基于DPoS共識機制的改進

夏 棋，譚敏生，朱 濤，丁 琳

(南華大學 計算機學院/軟件學院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

共識機制是區(qū)塊鏈的重要組成部分，它們負責維護區(qū)塊鏈[1]的完整性和安全性，使區(qū)塊鏈在一個互不信任的環(huán)境下各節(jié)點達到一致。DPoS共識機制利用權益持有者投票在平等和民主的基礎上解決共識問題，為了提高性能，對去中心化做出了一定的妥協(xié)，導致了系統(tǒng)活躍度的降低和“弱中心化”的形成。DPoS共識機制采用鏈式存儲結構，導致系統(tǒng)同步出塊，降低了系統(tǒng)吞吐量?；贒AG圖式的分布式賬本[2]是不同于主流區(qū)塊鏈的一種分布式賬本技術，DAG技術給高并發(fā)的交易提供了最具前景的解決方案，把區(qū)塊鏈二維的模式提升到三維，但其安全性和一致性的問題也亟待解決。針對DPoS共識機制的弱中心化，低吞吐量的缺陷，本文提出了一種全民評分選舉、異步出塊的共識機制模型。

1 相關工作

1.1 共識機制

共識機制是區(qū)塊鏈的技術基石，解決了區(qū)塊鏈如何在分布式場景下達成一致性的問題，實現(xiàn)了在非信任的環(huán)境下，傳輸可信信息和轉移有效價值?，F(xiàn)有區(qū)塊鏈[3]系統(tǒng)中的主要共識算法是工作量證明、權益證明和委托權益證明。共識機制[4]可分為單一共識機制和混合共識機制，文獻[5]對共識機制進行全面分析，將共識機制細化為7類，從各共識機制的去中心化、可擴展性、安全性、一致性、可用性、分區(qū)容忍性各方面建立了一套共識算法的評價指標體系[6]。

對共識機制地改進，是區(qū)塊鏈技術研究的重點之一。Li等[7]提出了一種基于公平代表的基于委托的可擴展協(xié)商一致協(xié)議(DSCP)。Lixiang等[8]提出了一種基于信用獎懲的改進投票方法。文獻[7，8]基于權益委托共識機制改進，但從根本上沒有動搖權益在共識機制中的統(tǒng)治地位，權力依然被權益主導。文獻[9]根據(jù)其信任值分為記賬、驗證和傳播節(jié)點，動搖了權益的地位，但仍然采用同步出塊。

DPoS共識機制[10]存在一定的局限性，Chen等[11]提出了一種基于概率語言術語集改進的DPoS共識機制，降低了惡意節(jié)點成為代表的概率，但是投票類型過于單一，不能充分體現(xiàn)一個節(jié)點的被信任程度。文獻[12]提出了一種基于DPoS共識機制改進的一致性算法委托賭注證明算法；文獻[13]采用元啟發(fā)式算法對基于準則權重集的節(jié)點選擇去中心化程度進行優(yōu)化；文獻[14]引入一個新的區(qū)塊擴展方式，系統(tǒng)故障時提升了系統(tǒng)TPS，但系統(tǒng)正常運行時，TPS沒有得到提升。文獻[11-14]采用了同步出塊方式，繼續(xù)延用了原共識機制的記賬方式，系統(tǒng)TPS與原共識機制一致，沒有得到提升，文獻[12-14]采用股民選舉，權力被少數(shù)人享有，中心化程度過高。

1.2 基于DAG的區(qū)塊鏈

文獻[2]從共識形態(tài)出發(fā)將現(xiàn)有基于DAG的分布式賬本分為3類：基于主干鏈的DAG賬本、基于平行鏈的DAG賬本、基于樸素DAG的賬本?；谥鞲涉湹腄AG的特殊區(qū)塊鏈新模型SDAG[15]，該模型使得交易數(shù)據(jù)的一致性和時序性優(yōu)于鏈式結構，但是降低了系統(tǒng)的安全性，無法高效維持賬本的一致性?；谛抛u度的Hashgraph共識算法[16]，設計了節(jié)點的信譽度模型，對節(jié)點的性能等進行綜合評分。Q. Nguyen等[17]去除了信譽度模型，提出基于DAG的無信任系統(tǒng)達成PoS共識。文獻[16，17]中充分利用了DAG異步記賬的優(yōu)點，但是DAG的無序性給系統(tǒng)帶來了威脅，使系統(tǒng)中的賬本無法獲得統(tǒng)一。改進DAG的無序性，提升區(qū)塊鏈的吞吐量成為了一種主流，文獻[18]就提出了一種基于層的DAG結構，合理利用了DAG異步出塊的高效性。

