技术领域
[0001] 本
发明属于区块链技术领域，具体涉及一种基于AP-PBFT算法的区块链信用机制。
背景技术
[0002] 近些年，区块链技术在许多领域都是研究的热点，尤其是互联网金融领域更是将区块链技术广泛深刻地应用。一切涉及到中心化账本技术的领域都有可能存在区块链的应用前景，可以说区块链是一种既有效率又值得信任的
分布式账本技术。去中心化、不可篡改以及具有较高的安全性是区块链的显著特点。
[0003] 区块链作为一本记录所有交易的分布式公开账簿，区块链网络中的每一个参与者都把其看作是一本最具权威的记录。既然作为公开账本，那么其上的所有历史数据都不可被篡改，只允许在其后继续添加账本数据，并且每个区块链网络中的
节点都有权利向账本中继续写入数据。共识机制是用来选出写入账本数据的一种方法，这一机制确保了所有参与节点的平等，并按某种秩序达成一致意见。拜占庭将军问题是区块链各种共识算法必须要考虑的一个问题。简述该问题：一群将军想要进攻防御能
力极大的拜占庭，想要攻下的必要条件是所有将军必须达成共识，行动一致，并且还要保证行动的正确性。
[0004] 拜占庭容错算法PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题，将算法复杂度由指数级降低至多项式级，使得拜占庭容错算法在实际应用中变得具有可行性。PBFT是一种状态机副本复制算法，每个状态机都保存了服务的状态，同时实现了服务的操作。用R表示所有副本所组成的集合，0至|R|-1中的整数表示每一个副本。所有的副本在一个被称为视图的轮换过程中运作。在每一个视图中，一个副本作为主节点，其他副本作为备份。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是克服
现有技术的不足，提供一种基于AP-PBFT算法的区块链信用机制，可以让PBFT算法网络节点动态化，并对作恶节点设置一套惩戒机制。
[0006] 本发明提供一种基于AP-PBFT算法的区块链信用机制，包括如下步骤，[0007] 步骤S1、在区块链网络中部署选取节点的
智能合约，符合智能合约参选规则的节点成为候选节点，将所有候选节点进行等级制排名，根据排名选出若干个节点加入区块链网络进行分布式记账；
[0008] 步骤S2、成为记账节点后，记账节点之间通过PBFT共识算法产生区块，根据记账节点对网络的贡献轮流成为视图中的主节点，主节点将需要共识的内容打包封装并在网络中广播，其他副本节点收到广播内容后进行共识，经历了REQUEST，PRE-PREPARE、PREPARE和COMMIT阶段后，网络中达成共识的节点数目大于2/3，产生新的区块。
[0009] 步骤S3、对主节点进行分析，并予以奖惩。
[0010] 作为本发明的进一步技术方案，步骤S1中，智能合约的节点通过率设置为大于2/3，智能合约采用信用积分制，将所有被选举节点的初始积分设为0，当被选举节点进行第一次共识时，不作为节点或恶意节点的积分会被降低，积极参与共识的节点，积分会增加。预设一个时间间隔TA，当TA时间到达时，根据积分情况将所有被选举的节点进行排名，积分较低的节点会被重新选举出的节点替换，被替换的节点将被收回记账的权利。
[0011] 进一步的，步骤S2中，客户端对需要共识的内容进行签名，并将共识的内容发送至区块链网络中，区块链网络中任意一个节点接收所需共识的内容，并判断该次交易是否满足转
发条件，若满足，则将该交易缓存在共识队列，在新一轮共识之前，初始化区块链系统，从共识队列中取出优先级最高的交易，从而实现动态选举；对被选举出的节点用数字进行编号，节点集合为G{0，1，2，3，4，……},G中最大能容忍的恶意节点数为n，根据PBFT机制集合大小应大于3n+1；则令|G|＝3n+1。N为集合G中的节点数；每次重新选举后，节点会进行随机重新编号；每次共识过程前选取出议长节点p，则有p＝(h+v)mod|R|；
