基于安全多方計算的DPOS改進方案

蔣翊彬，汪學明

(貴州大學 計算機科學與技術學院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

委托權益證明(DPOS)共識機制具有高效率、低能耗等優(yōu)點。同時，DPOS因其中心化程度高、惡意節(jié)點剔除不及時、節(jié)點參與不積極與容易滋生腐敗等問題備受爭議[1]。目前多數(shù)研究主要集中在如何保證恒定數(shù)量誠實的見證人節(jié)點以及如何提高普通節(jié)點投票積極性兩個方面，研究方法是通過引入信譽度機制、激勵機制、備用見證人機制與替換投票選舉的方式，解決DPOS中存在的問題。文獻[2,3]分別通過交易費與信譽分獎勵來激勵普通節(jié)點積極參與投票，并基于節(jié)點信譽值選出更可靠的見證人節(jié)點。文獻[4]提出一種基于配對制度的方案，該機制擯棄了投票選舉的方式，利用節(jié)點屬性值選出記賬節(jié)點。文獻[5]提出通過信譽熔斷機制快速剔除作惡節(jié)點，備用見證人機制用來彌補空缺的見證人節(jié)點。對于節(jié)點腐敗問題，文獻[6]提出舉報獎勵以激勵節(jié)點積極舉報賄賂節(jié)點。

基于以上分析，本文提出一種基于安全多方計算的改進方案。首先提出一種MPC-DPOS網(wǎng)絡模型，在該網(wǎng)絡模型下能夠降低執(zhí)行安全多方計算協(xié)議帶來的通信流量問題。然后重新設計了記賬權分配機制，利用安全多方計算協(xié)議生成系統(tǒng)隨機數(shù)，在全網(wǎng)在線節(jié)點集合中隨機的決定出記賬節(jié)點，提高普通節(jié)點參與積極性，并且非透明、隨機的出塊順序能有效降低針對記賬節(jié)點的DDOS攻擊和腐化攻擊風險，其次將記賬節(jié)點選取范圍從見證人集合擴大到全網(wǎng)在線節(jié)點集合，見證人身份和記賬權之間不存在必然關系，從機制層面杜絕腐敗的產(chǎn)生。改進方案并且提出新的激勵機制，以保證見證人節(jié)點誠實的執(zhí)行協(xié)議，其中通過對叔父區(qū)塊獎勵，有利于區(qū)塊鏈在分叉后歸并統(tǒng)一。最后通過實驗驗證改進方案的可用性和有效性。

1 相關技術

1.1 安全多方計算

安全多方計算(MPC)[7]的思想由姚期智提出，后經(jīng)40年的發(fā)展，已經(jīng)從理論架構逐漸成為可以應用到實際的秘密學工具。MPC能夠讓一組互不信任的參與方聯(lián)合計算出各自應得的輸出，并在計算的過程中，始終保持輸入信息的隱私性[8]。安全多方計算可以抽象為一個功能函數(shù)f，n個參與方P={P1,…,Pn} 分別持有自己的秘密信息x1,x2,…,xn， 聯(lián)合計算某個功能函數(shù)f(x1,x2,…,xn)=(y1,y2,…,yn)，Pi∈P除了得到對應的輸出yi以外，得不到任何關于xj(j≠i)有用的信息。在實際應用中，根據(jù)不同協(xié)議的設計，存在y1=y2=…=yn。

1.2 DPOS共識機制

DPOS共識機制由Bitshares[9]的首席開發(fā)者Dan Larimer提出，旨在解決POW機制算力集中、資源消耗嚴重以及出塊速度慢等問題。DPOS機制中的普通節(jié)點需要向自己信任的參選節(jié)點投票，利用投票方式選舉出N個信任度較好的見證人節(jié)點。見證人之間地位平等，不需要比較權益或算力競爭成為記賬人節(jié)點，在共識階段見證人節(jié)點按照某種隨機序列輪流行使發(fā)布區(qū)塊的權利，并且承擔著區(qū)塊檢驗的工作。DPOS機制中規(guī)定一個有效的新區(qū)塊需要經(jīng)過至少2/3的見證人節(jié)點確認，才是一個不可逆區(qū)塊[9]。如果一個見證人節(jié)點沒有履行自己的責任產(chǎn)生一個合格的區(qū)塊，那么選民將收回給他的選票，并從新選取新的見證人節(jié)點。

