

共識機(jī)制是互不相干的若干節(jié)點在短時間內(nèi)達(dá)成一致的算法。近年來，由于區(qū)塊鏈技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種類型的共識機(jī)制相繼涌現(xiàn)。圍繞共識機(jī)制的研究內(nèi)容，目前主流的共識機(jī)制有工作量證明、權(quán)益證明和股份授權(quán)證明三種。工作量證明機(jī)制(Proof of work，PoW)，全網(wǎng)節(jié)點基于自身算力相互競爭來共同計算一道求解復(fù)雜但驗證容易的SHA256數(shù)學(xué)難題，算力最優(yōu)的節(jié)點獲得記賬權(quán)并獲得比特幣獎勵[7]。PoW共識機(jī)制中節(jié)點間無需交換額外信息即可達(dá)成共識，有效的解決了女巫攻擊問題，且能有效避免區(qū)塊鏈分叉現(xiàn)象，但在共識過程中消耗大量算力，造成資源浪費；而且為了獲得記賬權(quán)，低算力節(jié)點會聯(lián)合起來形成礦池，出現(xiàn)中心化現(xiàn)象，對區(qū)塊鏈的安全性造成嚴(yán)重影響。權(quán)益證明機(jī)制(Proof of stake，PoS)，其本質(zhì)是記賬權(quán)由最高權(quán)益而非最高算力的節(jié)點獲得[8]。PoS機(jī)制有效解決了PoW算力浪費的問題，大大縮短了達(dá)成共識的時間，攻擊者必須積累很多時間和資金，并以自身資金受損為代價對主鏈發(fā)起攻擊，有效杜絕了攻擊者的行為動機(jī)。缺點是隨著財富的積累，容易出現(xiàn)集權(quán)現(xiàn)象，而且擁有權(quán)益的節(jié)點未必想?yún)⑴c記賬，易出現(xiàn)積極性缺失等問題，而且仍需要挖礦，容易出現(xiàn)“富者更富”的情況。股份授權(quán)證明機(jī)制(Delegated proof of stake，DPoS)，類似于“董事會決議”。在這種機(jī)制中，普通節(jié)點具有投票權(quán)，該節(jié)點將選票投給認(rèn)為可信的其他節(jié)點，選取出一定數(shù)量的授權(quán)節(jié)點，依次對交易進(jìn)行驗證和記賬。授權(quán)節(jié)點本身需要繳納一定的保證金，并對其他節(jié)點負(fù)責(zé)。若授權(quán)節(jié)點記賬期間出現(xiàn)區(qū)塊信息缺失或篡改，該節(jié)點將失去記賬權(quán)并失去保證金。同時，授權(quán)節(jié)點本身需保證在線率，以達(dá)成盈利目標(biāo)。DPoS共識機(jī)制在PoS共識機(jī)制的基礎(chǔ)上大幅減少了參與驗證和記賬節(jié)點的數(shù)量，可以在較低的能耗下實現(xiàn)快速共識驗證，提高了共識效率。缺點是普通節(jié)點話語權(quán)較弱，投票積極性有待提高[9]。當(dāng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)惡意節(jié)點時，不能迅速做出應(yīng)對，而且會出現(xiàn)中止進(jìn)程的情況。目前區(qū)塊鏈系統(tǒng)主流的共識機(jī)制存在資源消耗較大、易出現(xiàn)集權(quán)現(xiàn)象、安全性較弱等不足。

針對這些問題，筆者提出一種區(qū)塊鏈動態(tài)授權(quán)共識機(jī)制，采用混沌隨機(jī)和煙花尋優(yōu)兩種篩選手段構(gòu)建授權(quán)節(jié)點集合，通過建立新型的決議監(jiān)管的判決機(jī)制和統(tǒng)計模型，排除惡意節(jié)點的不利影響，實現(xiàn)授權(quán)節(jié)點的動態(tài)更新，文中的研究既可保證達(dá)成共識的一致性和高效性，又能實現(xiàn)共識數(shù)據(jù)的可用性和安全性，為共識機(jī)制設(shè)計分析奠定技術(shù)基礎(chǔ)，對區(qū)塊鏈工程應(yīng)用具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

1 區(qū)塊鏈動態(tài)授權(quán)共識機(jī)制

動態(tài)授權(quán)的區(qū)塊鏈共識機(jī)制，如圖1所示。文中在傳統(tǒng)DPoS共識機(jī)制的基礎(chǔ)上提出了一種區(qū)塊鏈動態(tài)授權(quán)共識機(jī)制，是由智能優(yōu)化授權(quán)節(jié)點集合的構(gòu)建和動態(tài)更新決議監(jiān)管機(jī)制的建立兩部分組成。

