網(wǎng)絡(luò)共識區(qū)塊鏈模型構(gòu)建與實現(xiàn)

劉敏娜，尹 成，張 偉

（1.咸陽師范學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.微軟-清華大學(xué)聯(lián)合實驗室，北京 100000）

互聯(lián)網(wǎng)上瀏覽網(wǎng)頁使用的是WWW 服務(wù)協(xié)議。WWW 協(xié)議普遍應(yīng)用基于B/S 架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模型。在B/S 服務(wù)架構(gòu)中，服務(wù)器作為中心節(jié)點，為網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，瀏覽器請求數(shù)據(jù)服務(wù)[1]。B/S 架構(gòu)建立在對中心服務(wù)器絕對信任的前提下，一旦失去信任，信息交換不再成立。同時，B/S 架構(gòu)還存在對中心服務(wù)器依賴過大、服務(wù)器數(shù)據(jù)容易被竊取、數(shù)據(jù)無法追溯到原始狀態(tài)等問題[2]。

區(qū)塊鏈采用點對點（P2P）的去中心化的分布式存儲結(jié)構(gòu)。區(qū)塊鏈的創(chuàng)造者中本聰提出“區(qū)塊鏈中，節(jié)點按照既定的運算規(guī)則來計算哈希值，由獲勝節(jié)點主張上鏈數(shù)據(jù)，其他節(jié)點對上鏈數(shù)據(jù)進行投票，同時將激勵機制應(yīng)用到共識上[3]”。區(qū)塊鏈上沒有中心節(jié)點，節(jié)點之間不需要建立信任，通過共識達成規(guī)則，從而達成信任。引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，可以有效地解決B/S 架構(gòu)中對服務(wù)器的依賴而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)安全性問題。

文中提出在互聯(lián)網(wǎng)的分布式環(huán)境中，基于區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)多個節(jié)點共識挖礦，存儲交易數(shù)據(jù)的方案。方案根據(jù)交易數(shù)據(jù)的特點，設(shè)計了區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用區(qū)塊鏈的哈希算法對交易數(shù)據(jù)進行加密，利用共識算法解決記賬權(quán)的問題，利用最長鏈比較算法設(shè)計節(jié)點數(shù)據(jù)同步規(guī)則。

1 相關(guān)知識

1.1 B/S架構(gòu)

B/S 是WWW 協(xié)議最主要的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。B 代表Browser 瀏覽器，S 表示Server 服務(wù)器[4]。系統(tǒng)功能的核心部分集中在服務(wù)器端，用戶通過瀏覽器訪問互聯(lián)網(wǎng)上的信息，服務(wù)器解析并處理用戶請求。當(dāng)需要提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)時，服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)過動態(tài)拼湊后顯示在客戶端瀏覽器中，這種架構(gòu)簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用[5]。B/S 架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 B/S架構(gòu)

B/S 架構(gòu)存在以下問題：

1）對中心服務(wù)器依賴過大，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題導(dǎo)致?lián)砣瑹o法繼續(xù)為客戶端提供服務(wù)[3]；

2）如果中心服務(wù)器遭遇惡意攻擊，則服務(wù)器數(shù)據(jù)容易被竊??；

3）服務(wù)器中存儲的數(shù)據(jù)沒有狀態(tài)，一旦數(shù)據(jù)被修改，則無法追溯到原始狀態(tài)。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈（Block Chain）是比特幣應(yīng)用的底層技術(shù)，使用區(qū)塊鏈技術(shù)能獨立完成價值轉(zhuǎn)移，包括數(shù)字貨幣、交易、資產(chǎn)等轉(zhuǎn)移，而且整個過程不依賴于中心機構(gòu)[6]。

區(qū)塊鏈具有如下特點：

1）系統(tǒng)中不存在自上而下的中心化管理，分布式節(jié)點之間通過競爭博弈的方式實現(xiàn)自組織和自適應(yīng)；

2）采用基于共識的數(shù)據(jù)更新機制。新生成的區(qū)塊必須獲得大多數(shù)節(jié)點驗證通過之后，才可以寫入節(jié)點的共享賬本中，因此數(shù)據(jù)難篡改和偽造[7]。

1.2.1 區(qū)塊鏈的核心概念

1）區(qū)塊

區(qū)塊是區(qū)塊鏈的基本元素，比特幣中區(qū)塊以文件形式存儲，以太坊中以數(shù)據(jù)庫形式存儲[8]。區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成。區(qū)塊頭中封裝了前一個區(qū)塊的哈希值、當(dāng)前區(qū)塊共識的解隨機數(shù)、時間戳等信息[9]。區(qū)塊體中包括當(dāng)前區(qū)塊的交易數(shù)量以及經(jīng)過驗證的區(qū)塊創(chuàng)建過程中生成的所有交易記錄。

