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基于贡献值和难度值的高可靠性区块链共识机制
来源:一起赢论文网     日期:2021-09-02     浏览数:70     【 字体:

 第4 4 卷第1 期2 0 2 1 年1 月计算机学报C H I N E S EJ O UR N A LO FC OM P UT ER SVo l .4 4No .1J a n. 2 0 2 1基于贡献值和难度值的高可靠性区块链共识机制何泾沙15 ’2)张琨15薛瑞昕u朱娜斐u贺鹏2)宋洪宇u杜伟东”甘宇”nC 北京工业大学信息学部北京1 0 0 1 24 )2)( 三峡大学计算机与信息学院湖北宜昌4 4 3 0 02 )摘要基于贡献值证明( PoC ) 的区块链共识机制是面向知识产权保护与交易应用场景提出的一种区块链共识机制, 通过计算节点用户的贡献值, 由贡献值最大的节点获得新区块的记账权. 然而, 由于P〇C 会造成记账节点具有很强的确定性,一旦该节点未能正常完成记账出块, 网络中其它节点将始终保持在挂起等待状态, 系统将陷于停滞状态, 无法继续运行. 为了使P 〇C 区块链共识机制能够适用于公有链应用场景, 本文提出基于贡献值和难度值( P oC+ Po W) 的区块链共识机制, 使选择新区块记账权的节点具备一定的不确定性, 能够有效解决Po C 共识机制中存在的系统运行挂起缺陷. 在P〇C+ P 〇W 共识机制中, 节点在工作量证明( PoW ) 竞争中所对应数学难题的难度值根据节点的贡献值( P〇C ) 进行动态确定, 是一种对单纯基于PoC 共识机制的灾备方案, 以确保系统运行的可靠性. 本文提出的PoC + P oW 方案根据节点的贡献值排名为节点分配相应的P oW 难度值, 节点再通过PoW 共识机制竞争记账权. 引人P〇W 后的共识机制最大程度地尊重PoC 贡献值排名, 使节点的记账出块率与其贡献值成高度正比, 在系统运行层面则保证记账出块率达到或无限趋近1 0 0 % , 有效解决PoC 带来的系统运行挂起问题. 本文从节点贡献值排名、相邻贡献值节点间值差以及分组方式三个角度设计P 〇W 难度值分配算法, 并通过实验验证难度值分配算法的合理性和有效性. 同时, 通过实验与传统PoC 共识机制在记账出块时延方面进行对比分析, 进一步验证了P oC+ PoW 方案的优越性和可行性.关键词区块链; 共识机制; 贡献值; 贡献值证明; 难度值; 工作量证明中图法分类号T P3 1 1DOI 号1 0 . 1 1 8 9 7 /SP . J . 1 0 1 6 .  2 0 2 1 . 0 0 1 6 2AHi g hl yRe l i abl e C o ns en sus Me ch an i smfo rB l ock cha i nB a s edo nC o nt r i but i on an dDi ffi cul t yV al ue sH E J i ng S h a1 ) , 2 )Z H A N G K un1 }X UER ui Xi n1 )Z H UN a Fe i1 )H E Pe n g2 )S O N GH o n gY u1)DUWe i Do ng1)G A N Y u1){ Fa c ultyo f Informa t i on T e c h n ol og y ^ Beiji ng Un i v e rsi ty o fTe c h n ol og y? Beiji ng1 0 0 1 2 4 )2) ( Co l le g e o fCo mpu te ra n d Info rma t io n Te ch n ol o gy ?Ch i n aTh re e Go rg e s Un i v e r si t y ? Yic h a n g ? I lubei 4 4 3 0 0 2 )Abs t ra ctA co n s e n s u sm e cha n i sm f o rb l o ck c h ai nb as e do n p r o o f o f  co n t r i b ut i o n( P o C )i sa ki n do fco n s en s us m e c ha n i smt ha ti s s ui t ab l ef o r th ea p p li c a t i o ns c e na r i o s o fi nt e l l e c t ua lp r o p e r t yp r o t e c t io n a nd t r an s a c t io n.Int h eP o C me ch a ni sm ,t h eco n t r ib ut i o nv al ue s o f u s e rn o d e s ar ec a l c u la t e dp e r i o di c a l l ya n dt h e no d e w i th t h el a r g e s tc o n tr i bu t io nv a l u ew il la s