申请/专利权人：贵州数创控股(集团)有限公司

申请日：2022-01-19

公开（公告）日：2024-02-27

公开（公告）号：CN114422513B

主分类号：H04L67/10

分类号：H04L67/10;H04L9/40;H04L9/32

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.27#授权;2024.02.02#专利申请权的转移;2023.12.22#专利申请权的转移;2022.05.20#实质审查的生效;2022.04.29#公开

摘要：本发明涉及一种基于Raft‑PBFT的区块链共识方法，属于区块链技术领域。该方法包括以下步骤：基于K均值算法将区块链网络节点划分为多个子集群；所有子集群主节点与监督节点构成主集群；客户端发送请求消息至主集群节点，重定向至监督节点；监督节点接收客户端请求消息；主集群内基于改进的Raft协议执行第一轮共识协议；若主集群节点达成共识，监督节点发送确认回复消息至客户端，并将回复证书发送至主集群节点；各子集群内基于实用拜占庭容错算法执行第二轮共识；若子集群达成共识，子集群主节点发送确认回复消息至客户端；若客户端收到不少于主集群半数的确认回复消息，客户端请求消息在集群内达成共识，区块链共识流程结束。

主权项：1.一种基于Raft-PBFT的区块链共识方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：基于K均值算法将区块链网络节点划分为多个子集群；S2：所有子集群主节点与监督节点构成主集群；S3：客户端发送请求消息至主集群节点，重定向至监督节点；S4：监督节点接收客户端请求消息，验证客户端请求消息签名及客户端身份是否合法；若消息签名或客户端身份验证未通过，则丢弃该请求消息；若验证通过，转至S5；S5：主集群内基于改进的Raft协议执行第一轮共识协议；S6：若主集群节点未达成共识，请求消息验证失败；S7：若主集群节点达成共识，监督节点发送确认回复消息至客户端，并将回复证书发送至主集群节点；S8：若主集群节点收到回复证书，转至S10；S9：若主集群节点未收到回复证书，则在其子集群内触发视图切换，转至S10；S10：各子集群内基于实用拜占庭容错PBFT算法执行第二轮共识；S11：子集群判断是否达成共识，若是，对应子集群主节点发送确认回复消息至客户端，转至S14；S12：若子集群未达成共识，判断视图切换次数是否大于门限值，若是，该子集群终止共识过程；否则，子集群触发视图切换，更新视图切换次数并执行第二轮共识，转至S11；S13：若子集群达成共识，子集群主节点发送确认回复消息至客户端；S14：若客户端收到不少于主集群半数的确认回复消息，客户端请求消息在集群内达成共识，区块链共识流程结束；所述S1中，令Φ表示区块链网络节点集合，Φ＝{I1，I2，…，In}，其中，In标识第n个区块链网络节点，1≤n≤N，N为区块链网络节点数，基于K均值算法构建区块链子集群过程如下：S11：初始主节点选择：随机选择K个区块链节点作为初始主节点，得到初始主节点集合子集群成员集合S12：主节点与子集群节点关联：定义网络性能为节点能耗与误码率的加权和，令Ψi，k表示子集群节点Ii∈Φcm与主节点关联对应的成本，建模Ψi，k为Ψi，k＝Ei，k+ωδi，k，其中，Ei，k与δi，k分别表示子集群节点Ii发送消息至主节点Ik对应的能耗及误码率，ω表示误码率对应的权重；根据公式Ei，k＝Pi，kti，k建模Ei，k，其中，Pi，k表示子集群节点Ii向主节点Ik传输数据的发射功率，ti，k表示子集群节点Ii向主节点Ik传输数据的时长，根据公式建模ti，k，其中，Si，k表示子集群节点Ii向主节点Ik传输的数据量，Ri，k表示子集群节点Ii向主节点Ik传输数据时对应的传输数据速率，根据公式Ri，k＝Bklog21+γi，k建模Ri，k，其中，Bk表示主节点Ik进行子集群内通信