1.3 本文的主要工作

本文研究了DPoS共識機制已有特性及缺點，分析了DAG區(qū)塊鏈結構的優(yōu)缺點，比較了兩種算法之間的特性，優(yōu)化了區(qū)塊鏈的單鏈結構。針對DPoS共識機制已有特性及缺點，摒棄了DPoS共識機制的權益選舉以及同步出塊，提出了一種改進共識機制，即評分權益證明(scored proof of stake，SPoS)共識機制。SPoS共識機制結合了DAG的優(yōu)點，改進了DAG圖式的無序性，采用了偽鏈的結構存儲數(shù)據(jù)。

2 SPoS共識機制

SPoS共識機制是一種基于DPoS改進的共識機制，是一種評分授權的共識機制，將股民參與制改為全民參與制，去除了基于權益運作的方式，使每個合法節(jié)點都有權力參與投票，能夠降低節(jié)點的參與門檻，積極推動節(jié)點的參與。系統(tǒng)節(jié)點分別為普通節(jié)點、候選節(jié)點以及超級節(jié)點。SPoS共識機制中每個普通節(jié)點對候選節(jié)點都有相同的評分權限，通過普通節(jié)點對候選節(jié)點打分，分數(shù)將產(chǎn)生相應的責任連坐，即責任雙方會被任意一方的行為影響，受到相應的獎勵或懲罰，然后計算評選出平均分加增益分高的節(jié)點成為超級節(jié)點。超級節(jié)點在出塊周期內(nèi)異步出塊，并且廣播、收集區(qū)塊，最后將周期內(nèi)所有普通區(qū)塊統(tǒng)計到收束區(qū)塊，周期結束時將系統(tǒng)數(shù)據(jù)達到共識。

SPoS共識機制可以分為4個階段，即為評分、統(tǒng)計、公示和記賬。評分階段，節(jié)點根據(jù)對候選節(jié)點的信任程度評分；統(tǒng)計階段，系統(tǒng)統(tǒng)計和計算候選節(jié)點的信任分；公示階段，候選節(jié)點公示節(jié)點評分以及節(jié)點總分；記賬階段，超級節(jié)點異步出塊達到共識。共識流程如圖1所示。在SPoS共識機制中，引入責任連坐的獎懲機制，該機制貫穿系統(tǒng)的4個階段，在評分階段，對節(jié)點的行為進行責任相關標記，在后續(xù)階段，若責任相關雙方有作惡或誠實行為，將使雙方受到相應的懲罰或者獎勵。

2.1 評 分

SPoS共識機制中，在該階段，每個擁有合法身份的節(jié)點對候選節(jié)點的信任程度進行評分，分數(shù)的高低決定責任連坐的輕重。SPoS共識機制中每個合法節(jié)點都享有相同的評分權，不存在節(jié)點貧富程度帶來的權益差距，不需要代幣股權的支持。在評分過程中，節(jié)點對候選節(jié)點的信任程度進行評分、簽名，產(chǎn)生一個包含了身份與分數(shù)的Token，將Token發(fā)送給候選節(jié)點，并要得到候選節(jié)點的反饋信息。若候選節(jié)點表示接受投票，系統(tǒng)將對雙方責任進行關聯(lián)。SPoS共識機制對比DPoS共識機制將節(jié)省大量的股權證明開具時間，只需要驗證節(jié)點是否為合法節(jié)點。區(qū)塊鏈中合法公民都將享有公民投票評分權力，相對于改進前的DPoS共識機制，SPoS共識機制降低了節(jié)點投票的準入門檻，節(jié)點對候選節(jié)點的評分如算法1所示。