s um e t h e r ight f o rt h e co n s t r uc t i o no f an ew b l o c k .H ow ev e r , th e P o C co ns en s us m e c h an i sm ha s t h e p r o b l e mt h att h e no det h at co n s t r u c t s t h en ew b l o cki nt hec ur r en tr o u n de x hi b it s t h ep r o p e r t yo f s t r o n g收稿日期:20 1 9 l l 2 9; 在线发布日期:2 0 2 0 0 5 1 2 . 本课题得到国家重点研发计划课题( 2 0 1 9 QY ( Y ) 0 6 0 1 ) 资助. 何泾沙, 博士, 教授, 主要研究领域为网络安全、区块链技术、数字取证. E ma i l:_ jh e @bju t. ed u . c n . 张琨, 硕士研究生, 主要研究方向为区块链技术及共识机制.薛瑞昕, 硕士研究生, 主要研究方向为区块链技术与应用、区块链共识机制设计. 朱娜斐( 通信作者) , 博士, 副教授, 主要研究方向为隐私保护、信息安全、区块链技术.E ma il :z n f @ bju t.ed u. c n. 贺鹏( 通信作者) , 博士, 教授, 主要研究领域为基于网络时间同步的传输协议和信息安全. E m ail : h pe ng@ c t gu . e d u . c n . 宋洪宇, 硕士研究生, 主要研究方向为区块链系统与共识机制设计. 杜伟东, 硕士研究生, 主要研究方向为区块链技术. 甘宇, 硕士研究生, 主要研究方向为区块链技术.1 期何泾沙等: 基于贡献值和难度值的高可靠性区块链共识机制1 6 3c e r t a i nt y. I f t h en o de t ha t i s s up p o s ed t o co n s t r u c tt h e n ewb l o c k i nt h e c ur r en t r o u n d f a il st o dos o , a l lt h e o th e r no d e s w i l l r ema i ni n t he  w ai t i ng s t a t e a n d t h e s y s t e mw i l l ha n g a n d e xe cu t i o n c a nn ol o n g e rc o n ti n u e . Tom ak eth e P o C bl o ck ch a inc o n s e n s u sm e c ha n i sma p p li c a b l et o t h ep ub li cch a i ns c en a r i o , th i s p ap e r  p r o p o s e s  an e w co n s e n s u sme ch a ni s m b a s e do n t h ec o nt r i b ut i o n v a l u ea s w e l la s o n t he di f fi c ul t yv a l u e i n t h ep r o o f o f w o r kco n s en s u sm e c h an i sm ( P o C + Po W) . I n t h ePo C + PoWc o n s e ns u sm e c ha n i sm ,s ome  un c e r t ai n t yi sa d de di nt o t h e p r o c e s s  o fd e t e rmi ni n g t h er i gh t f or t h eco n s t r uc ti o no f a n e wb l o ck t oo v e r com et hes ho r t com in g so fth e o r i g i na l Po Cco ns en s us m e c ha n i sm .In P o C+Po W ,t h edi f fi c ul t yv a l ue s o f t h ema t h em a ti c al p r o b l e mt h atp a r t i c i p a ti n g no de s t r yt o s o l v e  i nt h e P oW com p e t i ti o ni sd yn am i c a l l yde t e rmi n e d a c c o r di n g t o t h ePo Cv a l u e s o f t h en o de s . T h ep r o p o s edm e c h an i sm c a nt h us b e v i ew e da s a di s as t e r r e c o v e r ys c h em e fo rt h