的可用带宽，γi，k表示子集群节点Ii向主节点Ik之间的信噪比，根据公式建模γi，k，其中，hi，k表示子集群节点Ii与主节点Ik之间链路的信道增益，N0表示噪声功率；建模子集群节点Ii与主节点Ik之间链路的误码率为其中，α表示调制阶数；子集群节点Ii基于成本函数优化选择主节点，即若有则子集群节点Ii与主节点关联进行信息传输，令Φk表示第k个子集群的主节点及子集群节点集合；S13：主节点更新：令表示第k个子集群的节点Ii与子集群内其他节点之间进行信息传输的总成本，建模为若则k′为第k个子集群的主节点；S14：重复S12～S13，直至主节点集合以及主节点与子集群节点之间关联关系不再更新；所述S5中，针对拜占庭容错场景，增加对消息的校验，丢弃恶意节点发送的消息；选择监督节点为Raft协议主节点，主集群其它节点为副本节点；改进的Raft共识过程包括预准备阶段、准备阶段及回复阶段；S51：预准备阶段：监督节点向各副本节点广播预准备消息，其中，预准备消息包括消息类型、请求消息、请求消息摘要、请求消息序号、请求消息索引及监督节点对预准备消息的签名，令d表示请求消息M的摘要；S52：准备阶段：副本节点接收主节点广播的预准备消息，对预准备消息进行验证，具体包括验证预准备消息的签名是否正确，d是否为M的摘要，是否已接收过序号为a且摘要不同的请求消息M；若检查未通过，则视为非法请求而丢弃；若通过，副本节点将预准备消息写入本地消息日志，并回复准备消息至监督节点，其中，准备消息包括消息类型、请求消息摘要、请求消息索引、请求消息序号、预准备消息确认标识及副本节点对准备消息的签名，令q为预准备消息确认标识，若副本节点验证通过预准备消息，则q＝true，否则，q＝false；S53：回复阶段：监督节点收到副本节点的准备消息，验证准备消息签名是否正确，准备消息中q是否为true，若验证未通过，则将准备消息视为非法请求进行丢弃；若监督节点收到不少于K+12个合法有效的准备消息，将此打包作为回复证书；所述S10中，共识过程包括预准备阶段、准备阶段、提交阶段及回复阶段：S101：预准备阶段：子集群主节点向各子节点广播预准备消息，其中，预准备消息包括消息类型、请求消息、消息摘要、消息序号、视图编号、消息索引、回复证书及主节点对预准备消息的签名；S102：准备阶段：子节点收到主节点广播的预准备消息，对预准备消息进行验证，具体包括验证预准备消息的签名是否正确，d是否为M的摘要，是否已接收过序号为a且摘要不同的请求消息M，回复证书是否正确；若验证未通过则视为非法请求进行丢弃；若验证通过，子节点将预准备消息写入本地消息日志，子节点广播准备消息，其中，准备消息包括消息类型，请求消息摘要、请求消息索引、请求消息序号、视图编号、回复证书及子节点对准备消息的签名；S103：提交阶段：子节点收到准备消息，对准备消息进行验证，具体包括验证准备消息的签名是否正确，d是否为M的摘要，回复证书是否正确，请求序号是否正确；若验证未通过，则视为非法请求进行丢弃；若验证通过且子节点至少收到2f个合法的准备消息，则执行消息M的操作，并广播确认消息至子集群子节点，其中，确认消息包括消息类型、请求消息摘要、请求消息索引、请求消息序号、视图编号、子节点标识、执行客户端请求结果、回复证书及子节点对确认消息的签名；S104：回复阶段：子节点收到确认消息，对确认消息进行验证，具体包括验证d是否为M的摘要，回复证书是否正确，请求序号是否正确；若验证未通过，则视为非法请求进行丢弃；若验证通过且子节点至少收到2f+1个合法确认消息，并发送回复消息至主节点，其中，回复消息包括消息类型、请求消息时间戳、客户端标识、请求消息索引、请求消息序号、视图编号、子节点标识、执行客户端请求结果、回复证书及子节点对回复消息签名；若主节点收到不少于子集群半数的合法回复消息，将回复消息作为第二轮共识证书。

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