算法1：評分算法

輸入：(Scroe，PrivateKey)

輸出：null

(1)/*對候選節(jié)點評分*/

(2)初始化:Node /*評分節(jié)點*/;

(3)if Node is lawful:

(4)then token←rsa.Encrypt(Score,PrivateKey) /*私鑰加密分數(shù)*/

(5)send token to candidate /*將token發(fā)送給被支持者*/

(6)wait result←callback(candidate)

(7)if result == true: /*判斷投票是否成功*/

(8)then voting success and mark /*投票成功,并且責任相關*/

(9)else:

(10)if candidate is illegal:/*候選節(jié)點非法行為時*/

(11)then decrease candiate weighted/*懲罰候選節(jié)點*/

(12)else:

(13)again voting(candidate)

(14)end if

(15)end if

(16)else://評分節(jié)點非法時

(17)decrease Node weighted//懲罰評分節(jié)點

(18) end if

(19)end

2.2 統(tǒng) 計

評分結束過后，將關閉評分通道，驗證候選節(jié)點的分數(shù)真實性，統(tǒng)計評分階段中選取的候選節(jié)點分數(shù)。在該階段，每個候選節(jié)點都持有其它節(jié)點的Token，依次驗證候選節(jié)點所持有的Token，無效Token將被刪除，并降低無效Token簽名者的權重值。如果公示階段候選節(jié)點仍持有無效的Token，該節(jié)點將被剔除候選節(jié)點隊伍，并根據(jù)責任連坐制度懲罰該候選節(jié)點及其支持者，剩下的可信節(jié)點將進入到下一階段。

經(jīng)過驗證的有效Token，將被統(tǒng)計計算，評選出平均分加增益分高的候選節(jié)點成為超級節(jié)點。平均分采用算術加權平均，該分值能顯示出選民對該節(jié)點的平均信任程度，但是惡意節(jié)點的非法評分，會對節(jié)點分值的可信度產(chǎn)生影響。為了防止惡意節(jié)點的非法行為影響分值的可信度，設計增益分weighted(x)， 增益分是根據(jù)節(jié)點評分達優(yōu)的人數(shù)計算，當某個節(jié)點的評分達優(yōu)人數(shù)過少時，系統(tǒng)認為其可信度低，此時增益分為負值，將降低節(jié)點的可信度。為了防止節(jié)點的支持者過少卻能獲得記賬權的情況，將節(jié)點評分與其權重相乘得到的加權分達優(yōu)的支持人數(shù)換算成相應的增益分，該分數(shù)極大地提升了節(jié)點的可信度。只有節(jié)點評分達優(yōu)的人數(shù)達到一定的數(shù)量，該分數(shù)才會為正值并對其增益，反之對節(jié)點分數(shù)進行降低。增益分的存在減少了惡意節(jié)點行為對系統(tǒng)的影響，增加了節(jié)點分數(shù)的可信度。經(jīng)過驗證的評分將與節(jié)點自身權重weighted加權處理，得出該候選節(jié)點最終的分數(shù)。分數(shù)高的節(jié)點，可以被認為是優(yōu)質的值得被信任的節(jié)點，換算如式(1)所示

(1)

及格線以上總人數(shù)對應的權重如式(2)所示

weighted(x)=MlogmAx

(2)

(3)

式(3)的推導如式(4)～式(6)所示

(4)

(5)

(6)

(7)

式(7)說明weighted(x) 隨人數(shù)的增加，上升越來越平緩，weighted(x) 導函數(shù)如圖2所示。

圖2 weighted(x)導函數(shù)

由圖3所示，人數(shù)的增加對分數(shù)的增益無限，但是人數(shù)的增加對節(jié)點信任分數(shù)的增加會越來越平緩，人數(shù)高達一定值時對信任的增值微乎其微。 weighted(x) 對節(jié)點的分數(shù)有所增益，人數(shù)達不到指定要求反而會降低節(jié)點的可信度，但是人數(shù)過多，人數(shù)增量只能增加越來越少的節(jié)點可信度，該公式表達的人數(shù)增益如圖3所示。