e Po Cc o ns e ns us me ch a ni sm t oe ns ur e t h er e l i a bi l i t yo f t h es ys t e mo p e r at i o n . T h ep r o p o s e dPo C + P oWc o ns e ns us me ch a ni s m w o u l da l l o c a t ea c o r r e s p o n di n g P oWdi f f ic ul ty v a l u et oa no de a c c o r d in g t o th e  r a n k in g o f t h e co nt r i b ut i o nv a l ue o f t h e n o d e . A l l no de s th e ncom p e t efo r t h e r i g h t fo r bo o kk e e p i n ga nd bl o ck co n s t r uc ti o n t hr o u g ht h e P oW co n s e ns u sme ch a ni s m. T h en ew co ns en s us m e ch a ni sm t ha ti n co r p o r a t e s Po Ww o u l ds til lfu l l y r e s p e c tth e r a nk i n go f t h eco nt r i b ut i o n v a l ue s f r om Po C to  en s ur e t h at t h ep r o b a bi l i t yo f c o n s t ______r u c t i n ga n ew b l o c kb ya n o d ei s hi g h l yp r o p o r ti o na l t o i t s r an k in g a m o n g a l l t he  c o nt r i b ut i o nv a l u e s .A s f a r a s s ys t emo p e r a ti o ni sco n c e r ne d , t he p r o ba bilit yo fb l o ck co ns t r uc ti o nc a nb eg u ar a nt e edt or e a cho r a p p r o ach in fi ni t e l yt o1 0 0 % , w h ich s ho ul de f fe c ti v e lys o l v e th es ys t emh an g i ng p r o b leme xi s ti ng  in Po C b a s eds ys t ems .Th i sp a p e r w i l l p r e s en tt h e de s i g no f a na l g o r it hmf o r t h e a l l o c a t io n o ft h e PoWd iff i cul t yv al u e s f r omth r e ea s p e c t s :th e r an ki ng o ft h ec on t ri b uti o n v a lu e s ,t h edi ff e r e nc eb e tw e ena dj a c e ntco n tr i b uti o nv a l ue s an dth eg r o up i n gm e t ho d ,an dwil lv e r if yth er a ti o na lit yan de f fe c ti v e ne s s o ft he p r o p o s eda l l o c a t io n a l g o r it hmt hr o u g he xp e r im ent . In add it io n ,acom p a ri s o nb e t w e ent h en ew Po C +PoWco n s en s u sm e ch a ni sma ndt he  tr a di ti o na l Po C co ns en s u s me ch a ni smi nt e rms  o ft h e e ff i c ie nc y o fb l oc kco n s t r uc t io n f ur t he r v e r if ie st h e s up e r io r i t y a nd t he  f e as ib i l it yo f th ep r o p o s edPo C +Po Wc o ns ens usme ch ani sm .Keywo rdsb lo ckch a in ; co ns en s us me cha ni sm ; c o nt r ib ut io nv a l ue;Pr o of o f C o nt r ib ut i o n ; di ffi c ult yv a l ue;Pr o o f of W or k点之间建立起了全新的信任机制, 使系统能够在不依赖任何中心化组织的情况下运行, 从而实现系统的自治性和公平性.