2）節(jié)點

網(wǎng)絡(luò)中所有交易數(shù)據(jù)都記錄在節(jié)點服務(wù)器里[10]。節(jié)點分為輕節(jié)點和全節(jié)點。全節(jié)點擁有全網(wǎng)的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，其中包括所有的交易數(shù)據(jù)，輕節(jié)點只擁有和自己相關(guān)的交易數(shù)據(jù)。

3）共識機制

區(qū)塊鏈中沒有中心化節(jié)點，因此在交易數(shù)據(jù)傳輸、價值轉(zhuǎn)移時，通過共識機制解決交易在所有記賬節(jié)點上的一致性和正確性問題[11]。共識機制是區(qū)塊鏈的核心組成部分，是保障區(qū)塊鏈系統(tǒng)能長久運行的關(guān)鍵機制。共識算法有工作量證明POW、權(quán)益證明POS、委托權(quán)益證明DPOS。

工作量證明POW 算法要求證明方在使用服務(wù)或資源之前完成一定難度的復(fù)雜運算，且這種工作量很容易被驗證方核實。權(quán)益證明POS 是具有最高權(quán)益的節(jié)點最有可能獲得記賬權(quán)，其權(quán)益體現(xiàn)為節(jié)點對特定數(shù)量貨幣的所有權(quán)。委托權(quán)益證明DPOS 是通過共識節(jié)點的權(quán)益投票將記賬權(quán)賦予特定的節(jié)點，從而實現(xiàn)公平和民主的共識過程和區(qū)塊鏈治理。

區(qū)塊鏈共識算法使用最多的是POW。文中使用POW 共識算法，以便使最快計算出符合要求的隨機數(shù)的節(jié)點具有記賬權(quán)。

1.2.2 點對點模式

點對點模式中每個節(jié)點的地位是對等的。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以自由地加入和退出，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都具有存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以提高通信效率[13]；單個節(jié)點的故障不會影響整體系統(tǒng)，可以提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性；同時網(wǎng)絡(luò)的擴展性強，有利于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡[14]。

1.2.3 區(qū)塊鏈運行流程

1）源節(jié)點創(chuàng)建交易，驗證目的節(jié)點地址，對交易簽名加密，將交易廣播至網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點。

2）網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點接收交易，判斷交易數(shù)據(jù)來源是否正確。全網(wǎng)大多數(shù)節(jié)點驗證通過之后，節(jié)點將交易信息保存在交易池中。

3）節(jié)點爭奪記賬權(quán)，擁有記賬權(quán)的節(jié)點將交易數(shù)據(jù)打包到本地區(qū)塊中。全網(wǎng)共識驗證之后，獲勝節(jié)點將新區(qū)塊追加到主鏈。

4）交易在主鏈上被后續(xù)區(qū)塊確認(rèn)。

5）不同節(jié)點之間根據(jù)最長鏈原則，定期同步區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。

方案是基于該區(qū)塊鏈運行流程設(shè)計的，方案中包括新節(jié)點加入、新交易創(chuàng)建、新區(qū)塊生成、區(qū)塊上鏈、節(jié)點間同步數(shù)據(jù)等環(huán)節(jié)。

2 網(wǎng)絡(luò)共識區(qū)塊鏈模型

2.1 方案架構(gòu)

為了簡化模型，網(wǎng)絡(luò)中包括3 個具備獨立記賬能力的全節(jié)點，如圖2 所示。全節(jié)點上保存不同長度的區(qū)塊鏈，節(jié)點同步時選擇區(qū)塊鏈長度值最大的區(qū)塊進行拷貝操作。目前網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點2 的區(qū)塊鏈高度值最大，因此節(jié)點1 和3 將區(qū)塊鏈2 的數(shù)據(jù)拷貝，更新自身區(qū)塊鏈。

圖2 多節(jié)點區(qū)塊鏈模型

2.2 方案核心要素

2.2.1 區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

區(qū)塊中包括索引、時間戳、交易記錄、工作量證明、前一塊哈希值等屬性[15]。區(qū)塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。索引是在當(dāng)前區(qū)塊鏈高度基礎(chǔ)上增加1，也可用來表示區(qū)塊鏈的高度。時間戳得到的是區(qū)塊數(shù)據(jù)寫入的時間，交易記錄中保存的是交易池中按照優(yōu)先級別排序的交易列表。工作量證明用來設(shè)置爭奪記賬權(quán)的計算難度。前一區(qū)塊的哈希值用來將當(dāng)前區(qū)塊與前一區(qū)塊相連。

圖3 區(qū)塊結(jié)構(gòu)

2.2.2 共識算法

將當(dāng)前區(qū)塊的難度值（可變的數(shù)值，從1 開始取值）和前一個區(qū)塊的難度值相乘，取得二進制編碼，將二進制值進行哈希運算。當(dāng)哈希運算結(jié)果中后四位取值為“0000”時，認(rèn)為解題成功，取得記賬權(quán)。網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點收到解題的結(jié)果之后，進行工作量校驗，檢查節(jié)點是否具有記賬權(quán)。

3 方案實現(xiàn)