圖3 人數(shù)增益分趨勢

本文基于式(1)提出的新評分算法，能夠準確反應一個節(jié)點的可信度，將Tokens作為算法的參數(shù)輸入，算法將解密、統(tǒng)計Tokens，最后返回基于式(1)換算的候選節(jié)點分數(shù)，具體過程如算法2所示。

算法2：信任程度統(tǒng)計算法

輸入：(Tokens)

輸出：(TotalScore)

(1)/*統(tǒng)計候選節(jié)點的分數(shù)*/

(2)初始化:K /*K為節(jié)點的tokens有效token總數(shù)*/;

(3)var temp /*記錄分數(shù)總值*/

(4)var passedPersonNum /*及格人數(shù)權重*/

(5)for k←1 to K do /*統(tǒng)計所有節(jié)點評分總和*/

(6)do onceScore←decrypt(Tokens[k])

(7)temp += onceScore

(8)if onceScore is passed: /*分數(shù)及格的將被統(tǒng)計到人數(shù)權重中*/

(9)do passedPersonNum ++

(10)end if

(11)end for

(12)score←(temp/Tokens.length+

MlogmA*passedNum)*weighted/*式(1)處理*/

(13)return score

(14)end

2.3 公 示

該階段被選舉出來的候選節(jié)點將持有的所有Token進行公示，以防止惡意節(jié)點選擇性算分，過濾低分，選擇高分，從而增加平均分的權重。評分節(jié)點分為支持者與反對者，根據(jù)評分的大小，與其支持的候選節(jié)點將產(chǎn)生對應的責任。被舉報成功的節(jié)點將失去記賬權，下次共識選舉中降低該候選節(jié)點的權重，并將節(jié)點列為不可信節(jié)點，其評分者也將根據(jù)對節(jié)點的評分大小受到相應的處理，懲罰支持者，獎勵反對者。反之，候選節(jié)點將成為超級節(jié)點，并且在任職期誠實工作，其評分者依然會根據(jù)分數(shù)得到相應的懲罰與獎勵，公示過程具體如算法3所示。

算法3：公示算法

輸入：null

輸出：null

(1)/*公示階段*/

(2)初始化:T, Node /*T為公示期的時長, Node為被公示的節(jié)點*/;

(3)listen←net.Listen()

(4)time.After(T,EndProgram()) /*T時間后, 結束程序。*/

(5)while true:

(6)do connNode←listen.Accept() /*監(jiān)聽節(jié)點的舉報*/

(7)if connNode is doubted:

(8)then if connNode is honesty:

(9)then delete Node /*從候選節(jié)點隊列刪除該候選節(jié)點*/

(10)decrease Node weighted /*懲罰該節(jié)點*/

(11)decrease or reward Node Supporter/*獎勵或者懲罰該節(jié)點的評分節(jié)點*/

(12)else:

(13)decrease connNode weighted /*降低舉報節(jié)點權重*/

(14)end if

(15)end

2.4 記 賬

該階段，每個超級節(jié)點可生產(chǎn)兩種區(qū)塊，分別為普通區(qū)塊與收束區(qū)塊，普通區(qū)塊的作用是存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)，而收束區(qū)塊的作用是將該周期內(nèi)生成的普通區(qū)塊收束為一點。兩種區(qū)塊的結構與DPoS區(qū)塊結構對比見表1。

表1 區(qū)塊結構

針對DPos共識機制的單一隊列出塊，后續(xù)節(jié)點都在期待上一節(jié)點出塊，若節(jié)點宕機無法出塊，后一節(jié)點將處于期待狀態(tài)，超時下才會解除該狀態(tài)，并且使用上一成功出塊節(jié)點結果打包出塊。針對以上缺點，本文提出全隊列出塊，在每個出塊階段，所有超級節(jié)點異步出塊，同時在該階段驗證其它節(jié)點所出區(qū)塊，如果有節(jié)點宕機、超時未出塊，各節(jié)點將統(tǒng)一周期內(nèi)生產(chǎn)的普通區(qū)塊，以達到共識。階段結束時，將生產(chǎn)一個收束區(qū)塊記錄該階段出塊的所有普通區(qū)塊。為滿足異步出塊的形式，本文棄用了區(qū)塊鏈的單鏈結構，采用基于DAG圖式改進的有序偽鏈結構，將DAG的無序狀態(tài)轉換為有序狀態(tài)，能夠延續(xù)單鏈結構安全性的同時兼顧DAG圖式的高吞吐量，區(qū)塊鏈結構如圖4所示。