共识机制是区块链系统的灵魂和法律, 承担着维系区块链系统正常运转的核心功能. 有效的共识机制可提升系统性能、促进区块链技术得到广泛应用[8 ?. 在区块链中, 每一个节点都维护着一部相同的账本, 账本的记账权分配不依赖中心化, 而是根据共识机制决定点与点的交易在时间十分相近情况下规则性的排序. 到目前为止, 已经发展出很多不同类型的区块链共识机制.工作量证明( P r o o f o fWo r k , P oW)[ 1 ° ] 作为已知① 中国保护知识产权网. ______区块链技术在知识产权领域的应用.2 0 1 7.  1 0 . 1 2 . h t tp : / / i p r .m o lc o m. go v . c n / ar t i cle/ g jxw / g fg d /2 0 1 7 1 0 / 1 9 1 1 8 9 7 . h t ml1 引言区块链技术具有去中心化、数据时序、不可篡改、可追溯、集体维护、可编程和安全可信等特点[4].区块链中的数据存储按照时间戳的顺序不断更新,可以使任何记录在内的数据或活动都拥有不可篡改的跟踪记录, 并且无需依赖可信第三方的帮助?. 区块链是比特币[ 5 ] 的底层技术, 是一个集成了密码学、分布式存储、点对点网络[ 6 ] 等技术及共识机制的综合性技术解决方案[ 7 ]. 在比特币区块链中, 每一个节点都维护一部相同的账本, 所有交易都需要对全网进行广播, 并经过节点验证通过后, 方可写人账本.区块链账本因其数据的分布式记录与存储、可追溯、不可篡改等特点具有去中心化的特性, 并在系统节1 6 4 计算机学报 2 0 2 1年的第一个区块链共识机制, 应用于比特币以及以太坊? ?, 来解决谁是大多数的问题. P 〇W 以及根据经济学原理制定的激励机制能够吸引更多的节点参与, 成就了以比特币为代表的加密货币应用迅速发展, 网络规模迅速扩大, 在很大程度上可以实现相对公平. 然而, P o C 共识机制具有高能耗、违背环保理念的缺陷, 矿池概念也会导致算力趋于中心化, 并且随着出块奖励的逐步减少, 矿工挖矿积极性降低, 算力也会大幅下降, 由此导致的比特币网络安全问题令人堪忧[ 1 1 ]. 由于P oW 具有以上的缺陷, 针对加密货币又提出了许多新的共识机制, 其中股权证明机制( Pr o o fo f3 1 & 1^ ^ 〇3 )[ 1 2 ] 通过充分论证与实践被认为具有可行性. P 〇S 共识机制没有挖矿过程, 在创世区块内就写明股权分配比例, 之后通过转让、交易的方式逐渐分散给用户, 可通过发放利息的方式新增货币, 对出块节点进行奖励. P 〇S 共识机制规定拥有币龄越高的节点就拥有越高的记账权. 简单来说,就是用户节点拥有越多的币, 并且拥有币的时间越长, 获得记账权的概率也就越大. 然而, 由于P〇S 共识机制要求每一个节点都参与竞争, 对网络吞吐量要求较高. 加密货币的另一种共识机制, 即授权股权证明( D e l eg a t e dPr o o fo f S ta k e , DP o S )?, 选取少部分节点作为代表进行记账, 可以进一步降低能耗, 并且确认速度更快. 然而, P〇S 共识机制存在着投票积极性低这一明显不足,9 0 % 以上的节点从未参与投票, 并且不能有效阻止破坏性节点, 因此带来网络安全隐患.区块链共识算法经过了不断创新与改进, 从P oW 到P 〇S 再到DP o S , 可以说是共识机制早期发展的一条主线. 这三种共识机制各有优劣, 比如P oW 具有完整的数学证明, 理论上来说最安全, 实现相对简单, 但在能源消耗、出块时间、交易容量方面存在很大不足, P 〇S 则存在安全风险更大、选举节点时网络流量压力很大以及“富者愈富, 贫者愈贫”等问题, 而DPo S 由于缩小了选举节点数量而降低了网络压力, 但却因此带来去中心化程度降低而备受争议[1 3].根据对现有国内外研究背景分析, 数字知识产权保护与区块链技术作为近年逐渐兴起的技术, 应用前景十分广阔、应用价值十分明显. 利用区块链技术去中心化、可追溯、不可篡改等特性可以在知识产权的产出、确权、交易等多个环节进行准确记录. 区块链系统中用户产出知识产权后向系统上传自己的作品. 区块链系统对知识产权进行预先确权后,一旦发生知识产权侵权纠纷, 用户便可以利用存储在区块链中的数据证明对该作品的所有权, 达到维护自身合法权益的目的.在区块链对知识产权对保护方面, 国内外不乏优秀的企业项目案例. 德国初创企业艾斯克瑞博( A s c r i b e ) 在2 0 1 5 年通过利用区块链的时间戳技术, 对知识产权进行时间标记并且为艺术作品乃至其它数字媒介创建可持续所有权结构, 为艺术家提供艺术作品的登记、注册、交易服务?. 2 0 1 6 年, 美国技术公司布洛凯( B l o ck a i ) 进行区块链版权服务运营项目, 通过在区块链上记录永久有效的版权来方便艺术家、摄影师等内容创作者进行作品版权登记、保护艺术创作?.2 0 1 6 年, E l ek s 实验室考虑采用面向作品的方法来使用区块链技术, 它为客户提供了一种安全传输机密文件的方法. 