圖1 動態(tài)授權(quán)的區(qū)塊鏈共識機(jī)制Fig. 1 Blockchain consensus mechanism for dynamic authorization

在由全部節(jié)點組成的區(qū)塊節(jié)點集合中，首先利用混沌序列的隨機(jī)性篩選得到隨機(jī)候選節(jié)點集合，保證授權(quán)節(jié)點集合的隨機(jī)性和公正性；其次經(jīng)混沌隨機(jī)篩選得到的節(jié)點再通過煙花算法尋優(yōu)得到最優(yōu)節(jié)點，構(gòu)成最優(yōu)候選節(jié)點集合，保證節(jié)點集合的高質(zhì)量水平，共同構(gòu)建兼具“民主”和“集中”的授權(quán)節(jié)點集合。當(dāng)收到記賬節(jié)點的上鏈請求時，授權(quán)節(jié)點集合對其進(jìn)行決議判決，若超過三分之二的節(jié)點同意該請求則判定達(dá)成共識；反之，則為拒絕共識。為保證授權(quán)節(jié)點集合可以始終對節(jié)點上鏈請求進(jìn)行有效校驗，在原有基礎(chǔ)上增加授權(quán)節(jié)點集合的決議監(jiān)管機(jī)制。對授權(quán)節(jié)點集合的決議量進(jìn)行決議統(tǒng)計，若決議量大于等于預(yù)設(shè)閾值，則表示該授權(quán)節(jié)點集合已完成較多的決議判決，而為保證決議監(jiān)管機(jī)制的公正性及動態(tài)更新性，重新通過混沌隨機(jī)和煙花算法篩選授權(quán)節(jié)點，構(gòu)成新一輪的授權(quán)節(jié)點集合，實施決策權(quán)力。反之，若決議量小于預(yù)設(shè)閾值，則可以繼續(xù)進(jìn)行決議判決。新型動態(tài)決議監(jiān)管機(jī)制有效的減少了惡意節(jié)點的作惡現(xiàn)象，保證了鏈上數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.1 混沌隨機(jī)篩選

混沌隨機(jī)篩選是利用了混沌序列的無規(guī)則運動在所有節(jié)點中隨機(jī)篩選出若干節(jié)點，構(gòu)建出隨機(jī)候選節(jié)點集合，保證了系統(tǒng)的隨機(jī)性和公正性。文中采用文獻(xiàn)[10]中提出的一種logistic和tent的級聯(lián)混沌映射，級聯(lián)混沌映射的公式為

xn+1=1-|1-4μ·xn·(1-xn)|,

(1)

式(1)中， logistic的初值為0.76，系統(tǒng)參數(shù)為4，設(shè)置tent的系統(tǒng)參數(shù)μ為1.999。執(zhí)行級聯(lián)混沌映射的迭代，生成混沌序列xn。將級聯(lián)混沌映射迭代生成的混沌序列xn代入整數(shù)公式進(jìn)行數(shù)字量化：

(2)

式(2)中，取a=28，Tn∈[0,N],n=100，正好對應(yīng)于8 bits表示的無符號整數(shù)范圍。

采用文獻(xiàn)[11]中提出的篩選方法，將級聯(lián)混沌序列的取值區(qū)間分為均等的N個區(qū)間Di(i=0,1,…，N)，區(qū)間Di可以理解為[i/N+1, (i+1) /(N+1))。判斷整數(shù)化迭代后輸出Tn是否遍歷過Di區(qū)間：如果Tn的值未遍歷Di區(qū)間內(nèi)，則保存相應(yīng)的Tn值為Yn并繼續(xù)迭代；如果Tn的值不存在于Di區(qū)間內(nèi)或遍歷且保存過混沌值的Di區(qū)間內(nèi)，則直接迭代，直到遍歷完N+1個區(qū)間。

1.2 煙花算法尋優(yōu)

煙花算法是一種群體智能算法，收斂速度快，具有優(yōu)良的尋優(yōu)能力[12]。煙花算法可以依據(jù)所求問題的復(fù)雜程度而變換煙花和火花的數(shù)目，在一定范圍內(nèi)更精細(xì)、高效的搜索最優(yōu)解。從而提高節(jié)點針對某一特定應(yīng)用的高質(zhì)量性能，提高了共識的效率。