2 DPOS共識機制的改進

經(jīng)典的DPOS機制中被選舉出的見證人按特定的序列行使記賬權利，這種特定的順序在攻擊者的視角下是透明的，記賬節(jié)點的安全性完全依靠網(wǎng)絡層的安全性，透明的出塊順序會增加針對記賬節(jié)點的DDOS攻擊和腐化攻擊風險。選舉階段中的投票對象是靠某種信任關系決定的，只有少數(shù)信任度較好的節(jié)點會被選舉為見證人節(jié)點，并獲得出塊獎勵，導致大多數(shù)信任度較低普通節(jié)點參與網(wǎng)絡維護的積極性不高，主要體現(xiàn)在投票不積極和在線共識不積極。此外，選舉出的記賬節(jié)點履行打包交易任務，會得到出塊獎勵和交易費，選舉的結果直接和利益相關，在每個見證人的背后容易形成利益群體，滋生腐敗。改進方案從新設計了記賬權分配機制，引入安全多方計算，通過構造系統(tǒng)隨機數(shù)、擴大記賬節(jié)點選取集合的方式解決上述問題。為了應對執(zhí)行MPC協(xié)議給系統(tǒng)網(wǎng)絡帶來高通信流量問題，提出MPC-DPOS網(wǎng)絡模型，同時為MPC協(xié)議創(chuàng)造高效安全的執(zhí)行環(huán)境。另外，從新設計了激勵機制，增加對見證人節(jié)點和叔父節(jié)點的獎勵，對見證人的獎勵能夠激勵見證人節(jié)點誠實的執(zhí)行MPC協(xié)議，對叔父節(jié)點的獎勵有利于區(qū)塊鏈分叉時歸并統(tǒng)一。

2.1 MPC-DPOS網(wǎng)絡模型

根據(jù)節(jié)點在網(wǎng)絡中的作用不同，將節(jié)點分為兩種不同的類型，分別為見證人節(jié)點和普通節(jié)點。普通節(jié)點參與區(qū)塊驗證和投票工作，可隨時加入和離開網(wǎng)絡。見證人節(jié)點是由普通節(jié)點投票選舉產(chǎn)生，承擔區(qū)塊驗證和系統(tǒng)隨機數(shù)生成任務。見證人節(jié)點都有一定任期，在任期內(nèi)應時刻保持在線，任期結束和從新洗牌選舉。未誠實執(zhí)行協(xié)議的見證人，普通節(jié)點將收回選票，取消其見證人身份，并選取新的見證人節(jié)點。

系統(tǒng)會將選舉產(chǎn)生的見證人加入到一個結構數(shù)組中，以此記錄當下時期見證人節(jié)點身份，并以該數(shù)組在主系統(tǒng)網(wǎng)絡上構建一個由見證人節(jié)點組成的獨立網(wǎng)絡。見證人在獨立網(wǎng)絡中執(zhí)行MPC協(xié)議生成每輪出塊需要的系統(tǒng)隨機數(shù)。獨立網(wǎng)絡在邏輯上與主系統(tǒng)網(wǎng)絡隔離，執(zhí)行MPC協(xié)議所產(chǎn)生的通信流量被隔離在獨立網(wǎng)絡以內(nèi)，并不會廣播到主網(wǎng)絡中的普通節(jié)點。在該網(wǎng)絡模型下能夠解決執(zhí)行MPC協(xié)議給系統(tǒng)網(wǎng)絡帶來高通信流量問題，同時為MPC協(xié)議創(chuàng)造高效安全的執(zhí)行環(huán)境。MPC-DPOS網(wǎng)絡模型如圖1所示。

圖1 MPC-DPOS網(wǎng)絡模型

2.2 記賬權分配機制

記賬權分配機制用于選出每一輪中的出塊節(jié)點與完成打包交易共識，主要包括隨機數(shù)的構造、區(qū)塊的發(fā)布與共識兩個階段。

2.2.1 隨機數(shù)的構造

(1)輸入階段

?Pi∈P隨機構造兩個t次多項式函數(shù)：ai(x)=ai0+ai1x+ai2x2+…+aitxt，βi(x)=βi0+βi1x+βi2x2+…+βitxt， 其中ai0為Pi輸入的秘密隨機數(shù)。然后將秘密份額 (αi(j),βi(j)) 發(fā)送給Pj(Pj∈P-i=P(〗Pi})， 并廣播承諾值Aik=gαi(k)hβi(k)modp,k=0,1,…,n。 在此過程中，Pj(Pj∈P-i) 從以下兩個方面去判斷Pi的誠實性：