它使用以太坊区块链作为主干, 并使用智能合约?. 2 0 1 7 年8 月, 欧洲著名知识产权咨询公司瓦力( V a l e aA B ) 撰文从设计区块链技术的专利、商标申请数量, 以及区块链对时间戳、产品认证、智能合约、知识产权审查机构五个方面分析了当前区块链技术对知识产权行业的影响?. 我国国内创业团队“ 原本” 是基于区块链技术的版权认证和交易平台. 2 0 1 6 年, 原本将作品和版权信息的加密验证永久记录在区块链上, 为作品提供免费、可靠的版权认证, 对接线下公证处和律所服务, 提供一站式服务.区块链应用与数字化知识产权保护方面也成为近年来的研究热点, 然而国内外的学术研究非常有限. Wa t a na b e 等人[ 1 4 ] 提出利用区块链和智能合约①B u t e r i n V , W i ed er h o l d B ? Ri v a G ?  et al .An e x t ge n e ra t i o ns m a r tc o n tr a c t a n dd e c e n tr ali z edap p li c at i o np latf o r m.2 0 1 5 1 1 1 2 . h tt p s  :  / /g i t h u b.  co m/ et h er eu m/ wi k i / w i k i /W h i t eP aper②W o od G . A fo r m al  s p e c i fi c a ti o n  of E th e r e u m , a p r ogr a mm ab leB l o c k c h ain. 20 1 8 1 1 1 2. h tt p s : / /e t he r eu m. g it h u b . i o /yel l o w paper/ pape r.p d f③B i t s h a re s .Delegat ed pr oo f o f s t a k e,h t t p : / /d o c s ,b i ts  h ar e s ,o rg / b i t s h a r e s / d p o s . h tml④S ta n I I .H o w a s c r i b e u s e s Bi t c o i n  t ec h t o h el p  u n d e r s e r v eda r ti s t s . 2 0 1 7 .h tt p s : / / w w w. c o in de s k , c o m/ as c r i b e b i t c oi nt e c h u n d e r s e r v ed ar t i s t s⑤P e te R .B l o c k ai r a i s e s 5 4 7 k f o r B l o c k c h ai n d i g i t al  r i g h t sp latf o r m.2 0 1 7 .h t tp s : / / ww w. co i n de s k . c o m/ b l o c k a i r a i s es5 4 7 k t 〇r e l a u n c h a s b l o c k c h a i n d i g i t al r i gh ts p l a t f or m⑥E l ek s Lab s .Se c u r e d o c u me n t t r an s f er b u i l t o n t op  ofB l o c k c h a i n t ec h n o l o g i es , h t tp s : / / l a b s , el e k s . c om/ 2 0 1 6 / 1 0 /s e c u r e d o c u me n t t r an sf er b u ilt t o p b l o c k c h ai n t e c h n o l o g i e s .h tm l(7)Vale aAB .B l o c k c h ai nt e c h n o l o g y e xpe c t ed to s t r o ng l yi mp a c t t he I P i n d u s t ry . 2 0 1 7 . h t tp s : / /w w w .lex o l o g y .c o m/l i b r ary / d etai l .a s p x ? g= a l 4 6 1 1 3 5 5 9 8b 4 c 3c 8 1 1 c ^ 7 3 ac 7 0 c3 f 6 7b何泾沙等: 基于贡献值和难度1 期 值 的 高 可靠性区 块链共识机制 1 6 5的概念来扩展区块链的应用领域, 即智能合约达到预设合同条件时被相应执行. K i s h i g a mi 等人[ 1 5 ] 提出了一种用于改变传统数字版权管理模式的基于区块链技术的内容分发系统. 