煙花算法流程,如圖2所示。在解空間內(nèi)初始煙花種群，對目標(biāo)問題求最優(yōu)解，根據(jù)適應(yīng)度值的不同，通過爆炸算子得到煙花的爆炸半徑和爆炸火花數(shù)目。為保證種群多樣性，通過變異算子對煙花的若干維度進(jìn)行變異操作，得到變異火花。同時對超出邊界的火花應(yīng)用映射規(guī)則映射到解空間內(nèi)。為保證煙花種群中的優(yōu)良信息迭代，應(yīng)用選擇策略選擇下一代煙花群體。同時判斷種群中的最優(yōu)解是否滿足終止條件，若滿足則停止搜索，不滿足則重新迭代。

圖2 煙花算法流程Fig. 2 Flow of firework algorithm

通過對適應(yīng)度函數(shù)在可行域內(nèi)尋求最優(yōu)解，不失一般性，設(shè)置最優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型為

fmin(xi)=ωaxi1+ωbxi2，xi∈Ω，

(3)

式中：f(xi)——適應(yīng)度值；

ωa、ωb——權(quán)重值，文中ωa=ωb=0.5；

xi1——代表權(quán)益；

xi2——算力；

Ω——可行域。

在解空間的范圍內(nèi)，初始化N個煙花個體位置xi(i=1,2,…,N)，通過目標(biāo)函數(shù)計算煙花個體的適應(yīng)度值f(xi)，得到煙花的爆炸半徑和火花數(shù)目:

(4)

(5)

f(xi)——煙花個體的適應(yīng)度值，i=1，2，…，N；

ε——機(jī)器最小值，避免除零操作。

由于適應(yīng)度值的好壞直接決定該位置的火花數(shù)目，為避免不同適應(yīng)度值的火花數(shù)目過多或過少，進(jìn)行了如下限制：

(6)

式中：a、b——常數(shù)；

round——取整函數(shù)。

(7)

U(-1,1)——在區(qū)間[-1,1]中服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)的值。

若煙花爆炸產(chǎn)生的火花超出可行域，則在k個維度上執(zhí)行越界處理操作，重新歸入火花種群中

(8)

式中：xUB,k、xLB,k——解空間的在維度k上的上下邊界；

mod——取余函數(shù)。

為提高火花的多樣性，避免局部最優(yōu)，對煙花執(zhí)行高斯變異操作：

(9)

N(1,1)——高斯分布。

為保證煙花種群中優(yōu)良個體迭代，選取N個個體作為下一代煙花，適應(yīng)度值最小的煙花個體作為迭代煙花，其余N-1個煙花按照輪盤賭的規(guī)則選出:

(10)

(11)

式中：xi、xj——任意的煙花個體；

P(xi)——煙花xi被選擇的概率；

R(xi)——當(dāng)前個體到其他個體之間的距離之和，R(xi)越大，被選擇的概率則越大。判斷最終結(jié)果是否滿足終止條件，若滿足則終止迭代直接輸出結(jié)果，不滿足則重新執(zhí)行。

2 測試結(jié)果與分析

Hyperledger caliper作為一個通用的全功能區(qū)塊鏈測評工具，可以對不同區(qū)塊鏈系統(tǒng)的吞吐量、時延、容錯性等性能指標(biāo)進(jìn)行測試，由于具有準(zhǔn)確、擴(kuò)展性強等優(yōu)點，因此，文中采用Hyperledger caliper搭建區(qū)塊鏈來模擬交易模塊。在Hyperledger caliper測試平臺中，建立100個模擬賬戶，每個賬戶的初始額度設(shè)為1 000 000，為了保證交易的持續(xù)進(jìn)行且以最快的速度完成交易，將每次的交易量均設(shè)為1。針對區(qū)塊鏈吞吐量和時延兩大性能指標(biāo)，通過計算單位時間內(nèi)的交易量，對文中提出的動態(tài)授權(quán)共識機(jī)制進(jìn)行測試與分析，驗證該機(jī)制的有效性和可用性。

2.1 吞吐量測試

在區(qū)塊鏈中，交易吞吐量每秒交易數(shù)(Transaction per second，TPS)指的是交易從發(fā)出請求到確認(rèn)，并且寫入?yún)^(qū)塊鏈中的總交易數(shù)與消耗時間的比值，是衡量系統(tǒng)并發(fā)能力的重要指標(biāo)。吞吐量越高，則共識機(jī)制的效率就越高，處理交易的能力就越強。

ITPS=TSum/Δt，

(12)