[0012] 其中，h为该区块的高度，v为视图编号，议长节点p负责整个共识的过程。
[0013] 更进一步的，初始化区块链系统为创建共识对象，共识对象包括将要生成的区块链的高度、时间戳、区块链的哈希头部和打包的交易集合。
[0014] 更进一步的，转发条件为判断该次交易的签名是否正确，检查该节点是否在之前有收到过这笔交易的输入，并确保该交易的发起客户有足够的余额支付此次交易产生的
费用。
[0015] 进一步的，步骤S2中，打包封装的消息格式为σ；其中，Message为该消息格式的消息记号，v为视图编号，blockHeight为区块高度，TXs为参与共识的交易集合，nounce为交易集合的随机数，nounce随着交易次数的增长而增长。
[0016] 进一步的，主节点完成封装后进行签名，向全网进行广播，共识网络中每个副节点接受到消息记号后需要先进行判断，首先，判断blockHeight即区块链高度是否在规定的高度范围内；其次，判断该消息记录的签名是否正确，并且判断该消息视图与该副本节点的视图是否是同一个视图，最后，同样也需要判断该副本节点在此之前是否没有收到过该消息记号；当副本节点判断消息符合标准时，该节点进入PREPARE阶段，在该阶段中，会封装PREPARE消息并进行签名
σ；其中，Prepare为prepare阶段的消息记号；v为视图编号，blockHeigh为区块高度，hash(TXs)为交易集合的哈希值，σ为该消息的签名；封装消息之后Prepare消息记号会向共识网络进行信息广播；进入prepare阶段副本节点同样需要先对该消息进行判断：首先对blockHeight进行判断，判断区块链高度是否在规定的高度范围之内；其次，确认消息签名的正确性，该消息视图是否与副本所在视图为同一视图；最后，确认该副本节点在此之前没有接受过此Prepare消息记号；满足上述的三个条件后，进入commit阶段，网络中的副本节点会发出COMMIT消息；COMMIT的消息格式为：σ；其中，COMMIT为该消息阶段的COMMIT阶段标志；v为视图编号，blockHeight为区块链区块高度，hash(TXs)为交易集合的hash值，σ为该消息的签名；副本节点在收到该COMMIT消息之后仍需进行判断；首先，判断该消息的区块高度blockHeight是否在规定的区块高度范围内；其次，判断消息签名是否正确，该消息的消息视图是否与该副本节点的视图一致；最后，判断，该副本节点在此之前没有收到过COMMIT消息；在符合上述的三个条件后，通过判断条件的COMMIT消息加入COMMIT消息队列，当消息队列中的通过判断的COMMIT消息数量达到2f+1个时，该COMMIT消息最终与共识网络达成一致。
[0017] 进一步的，步骤S3中，若主节点达成共识，则对达成共识的主节点进行奖励；若主节点不作为甚至作恶时，则不能产生区块，对不作为甚至作恶节点进行废除。
[0018] 本发明的有益效果为：
[0019] 1.该区块链信用机制使投票过程更加透明，从共识网络中取出记账节点，通过AP-PBFT算法进行共识，采用积分机制选取节点，可以降低不作为节点和作恶节点的积分，收回其记账权力，并给予惩罚。
[0020] 2.网络中的共识节点进行共识需经历REQUEST，PRE-PREPARE、PREPARE和COMMIT阶段，从而大大减少拜占庭问题出现的概率，增加出块效率，并提升了安全性。
[0021] 3.在共识网络中利用超时重发机制，增加消息的
送达率，提高网络共识效率。
附图说明
[0022] 图1为本发明的节点选举过程示意图；
[0023] 图2为本发明的主节点进行全网广播示意图；
[0024] 图3为本发明的PBFT视图切换过程示意图。
[0025] 图4为本发明的AP-PBFT视图切换过程示意图。
具体实施方式
[0026] 本