1^![1 6] 提出了一种基于区块链的三层知识产权注册服务平台, 其中底层是区块链网络, 中间层通过区块链共识机制构建知识产权服务逻辑, 顶层是知识产权业务模块. T s a i 等人[1 7] 研究了中国微电影/ 短视频的知识产权保护问题, 借助区块链取存储观看记录、交易等信息, 但主要集中在加密算法与框架说明上, 并未涉及共识机制. Ajay 等人[ 1 8 ] 提出用一个公共的分布式的分类账本代替文书工作的需要, 记录并验证平台内完成的每笔交易, 主要采用基于工作量证明的共识机制确保公共账本的完整性.从以上知识产权结合区块链的企业应用和研究成果来看, 数字化知识产权保护与区块链和共识机制结合的发展仍然存在广阔的空间.首先, 现有的应用于知识产权的区块链共识机制仍然以联盟链形式为主. 应用区块链对数字化知识产权进行保护的形式, 目前多以联合数据保全平台、司法鉴定中心、第三方平台等为主要参与者, 这样的区块链化的知识产权保护系统仍然存在不透明的现象, 兼具中心化特征, 对于数字知识产权的保护仍无法完全摆脱中心化所带来的信任问题[1 9].其次, 现有的主流共识机制在“ 知识产权保护”这一应用场景下的短板也较为突出. 其中, P〇W 要求的高算力造成事实上的不必要资源浪费, 既不环保也不经济, 对知识产权保护无需通过采用P〇W这类高耗能的共识机制来支持. 同时, P〇S 权益证明共识机制虽然能够降低达成共识所需时间, 但仍然需要依赖虚拟货币等资产, 本质上仍需在网络中进行节点挖矿运算, 且无法完全摆脱中心化的风险. 此外, 目前学术研究大多集中在讨论区块链技术在知识产权保护应用中的优势, 缺乏对区块链技术的特性与知识产权应用需求之间的矛盾的分析, 将知识产权保护作为出发点的共识机制屈指可数, 没有与知识产权应用场景形成很好的吻合.再次, 随着区块链技术的发展, 形式单一的“ 发币” 激励机制已不能满足区块链在实际应用场景中的要求. 以加密货币为主的区块链系统设置的激励机制目的是激励用户参与, 通过更多用户参与区块链维护来提高系统的安全性[ 2° ]. 比特币以“ 发币”作为主要激励机制, 通过虚拟货币较高的变现价值吸引了大量的用户参与, 虽然提高了区块链网络的活跃度, 但也间接造成了以“ 挖币” 为目的的恶意算力竞争[ 2 1 ], 背离了区块链技术去中心化的本意与初衷. 而P 〇S 和D Po S 等共识机制对数字货币资产依然有较高的依赖, 无法完全契合“数字化知识产权保护” 的应用场景. 为了设计更加符合实际应用场景的区块链共识机制, 在知识产权保护应用中使用户关注点回归到对自身知识产权作品合法权益进行保护这一根本需求上, 以期引导用户正确、积极地使用区块链, 就需要设计新的结合实际应用场景, 且非“币” 形式的共识机制.针对现有共识机制在“数字知识产权的保护” 应用场景下的不足, 提出了一种基于贡献值证明( Pr o o fo fC o n t r i b ut i o n , P o C )[ 22 ] 的区块链共识机制. 在基于P〇C 的区块链系统中, 每一轮竞争记账权都以参与节点对系统的贡献大小作为确定记账权的依据.系统通过对节点的贡献值大小进行排序, 将本轮的记账权赋给贡献值最大的节点. P〇C 共识机制适用于以公有链形式构建的区块链系统, 是一种非“币”形式而是基于节点贡献值累计与排序作为确定记账权的区块链共识机制. 因此该共识机制不仅可以应用于“数字知识产权保护”的应用场景之中, 而且对于依赖用户( 客户) 实际参与行为以及用各种_______方式贡献而非“币” 制运行的应用系统都适用.然而, 区块链系统中的参与节点通常无法保证持续在线的稳定性, 受节点及网络环境各种因素的影响, 会出现贡献值最大的节点在需要记账时下线或通信不畅等突发情况, 从而导致系统无法继续运转. 大量的实验表明, 基于P 〇C 的区块链共识机制存在这方面的缺陷. 首先, 受各种移动互联网环境因素的影响, 贡献值最大的节点作为记账节点可能会无法正常记账出块, 因此, 需要有一个“ 候补记账节点”的选举方案, 作为一个灾备方案来应对此类情况的发生. 此外, 将贡献值作为区块链系统节点记账的唯一依据, 在一定程度上也不利于鼓励其它节点的积极参与. 在贡献值最大的节点还未能完成记账的情况下, 让贡献值接近的其它节点也有机会获得记账权, 可以在更大范围内体现出共识机制的公平性和节点参与度.以上分析表明需要设计一种新的共识机制或改进现有的P 〇C 机制, 在确保贡献值越大的节点具有越高的记账概率前提下, 能够确保系统在任何情况下都有节点可以记账出块, 作为灾备方案, 解决1 6 6 计算机学报 2 0 2 1年由于节点异常而无法正常记账出块的问题, 提高共识机制的可靠性及可用性. 因此, 针对基于贡献值的区块链共识机制存在的缺陷以及区块链系统应用的实际需求, 本文提出一种基于贡献值和难度值( P 〇C + P 〇W) 的高可靠性区块链共识机制, 根据贡献值排序为区块链网络中的节点分配P 〇W 的难度值, 节点再通过参与Po W 竞争, 最终确定区块链系统节点的记账权, 确保记账出块率达到或无限趋近1 0 0 % , 维持区块链系统的正常运行.