圖4 SPoS鏈式結構

每個超級節(jié)點同時享有記賬權限，如果節(jié)點宕機，超時未出塊，系統(tǒng)將自動跳過該節(jié)點，對節(jié)點的行為進行評價、記憶，并且在下次選舉過程中懲罰該節(jié)點。SPoS共識機制采用周期制異步出塊，在周期內(nèi)，超級節(jié)點打包、廣播普通區(qū)塊，監(jiān)聽、接收其它超級節(jié)點廣播的普通區(qū)塊，并且統(tǒng)計普通區(qū)塊生成收束區(qū)塊，周期結束時廣播、統(tǒng)一收束區(qū)塊，SPoS共識機制的異步出塊如算法4所示。

算法4：異步出塊算法

輸入：null

輸出：null

(1)/*出塊階段*/

(2)初始化:T/*T為每個出塊周期的時長*/;

(3)var sumBlock /*創(chuàng)建、 初始化收束區(qū)塊*/

(4)time.After(T.BroadcastAndUniteSumBlock()) /*周期結束時廣播、 統(tǒng)一收束區(qū)塊*/

(5)listen←net.Listen()

(6)block←PackAndBroadcastBlock() /*節(jié)點自己生成、 廣播普通區(qū)塊*/

(7)AddTo(block,SumBlock) /*將普通區(qū)塊記錄到收束區(qū)塊*/

(8)while true:

(9)block = listen.Accept()

(10)if block is legal:

(11)then AddTo(block,SumBlock)

(12)else:

(13)FeedbackToSystem(block) /*block不合法時, 向系統(tǒng)舉報該區(qū)塊生產(chǎn)節(jié)點*/

(14)end if

(15)end

3 實驗分析

3.1 實驗環(huán)境

本文實驗在處理器Intel Core i5-4200HCPU@2.80 GH的64位Windows10專業(yè)版與Intel Celeron CPU N3450@1.10 GHz的64位Windows企業(yè)版平臺進行，采用golang語言進行區(qū)塊鏈構建，tcp協(xié)議進行P2P網(wǎng)絡傳輸，RSA加密算法生成密鑰、簽名、驗證數(shù)據(jù)，電腦端口模擬節(jié)點，實驗共模擬100個節(jié)點。

3.2 數(shù)據(jù)分析

(1)去中心化

SPoS共識機制中，每個節(jié)點都不需要提供代幣及股權證明，各節(jié)點享有平等的評分權限。SPoS共識機制比DPoS共識機制門檻更低、權力更平等、去中心化程度更高。DPoS的參與度理論上最高能達到系統(tǒng)擁有股權節(jié)點的百分比，SPoS共識機制的參與度理論能夠達到百分百。與原共識機制相比，本文提出的共識機制中全體合法公民享有更加平等的選舉權，系統(tǒng)更加活躍與去中心化，共識機制性能指標對比見表2。

表2 性能指標對比

(2)資源消耗

DPoS共識機制需要代幣及股權的維持，持股節(jié)點的數(shù)量與代幣交易的總量越多，內(nèi)存的消耗越多，股權證明花費的資源將大幅提升。改進的SPoS共識機制本身是不需要代幣及股權的支撐，SPoS共識機制對比DPoS共識機制將節(jié)省更多的內(nèi)存資源以及查詢時間。SPoS共識機制的參與門檻低，系統(tǒng)節(jié)點活躍的數(shù)量急劇增加，使消耗的網(wǎng)絡資源大幅提升。系統(tǒng)模擬DPoS共識機制30%、40%、50%的節(jié)點擁有股權，分別采用256 bit、512 bit、1024 bit、2048 bit、4096 bit的密鑰進行網(wǎng)絡信息交互，實驗結果如圖5所示，SPoS共識機制網(wǎng)絡資源比DPoS共識機制分別多消耗230%、150%、100%。DPoS共識機制中擁有股權的節(jié)點占比越高，去中心化程度越高，與SPoS共識機制消耗的資源差額越小。