1)驗證Pi公布的承諾值是否有效，驗證方法如下：

由α(x)=α0+α1x+α2x2+…+αtxt得

記

存在v-1使

如果不存在Aij≠A′ij， 則Pi公布的承諾值都有效，否則Pi是不誠實的節(jié)點，執(zhí)行 {}null+={Pi}，P-={Pi}。

2)Pj(Pj∈P-i) 驗證秘密份額是否與承諾值相匹配，Aij=gαi(j)hβi(j)modp成立，則秘密份額正確，否則Pj申請公布秘密份額，Pi需要在時限內(nèi)公布對Pj正確的份額，否則判定Pi為惡意節(jié)點，執(zhí)行 {}null+={Pi}，P-={Pi}。

在此階段，見證人節(jié)點分別作為領導者分享秘密隨機數(shù)的份額，并及時的甄別出惡意節(jié)點，以確保誠實的見證人節(jié)點都能獲得正確的秘密份額。

(2)計算階段

(3)恢復階段

為了防止惡意的見證人節(jié)點中斷協(xié)議的執(zhí)行，在每個階段設置一個限制時間，如果Pi沒有在限制時間內(nèi)公布消息，那么其他見證人節(jié)點將判定Pi為惡意見證人節(jié)點，并將Pi加入惡意節(jié)點集 {}null。 協(xié)議執(zhí)行結束后，見證人節(jié)點公布惡意節(jié)點集，如果超過一半以上的見證人節(jié)點判定Pi為惡意節(jié)點，那么普通節(jié)點將收回對Pi的選票，并從新選出新的見證人節(jié)點。因此，該協(xié)議滿足n=2f+1模型，f為能容忍的最大節(jié)點數(shù)量。另外，t+1次多項式的選取必須滿足t=f， 在輸入階段才能保證誠實節(jié)點的輸入隱私性，并且在恢復階段有t+1個正確的份額能重構出計算結果。

2.2.2 區(qū)塊的發(fā)布與共識

本階段將選出記賬節(jié)點發(fā)布區(qū)塊，其它節(jié)點驗證發(fā)布區(qū)塊的有效性，從而達成對交易數(shù)據(jù)的一致共識。共識過程是客戶端將交易廣播到網(wǎng)絡中，經(jīng)其它節(jié)點驗證通過后成為待確認交易，參與記賬權競爭的網(wǎng)絡節(jié)點將所有待確認交易打包進一個預發(fā)布區(qū)塊中，交易在區(qū)塊體中以Merkle樹的形式構造出區(qū)塊頭中MerkleRoot字段。此外，還要收集和記錄其它區(qū)塊頭字段，通過改變區(qū)塊頭中noce字段從而調整個區(qū)塊頭的哈希值，使區(qū)塊頭哈希值小于一個目標難度值，最先找到滿足此條件的區(qū)塊發(fā)布到網(wǎng)絡中，經(jīng)其它節(jié)點驗證合格后加入到主鏈上，從而區(qū)塊中的交易得到確認。

(1)區(qū)塊頭的構造

每個區(qū)塊是由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成，區(qū)塊頭記錄區(qū)塊的重要信息，區(qū)塊體包含被確認的交易。區(qū)塊頭中引用上一區(qū)塊頭的哈希值表明區(qū)塊在鏈上的位置，交易以Merkle樹的形式構造根哈希值能夠實現(xiàn)鏈上交易的快速查找，代幣數(shù)量、系統(tǒng)隨機數(shù)的簽名、noce值以及難度系數(shù)能夠驗證區(qū)塊的合法性。對區(qū)塊頭中部分字段描述見表1。

表1 區(qū)塊頭部分字段描述

(2)出塊策略

上一輪區(qū)塊得到確認后，見證人節(jié)點會發(fā)布此輪出塊需要的系統(tǒng)隨機數(shù)。每個參與記賬權競爭的節(jié)點利用系統(tǒng)隨機數(shù)、持幣數(shù)量和難度系數(shù)計算本輪出快的目標難度值。在運行過程中，最先找到滿足出塊條件節(jié)點才能發(fā)布區(qū)塊，出塊條件如下所示

其中，BlockHead是節(jié)點構建的預發(fā)布區(qū)塊頭部，H(·) 為單向哈希函數(shù)，區(qū)塊頭的哈希值能通過noce字段調整。coin表示節(jié)點持有的代幣的數(shù)量，sign(r) 表示節(jié)點對此輪隨機數(shù)的簽名。w為難度系數(shù)，跟出塊間隙時間有關，例如系統(tǒng)算力提升或則持幣數(shù)量增大，會導致出塊的間隙時間縮短，此時難度系數(shù)增大，相反，則減小。