本文首先介绍相关工作, 重点是对“______基于贡献值证明” 共识机制的原理、核心理念、关键算法流程、安全性以及其存在的缺陷等方面进行介绍, 奠定本文研究中所提共识机制的背景与基础. 随后, 本文对改进的区块链共识方案的核心设计思想以及所采取的关键技术进行详细的介绍, 重点阐述“引人P 〇W 竞争”、“基于贡献值分组V‘ 难度分配算法” 三方面的技术及在所提共识机制中的必要性和可行性, 并对节点获得共识的过程进行阐述. 本文还针对所提的共识机制进行了两部分实验, 第一部分是从多方面多变量验证算法设计的合理性, 第二部分是与P 〇C进行对比性实验, 验证改进后的共识机制的优越性与可靠性.本文一共分为6 节.第1 节引言对所研究的问题、研究该问题的背景与意义、面临的挑战和针对这些挑战提出的解决思路进行说明;第2 节相关工作对所研究问题的知识基础和近期的国内外相关研究进行阐述与说明;第3 节P〇C + P〇W 核心设计思想对所提共识机制的核心设计思想和流程进行介绍;第4 节Po C + PoW 技术设计与实现介绍Po W竞争、分组算法、难度分配算法以及共识数据计算四个方面的内容;第5 节实验与分析从两个方面进行了实验. 第一部分实验的目的是验证本文方案中提出的难度值分配方式和分组方式的合理性与可行性; 第二部分实验的目的是验证本文所提共识方案的可行性, 将共识方案部署在实际的局域网区块链系统中进行实验, 并与传统的P 〇C 方案进行对比, 验证P 〇C+P 〇W 方案所具有的优势;第6 节为结论与展望, 对全文进行总结, 并对本文所提共识做出更多的思考与展望.2 相关工作2 . 1 基于贡献值证明的共识机制贡_______献值证明机制( P r o o fo f C o n tr i bu t io n , Po C )将节点对系统所的做贡献值( C o nt r i b ut i o nV a l u e )作为决定节点记账权的关键指标, 是一个根据节点贡献大小决定节点获得当前轮记账权的机制. Po C共识机制根据贡献值算法, 将用户对知识产权创作、交易等行为以贡献值的形式进行量化, 其设计思路也适用于可以对用户在系统的行为进行量化的其它区块链应用系统. 该共识机制规定由贡献值最大的节点获得新区块的记账权, 体现出“ 按劳分配、多劳多得” 的价值理念, 激发节点参与区块链维护的积极性, 提高区块链系统的安全性.在基于Po C 的区块链应用中, 每个节点都参与维护一个相同的区块链账本, 账本中的数据是系统中多项可自行计算数据的主要来源. 账本中除了记录节点的各类行为数据, 作为计算节点贡献值的基础, 还记录着系统内节点的列表及其它相关信息.P 〇 C 的设计要求维护一个系统在线节点列表.一个节点? 判断另外一个节点? 的有效初人系统时间( Ef f e c t iv e s t a r tt i m e , E s t ) 的过程如下: 节点?在收到节点w 发送的区块6 时, 首先对块6 的地址信息与区块链账本中的节点列表信息进行比对, 若判断该地址为节点列表中不存在的节点, 则认定节点w 为一个新加人节点. 此时, 区块6 所包含的时间戳信息将作为节点? 的有效初人系统时间. 节点? 将更新本地区块链账本中节点列表, 将节点w 的地址以及有效初人系统时间E s t 记录在其所维护区块链账本中的节点列表中.节点贡献值计算的数据来源主要为节点的区块链账本, 但也可以包含多个方面的数据. 在本文的P〇C 中, 节点的贡献值主要基于三个方面的数据统计: 知识产权数据、知识产权交易数据以及节点在线时长数据. 贡献值的计算可以根据不同的区块链业务场景和需要来丰富数据或增加其它系统设置数据, 如在线时长可以选择持续在线时长或累计在线时长. 设计的贡献值算法得到全网共识, 节点可通过读取区块链账本中数据和其它系统数据来独立计算并得到各个节点当前的贡献值.2 . 2P o C 共识机制核心步骤P o C 共识机制的简要流程分为以下3 个步骤:何径? 參譬痛于袁領値爭难度1 期 眞树高 可擊性区 輿链_班机制 16 7( 1 ) 假设参与贡就值积累周期丁的节点数为IV , 各节点:通过莸取系统中的知识产权注册数据和交易数据零? 行为数据来计算各节点的贲献值:( 2 :3 在周期T 结座时, 节点爱过本轮煑献值积累后拥有相应的贡敵值I 贡就值量髙的节点) 成为本轮的记账节点* 在队, 记.账出块过程中, 其它节点处于等鲁:状翁^^其食書賺翁作I⑶ NA t 完成记账出块后, 系统将其贡献值归零S 所有节点迸人下一轮的贡献值积累窗口, 参与下一轮的记账权竞争, 即,重复以上两个步骤?2 . 3POC 共识机制存在的缺陷由于与贡献值高低存在紧密耦合的关系. P o C共识机制中的记账权本身具有了“ 确定性”( De te rmi n i s t i c) 的特性. 逋过大量针对P oC 共识机制的实验发现,“ 确定性” 这一特性的副作用以一定的概率在移动网絡环境不稳定、节.点动态性高的公有链中复现,一旦获得本轮记账权的节京在记账出块过程中发生非.正當下线、1 岩机而无法E? 常完戚记账出块或#K块信息无法有效两步的情况, 系统内其余节点均无力感知, 只能处于被动等待状态, 将# 致系统运行的长时间挂起. 