圖5 網(wǎng)絡資源消耗

(3)共識時延

實驗模擬100個節(jié)點，在區(qū)塊高度分別為10 000、5000、2000的SPoS共識機制和DPoS共識機制中共識選舉10個記賬節(jié)點，每個區(qū)塊高度均實驗了多次，最后對實驗數(shù)據(jù)進行求平均值處理。實驗結果表明，不同區(qū)塊高度中SPoS共識機制共識時延不變，區(qū)塊高度5000、2000時，SPoS共識機制的共識時延是高于DPoS共識機制，隨著區(qū)塊高度的增加和交易的產(chǎn)生，SPoS共識機制的共識時延明顯短于DPoS共識機制。隨著系統(tǒng)冗余度的提升，DPoS共識機制開具權益證明的時間越來越長，SPoS共識機制的優(yōu)勢會越來越明顯，數(shù)據(jù)高冗余時，共識時延提升了45%左右，實驗結果如圖6所示。

圖6 共識時延

(4)出塊時間對比

實驗設定10個超級節(jié)點，每個節(jié)點具有相同的出塊周期。DPoS共識機制在每個出塊周期隨機排序出塊隊列，隊列中的節(jié)點依次出塊。SPoS共識機制在出塊周期內(nèi)，超級節(jié)點異步同時出塊。每次實驗都采用相同初始環(huán)境，并且對最終結果進行數(shù)據(jù)處理及分析。實驗結果表明，在每個出塊周期內(nèi)兩種共識機制都能保持穩(wěn)定的吞吐量，SPoS共識機制隊列中超級節(jié)點異步出塊，每個出塊周期都能將區(qū)塊收束到收束區(qū)塊，相對于DPoS共識機制節(jié)省了隊列排序時間與等待其它節(jié)點出塊時間，SPoS共識機制的出塊時間明顯優(yōu)于DPoS共識機制，SPoS共識機制中平均每個區(qū)塊的出塊時間縮短40%左右，實驗數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 出塊時間

(5)容錯性

為比較共識機制容錯性，即區(qū)塊鏈系統(tǒng)部分節(jié)點宕機時單位時間出塊數(shù)量，實驗模擬10個超級節(jié)點，在超級節(jié)點宕機概率保持不同的情況下，比較系統(tǒng)的吞吐量。在實驗中節(jié)點的宕機概率依次提升，每個宕機率進行多次實驗，最后對比節(jié)點出塊時間。實驗結果表明，隨著宕機概率的提升，兩種共識機制的出塊時間成爆炸函數(shù)增長，但SPoS共識機制在系統(tǒng)宕機的情況下明顯比原共識機制更能保持系統(tǒng)吞吐量的穩(wěn)定，而且這種優(yōu)勢會隨著宕機率的提升越來越明顯，實驗結果如圖8所示。

圖8 宕機穩(wěn)定性

4 結束語

為降低DPoS共識機制的中心化和提高系統(tǒng)吞吐量，本文提出了一種高并發(fā)、去中心化的共識機制。本文提出的SPoS共識機制中，合法節(jié)點均享有參與選舉的資格，選舉中根據(jù)節(jié)點身份進行責任連坐，去除了權益的統(tǒng)治地位，提升了系統(tǒng)去中心化，規(guī)范了節(jié)點行為，能夠更好地服務于有身份認證的區(qū)塊鏈系統(tǒng)?；贒AG圖式的偽鏈結構，創(chuàng)新了存儲結構，解決了DAG圖式結構的安全性問題，保證了系統(tǒng)高并發(fā)運行。但是，SPoS共識機制消耗的網(wǎng)絡資源多于DPoS共識機制，對網(wǎng)絡的穩(wěn)定和帶寬有更高的要求。下一步，我們將研究降低該共識機制對網(wǎng)絡資源的消耗，并探索共識機制的實際應用。