式中：Δt——交易請求發(fā)出到寫入?yún)^(qū)塊鏈上之間的時間間隔；

TSum——該段時間的所有交易數(shù)量。

不同時間間隔的交易量，如圖3所示。

圖3 不同時間間隔的交易量Fig. 3 Transaction volume at different time intervals

在吞吐量性能測試中，分別設(shè)置Δt為10、30、60、120 s四個出塊時間間隔，通過測試得到每個時間間隔內(nèi)的交易總量。為了保證所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確一般性，每個時間間隔進(jìn)行20次重復(fù)測試。

根據(jù)不同出塊時間間隔計算出平均吞吐量，如圖4所示。

圖4 吞吐量與出塊時間間隔關(guān)系Fig. 4 Relationship between throughput and block time interval

區(qū)塊時間間隔越長，區(qū)塊收集到的交易量越多。在出塊時間間隔[10 30] s區(qū)間內(nèi)，動態(tài)授權(quán)共識機(jī)制的吞吐量呈上升趨勢，在30 s之后，由于交易量增多而傳輸速率不變，傳輸時間延長，導(dǎo)致吞吐量逐漸下降。動態(tài)授權(quán)共識機(jī)制的平均吞吐量約為8 942 比/s。作為比較，文中提出的動態(tài)授權(quán)共識機(jī)制與目前較為成熟的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，以及文獻(xiàn)[11]提出的DNBFT機(jī)制進(jìn)行TPS比較如圖5所示。

圖5 算法平臺TPS比較Fig. 5 Comparison of algorithm platform TPS

由圖5可知，動態(tài)授權(quán)共識機(jī)制有較優(yōu)的吞吐量性能，單位時間內(nèi)可以完成的交易數(shù)較多，可以應(yīng)對較多的應(yīng)用場景。

2.2 時延測試

區(qū)塊鏈的交易時延是指從交易提交到交易確認(rèn)所用時間，是衡量區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中通信性能和共識算法運行時間的標(biāo)準(zhǔn)。時延越低，交易確認(rèn)越迅速，區(qū)塊鏈出現(xiàn)分叉現(xiàn)象的概率越低，同時用戶無需等待過長時間，體驗更佳。不同時間間隔交易時延如圖6所示。

圖6 不同時間間隔交易時延Fig. 6 Trading delays at different time intervals

(13)

式中：tD——時延，

tc——交易確認(rèn)時間；

tp——交易提交時間；

tB——交易在共識節(jié)點間的傳輸時間；

tC——共識消耗的事件；

tBB——區(qū)塊在共識節(jié)點間廣播確認(rèn)時間。

由圖6可見，在時延測試性能中，通過設(shè)置與上節(jié)相同的出塊時間間隔，測試得到每個時間間隔的交易時延。為了保證所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確一般性，每個區(qū)塊時間間隔統(tǒng)計五個區(qū)塊。

根據(jù)不同出塊時間間隔計算出平均時延，同時與文獻(xiàn)[13-14]提出的DNBFT機(jī)制和DDBFT機(jī)制進(jìn)行比較。交易時延和出塊時間間隔關(guān)系如圖7所示。

圖7 交易時延和出塊時間間隔關(guān)系Fig. 7 Relationship between transaction delay and block time interval

由圖7可見，出塊時間間隔越長，則說明該段時間交易信息越多，區(qū)塊越來越大，而網(wǎng)絡(luò)帶寬有限，造成網(wǎng)絡(luò)廣播傳輸和節(jié)點驗證消耗的時間也就越長，時延也就越大。相對于這兩種共識機(jī)制，動態(tài)授權(quán)共識機(jī)制的交易時延較低。通過查閱官方文檔可知，DPoS共識機(jī)制的時延為秒級，動態(tài)授權(quán)共識機(jī)制的時延為毫秒級，具有更優(yōu)的時延特性，節(jié)點響應(yīng)更加迅速。

3 結(jié)束語

區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展需要不停地探索與創(chuàng)新，一種共識機(jī)制無法滿足所有應(yīng)用場景的需求。文中提出了一種動態(tài)授權(quán)的區(qū)塊鏈共識機(jī)制，利用Hyperledger caliper測試平臺對動態(tài)授權(quán)共識機(jī)制的吞吐量和時延兩大特性進(jìn)行測試及分析，結(jié)果表明，動態(tài)授權(quán)共識機(jī)制可以較大提高區(qū)塊系統(tǒng)達(dá)成共識的效率，從而保障區(qū)塊節(jié)點達(dá)成共識的安全、準(zhǔn)確及高效。該研究可為區(qū)塊鏈共識機(jī)制的提出與改進(jìn)提供了一定的理論依據(jù)。