菌此, 有必赛为P 〇C 共识机制中的节点记账出块设计灾备方案, 此方面的研究存在很大的改进与扩展空间,3Po C + PoW 核心设计思想本文摟出一种结合:贡献值和难度偉<P o C + PqW)的E块链共识机制d丨人Po W 作为P oC 翁识机制的节点记账出块灾备方案, 旨在消除P qC 确定节虡IB账槐中** _ 魔;植” CD at erm i ni s t i e3卷性费乘的可靠性两题.PoW 的引人能够进一步完善PoC 共识机制中节点记账权竟争扒制, 在尊重P oC 中“ 贡献值二圮账权” 强关联的同时. 降低系统在运行过程中无法正常记账出块的概率, 提高区块链系统的可靠性、健壮性与W用性.PoC + PoW 共识机制的主要设计思想如下》贄先s_确保貢_隹_拿讓_ 的, 点具有最'膚猶记账:出块無率f其?欠, 随着节,隹: 貢'献:值排名齡下腺, 节点记账出块概率要胺照某种规律递减. 本文的重点是设计出一个合理的Pa C 寅献值与P oW 难度值之间的映射关系, 即以Po C 贡就值排名作为映射函数的输人变童, 映射涵数的输齿结果既是■ P 〇W 难度值s由此在节点贡献值排名与所分配的哈希値计算难度檀之间建重起一个映射靈系基宁:■献値和难麗值的区块链共识机制巯輕如? 1 所示.1P6C+ PoW 韵区振嫌曲识:机制密程以下对PoC 贡献值到P〇W 难度值的映射函数设计思路进行简要介.绍. . 在经过P oC 共识之后, 各个节点E'经谨得了通过积累所形成的新的贡献值.此时, 系统根据貢献值对节点从高到低进行一个排序^ 再? 用斐波郞契数列对排序砖的节?点进行分组,具体的分親方式是将斐救蒙契:数组中鑛M 个数值的太小设置为区块链系统中第0 个组的节点数. 完成分组后s 组间管点将会分配到有不同个数前蹙零的哈希计算难度值, 称为“宏难度”, 使组与组的节点之间的难度值具有本质差别; 组内节点则根据贡献值排名, 进行难度僮微调, 称为“黴难度”, 使租内节点的难度值之间存在细微差刺. 执行上述分组。和难度值方案后就确定了区块链各个节点的P 〇W 难度值? 然后, 节点根据各_ 的P〇W 难度值迸行挖矿竞争, 确,定此轮的记账与构建区块权.4P o C+ PoW 技术设计与实现4, 1 引入PoW 竞争机制传统Po W 共识机制的本處是确定工惟量证明的难度值.. 与P〇C 相绪合. 则根搪贡献值.排序, 系统给每个节点分配不同的难度值, 然后节点使甩P 〇W竞争机制, 通过完成工作璧而?获得记账权. 在当前轮K 炔构建完成之前, 所有节磊均参智桑争记账权, 都1 6 8 计算机学报 2 0 2 1年有机会获得构建新区块的权利, 因此系统不会出现运行停滞的情况. 而P 〇W 难度值的衡量标准是哈希计算难度值中前置零的个数, 前置零个数越多, 节点通过寻找符合难度值要求的正确答案概率越低,即难度越高.通过引人P 〇W 进行竞争记账权, 在原有P o C机制中的一轮贡献值积累结束时, 根据此时的贡献值给每个节点分配与贡献值成反比例的难度值, 此后所有节点遵循P oW 规则竞争记账权. 此方案在充分尊重P 〇C 中“贡献值排名越靠前, 获得记账权的概率越高” 设计前提下, 打破P o C 共识机制的“确定性"( D e ______t e rmi n i s t i c ) 造成的节点“ 不作为” 窘境, 为确定性记账权增加非确定性( N o n d e t e rmi n i s t i c ) 因素, 贡献值排名靠前的节点拥有更高的获取记账权概率, 贡献值最大的节点自然就拥有最高的概率获取记账权, 但是在记账出块完成之前, 其它节点也有竞争记账权的机会.将P〇W 引人P 〇C 也形成对P 〇C 的一种灾备方案, 如果本轮贡献值最大节点由于不明原因无法正常记账出块, 则本轮贡献值排名第二的节点将有更大机会竞争获得记账权, 以此类推. 因此, 将P〇W竞争机制引人到P 〇C 机制可以有效避免由于记账节点宕机而造成系统运行出现停顿的情况发生. 此外, 根据P 〇W 竞争规则, 贡献值不高的节点也有一定的概率( 虽然较低) 获得记账权, 从而可以在一定程度上提高区块链中节点参与的积极性.4 . 2 基于贡献值的分组算法4 . 2 . 1 难度定义P〇C + P 〇W 共识机制兼具“ 贡献值” 和“ 难度值” 两个记账权量化因素. 在本方案的设计中, 节点参与竞争的哈希计算难度分为“ 宏难度” 和“ 微难度”两个层次.定义1 .“ 宏难度” 描述分组后组内节点所拥有相同层次的难度值, 用于在组与组的节点之间形成难度阶梯, 以传统P 〇W 共识机制难度值中前置零的个数决定难度, 根据分组算法产生的组号决定.定义2 .“ 微难度” 描述分组后在“ 宏难度” 基础上对处于统一组的内节点赋予的难度增量, 用于对组内节点的难度值进行微调, 体现组内节点的贡献值排序.本方案采用的分组策略使组与组之间节点的“ 宏难度” 由难度值的前置零个数决定, 形成难度梯队, 同时组内节点根据贡献值排名进行微调F 

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