根據(jù)出塊條件，不同節(jié)點的出塊難度是不一致的，目標難度值的隨機性促使參與競爭的節(jié)點都可能成為記賬節(jié)點，從而保證節(jié)點之間的公平性。對于節(jié)點個體而言，擁有更多的代幣和計算資源能提高節(jié)點的競爭力。另一方面，在代幣數(shù)量和計算資源的限制下，用戶不能通過創(chuàng)建更多的節(jié)點來增加成為記賬人節(jié)點的概率。

2.3 出塊激勵

定義在區(qū)塊鏈分叉時上一輪的直系區(qū)塊稱為父區(qū)塊，非直系合法區(qū)塊稱為叔父區(qū)塊，發(fā)布叔父區(qū)塊的節(jié)點稱為叔父節(jié)點。叔父區(qū)塊與最新發(fā)布區(qū)塊相差一代，稱為第一代叔父區(qū)塊，相差K代稱為第K代叔父區(qū)塊。產(chǎn)生叔父區(qū)塊節(jié)點稱為叔父節(jié)點。第二代叔父區(qū)塊示意圖如圖2所示。

圖2 第二代叔父區(qū)塊

此激勵機制包括對記賬節(jié)點、見證人節(jié)點和叔父節(jié)點的獎勵。擁有記賬權的出塊節(jié)點不僅能得到打包交易費和出塊獎勵，并且在區(qū)塊鏈出現(xiàn)分叉時每打包一筆對叔父節(jié)點的獎勵交易還能得到一定比例的獎勵。見證人節(jié)點誠實地執(zhí)行MPC協(xié)議以產(chǎn)生系統(tǒng)隨機數(shù)，對每輪區(qū)塊產(chǎn)生做出積極貢獻，在記賬權的競爭中并不一定獲得出塊獎勵，因此，每輪區(qū)塊需要包含對見證人節(jié)點的小額獎勵交易，對見證人的獎勵能夠激勵見證人節(jié)點繼續(xù)誠實的執(zhí)行協(xié)議。對叔父節(jié)點的獎勵限制在8代以內(nèi)，每個叔父節(jié)點只獎勵一次，父區(qū)塊沒有包含對叔父節(jié)點的獎勵交易，將由子區(qū)塊完成。如果超出5代都沒有對叔父節(jié)點獎勵，就不再對叔父區(qū)塊獎勵。在5代以內(nèi)，每增加一代對叔父區(qū)塊的獎勵比例減少1/8，從第一代到第五代叔父節(jié)點的獎勵比例分別為 (7/8,6/8,…,3/8)。 由于網(wǎng)絡傳輸時延造成區(qū)塊鏈暫時性分叉，對叔父節(jié)點進行獎勵有利于主鏈及時歸并統(tǒng)一。

3 實驗分析

設計實驗對改進算法的有效性進行檢驗，本節(jié)分別從節(jié)點參與度、對記賬節(jié)點攻擊情況以及記賬權分配等幾個維度比較了原始算法和改進算法，其次在區(qū)塊產(chǎn)出率方面比較了POS共識機制。模擬實驗環(huán)境見表2。

表2 模擬實驗環(huán)境

3.1 節(jié)點參與度比較

原始算法中節(jié)點參與共識過程的積極性不高，為了檢驗改進后算法是否能加普通節(jié)點參與網(wǎng)絡維護的比例，本實驗在兩共識機制的見證人節(jié)點數(shù)量和普通節(jié)點數(shù)量一致的條件下進行了50次共識，并統(tǒng)計出每一輪節(jié)點參與共識過程數(shù)量的比例，實驗結果如圖3所示。

圖3 參與共識節(jié)點比例

從圖3可得，在50輪共識中，原共識機制節(jié)點參與度在65%～75%之間，改進后共識機制的節(jié)點參與度在85%～95%之間。從記賬權分配與激勵機制方面分析，原共識機制中每輪記賬權幾乎被權益較好的見證人結點壟斷，改進后的共識機制中記賬權分配都具有隨機性，任何節(jié)點都有機會成為出塊節(jié)點，所以理性的普通節(jié)點都最大程度的保持在線，并參與到記賬的權分配的競爭之中，以此獲得出塊獎勵。顯然，改進后的共識機制在節(jié)點活躍度方面優(yōu)于原共識機制。

3.2 對記賬節(jié)點攻擊情況比較

記賬節(jié)點承擔著系統(tǒng)確認交易的任務，在執(zhí)行打包任務時受到攻擊會影響整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。為了檢驗改進算法是否能降低記賬節(jié)點受到DDoS攻擊和腐化攻擊的概率，實驗設計如下：網(wǎng)絡節(jié)點由見證人節(jié)點、普通節(jié)點和攻擊者節(jié)點組成，見證人數(shù)量為21個，在攻擊者數(shù)量不變的條件下探究兩共識機制隨著網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量的增加記賬節(jié)點受到DDoS攻擊和腐化攻擊的概率。實驗統(tǒng)計結果如圖4所示。