方案包括交易數(shù)據(jù)上鏈和節(jié)點數(shù)據(jù)同步。交易數(shù)據(jù)上鏈由發(fā)起交易的節(jié)點創(chuàng)建新的交易，將交易存在交易池中，等待具有記賬權(quán)的節(jié)點將交易打包至區(qū)塊鏈；數(shù)據(jù)同步需要獲取全網(wǎng)中所有節(jié)點的區(qū)塊鏈高度，計算最大高度，使用高度最大的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)同步其他節(jié)點區(qū)塊鏈。

3.1 交易數(shù)據(jù)上鏈

交易數(shù)據(jù)上鏈產(chǎn)生新交易，將交易打包到區(qū)塊。

1）抓取網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕灰?，驗證信息中是否包含“sender”,“recipient”和“amount”，如果不包含，則提示數(shù)據(jù)不完整，返回400 錯誤。

2）讀取網(wǎng)絡(luò)上的交易發(fā)送方、接收方和金額數(shù)據(jù)，創(chuàng)建新交易。

3）對交易數(shù)據(jù)進行哈希運算，隨后寫入?yún)^(qū)塊中。交易數(shù)據(jù)添加之后清空交易列表。

區(qū)塊表示如下。

4）將交易添加成功的信息寫在網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)response 對象上，并返回給客戶端。

3.2 節(jié)點間區(qū)塊鏈同步

1）遍歷網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點self.nodes；

2）獲取當(dāng)前的區(qū)塊鏈長度len(self.chain)；

3）依次訪問網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點，取出節(jié)點的區(qū)塊鏈長度，判斷區(qū)塊鏈長度是否小于當(dāng)前節(jié)點的長度，為真則更新區(qū)塊鏈。

代碼如下：

4 仿真結(jié)果及分析

方案在Windows 環(huán)境實施，采用Python 語言編寫仿真實驗程序，使用flask 框架搭建Web 模型，模擬3 個節(jié)點的共識操作。實驗中因為有post 請求，因此需要傳遞一定的參數(shù)，使用Postman 進行Web API&HTTP 請求調(diào)試[16]。實驗分別模擬新節(jié)點入網(wǎng)、新交易創(chuàng)建、交易保存至區(qū)塊、區(qū)塊上鏈及節(jié)點數(shù)據(jù)同步等操作。

實驗中部署了3 個區(qū)塊鏈節(jié)點，端口號分別為5000、5002 和5004。這3 個節(jié)點都參與記賬權(quán)爭奪操作。表1 為這3 個節(jié)點在60 min 內(nèi)的在線情況。

表1 節(jié)點的可用性測試

4.1 新節(jié)點入網(wǎng)測試

在Postman 中創(chuàng)建post 請求，請求url 為http://127.0.0.1:5000/new_node，在body 中輸入?yún)?shù){"nodes":["http://127.0.0.1:5002"]}，返回提示信息：

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點添加成功。

4.2 新交易生成測試

創(chuàng)建post 請求，請求url 為http://127.0.0.1:5002/new_trainsactions，在body 中輸入?yún)?shù)：

返回提示信息：

目前節(jié)點2 上已經(jīng)生成了5 個區(qū)塊，新產(chǎn)生的交易放入交易池，并隨著第6 個區(qū)塊的生成而被寫入其中。

4.3 節(jié)點同步測試

Pycharm中啟動flask服務(wù)器，運行http://127.0.0.1:5000/mine 進行記賬權(quán)爭奪。運行一段時間之后，網(wǎng)絡(luò)上3 個節(jié)點擁有的區(qū)塊鏈情況如表2 所示。目前節(jié)點2 上的區(qū)塊鏈高度最大，擁有6 個區(qū)塊。

表2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點區(qū)塊及交易情況

當(dāng)發(fā)送http://127.0.0.1:5000/node_refresh 請求時，網(wǎng)絡(luò)上的3 個節(jié)點進行數(shù)據(jù)同步，3 個節(jié)點的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)完全一致，如表3 所示。

表3 同步操作之后網(wǎng)絡(luò)節(jié)點區(qū)塊及交易情況

5 結(jié)束語

為了解決B/S 架構(gòu)中對中心服務(wù)器過于依賴的問題，文中設(shè)計了一種真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的共識區(qū)塊鏈方案。方案利用flask 框架模擬了3 個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包括新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)、交易的生成和加密、新區(qū)塊生成、共識算法驗證、節(jié)點數(shù)據(jù)同步。在節(jié)點數(shù)據(jù)同步中根據(jù)最長區(qū)塊鏈來更新網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)。

實驗仿真表明，方案能實現(xiàn)交易數(shù)據(jù)上鏈，實現(xiàn)多個節(jié)點數(shù)據(jù)同步。因為基于區(qū)塊鏈技術(shù)，所以交易數(shù)據(jù)不可篡改、不可否認(rèn)。產(chǎn)生的交易放入交易池，隨著第6 個區(qū)塊的生成而被寫入其中。