圖4 針對記賬節(jié)點的攻擊概率

從圖4觀察可得，在發(fā)布區(qū)塊之前，原共識機制中記賬節(jié)點受到攻擊的概率維持不變，改進方案中記賬節(jié)點受到攻擊的概率隨節(jié)點數(shù)增加而逐漸降低，并且原共識機制中節(jié)點受到攻擊的概率遠大于改進后的共識機制。探究其原因，改進方案中記賬節(jié)點的選取是在全網(wǎng)以內(nèi)，并且在發(fā)布區(qū)塊之前記賬節(jié)點身份未透明，攻擊者并不能確定出記賬節(jié)點身份。因此，改進后的共識機制在抵御針對記賬節(jié)點的DDOS攻擊和腐化攻擊方面效果顯著。

3.3 記賬權分配比較

共識機制中記賬節(jié)點分配的方式關乎到系統(tǒng)的公平性與節(jié)點的活躍度，為了比較兩種共識機制在記賬權分配方面的情況，設計如下實驗。實驗網(wǎng)絡中共有60個權益不同的節(jié)點，其中包括21見證人節(jié)點，在600次出塊后，統(tǒng)計不同權益節(jié)點獲得記賬權的次數(shù)，統(tǒng)計結果如圖5所示。

圖5 記賬賬權分配對比

從圖5可得，原共識機制中權益越大的節(jié)點獲得記賬權的次數(shù)越多，權益排名前30的節(jié)點幾乎壟斷出塊任務，改進方案中不同權益的節(jié)點獲得記賬權次數(shù)均在10次左右。分析可知，原共識機制中由21個見證人輪流承擔出塊任務，權益越大的節(jié)點被選舉成見證人的機會越大，因此權益越大的節(jié)點獲得記賬權的次數(shù)越多，而在改進機制中，記賬權在全網(wǎng)中隨機分配，節(jié)點獲得記賬權的概率大致相同。隨機分配的方式降低了權益較小的節(jié)點成為記賬節(jié)點的門檻，促進了普通節(jié)點參與度，體現(xiàn)了記賬權分配的公平性。

3.4 區(qū)塊產(chǎn)出率比較

為了比較改進后的DPOS共識機制與POS共識機制在出塊速度方面的表現(xiàn)。本實驗設置相同的實驗環(huán)境，仿真100個節(jié)點參與共識，統(tǒng)計兩共識機制在10分鐘內(nèi)的出塊數(shù)，統(tǒng)計結果如圖6所示。

圖6 出塊速度對比

從圖6可以看出，隨著時間的變化，兩共識機制的出快數(shù)都呈增長趨勢。總體而言改進算法的出塊速度要高于POS算法，隨著時間的增長這種優(yōu)勢體現(xiàn)越明顯。

4 結束語

本文提出了一種基于安全多方計算的DPOS的改進方案。在改進機制中，見證人節(jié)點執(zhí)行安全多方計算協(xié)議產(chǎn)生一個抗偏置的隨機數(shù)，從而隨機決定不同節(jié)點的出塊難度值，足夠的隨機性既能夠保證系統(tǒng)對記賬權分配的公平性，又能降低了低計算能力節(jié)點成為記賬節(jié)點的門檻，激勵更多普通節(jié)點參與到網(wǎng)絡維護中來。MPC協(xié)議運行在由見證人組成的獨立網(wǎng)絡中，獨立網(wǎng)絡與主網(wǎng)絡的隔離可以有效減少主網(wǎng)絡中通信流量。在此基礎上，采用尋找符合出塊條件區(qū)塊的方式選出記賬節(jié)點，可以避免記賬人身份透明直接暴露在攻擊者的視野之下，降低了針對記賬節(jié)點DDoS攻擊與腐化攻擊的風險。除此以外，本文從新設計了DPOS的激勵機制，增加對見證人節(jié)點和叔父節(jié)點的獎勵，其中對見證人的獎勵能夠激勵見證人節(jié)點誠實的執(zhí)行MPC協(xié)議，對叔父區(qū)塊的獎勵能促進區(qū)塊鏈在分叉時的歸并同一。改進方案與原DPOS在效率方面有所差距，本著未來的工作，將進一步對協(xié)議的性能優(yōu)化，提高系統(tǒng)的吞吐率。