实施例提供一种基于AP-PBFT算法的区块链信用机制，包括如下步骤，[0027] 步骤S1、在区块链网络中部署选取节点的智能合约，符合智能合约参选规则的节点成为候选节点，将所有候选节点进行等级制排名，根据排名选出若干个节点加入区块链网络进行分布式记账；
[0028] 步骤S2、成为记账节点后，记账节点之间通过PBFT共识算法产生区块，根据记账节点对网络的贡献轮流成为视图中的主节点，主节点将需要共识的内容打包封装并在网络中广播，其他副本节点收到广播内容后进行共识，经历了REQUEST，PRE-PREPARE、PREPARE和COMMIT阶段后，网络中达成共识的节点数目大于2/3，产生新的区块。
[0029] 步骤S3、对主节点进行分析，并予以奖惩。
[0030] 该机制的实现流程分为三个步骤：记账节点选举、共识流程和视图切换流程。
[0031] 记账节点选举的过程如下：
[0032] 首先需要在区块链网络中部署选取节点的智能合约，该智能合约一旦编码到程序中也具有不可篡改性。网络中的节点参选候选节点，在智能合约中设定好参选规则，符合条件后成为候选节点。考虑到拜占庭节点的存在，因此节点的通过率设置为大于2/3，避免拜占庭节点作恶。
[0033] 在区块链网络中，任何节点都可以参与选举。采用信用积分制，所有被选举的节点初始积分为0。当被选举的节点进行第一次共识时，不作为节点或者是恶意节点的积分会被降低，对网络中积极参与共识的节点，积分会增加。定义一个时间间隔TA，当TA时间到达时，所有被选举的节点的积分情况会进行排名，积分较低的节点会被重新选举出的节点替换。被替换的节点将被收回记账的权利。
[0034] 引入惩罚机制，可以大大提升区块链网络的安全性，因为节点作恶时需要考虑到后续的结果。如图1，展示了节点选举的过程，节点通过率设置为大于2/3,此轮通过节点数为5个。图1中，每个节点中横线以上的数字表示节点编号，横线以下的数字表示该节点的积分。
[0035] 共识流程的具体方法为：
[0036] 客户首先要对需要共识的内容进行签名，并将共识的内容发送至区块链网络中。区块链网络中的任意一个节点收到需要共识的内容后，不会立即将需要共识的内容转发给其他节点，而是需要对共识内容进行判断，判断此次的交易的所有签名是否正确，有最
基础的安全保障；检查该节点是否在之前没有收到过这笔交易的输入；确保该交易的发起客户有足够的余额去支付此次交易产生的费用。只有同时满足上述三个条件，该节点才会将这次交易转发给其他的节点。
[0037] 满足上述的三个条件后，该交易进入缓存共识队列。在进行新一轮共识之前，首先需要对区块链系统进行初始化，包括以下步骤：创建共识对象，包括将要生成的区块链的高度，时间戳，区块链的哈希头部，以及打包的交易集合。
[0038] 缓存队列中的所有交易存在优先级，每次从队列中取出优先级最高的交易，从而实现动态选举。
[0039] 被选举出来的节点用数字进行编号1，2，3，4，……,被选举出来的代表节点集合G{0，1，2，3，4，……},G中最大能容忍的恶意节点数为n，根据PBFT机制集合大小应大于3n+1。一般令|G|＝3n+1。N表示集合G中的节点数。每次重新选举后，节点会进行随机重新编号。每次共识过程前选取出议长节点p，满足p＝(h+v)mod|R|
[0040] h表示该区块的高度，v表示视图编号。议长节点p负责整个共识的过程。
[0041] 节点封装签名的消息格式通常定义为σ。其中Message表示此消息格式的消息记号，v表示视图编号，blockHeight表示区块高度，TXs是参与共识的交易集合，nounce表示交易集合的随机数。nounce随着交易次数的增长而增长。
[0042] 主节点将完成上述格式封装后，进行签名，并向全网进行广播。网络中的每个副本节点在接受到消息记号后同样也需要先进行判断，只有满足下述条件的消息记号才会被副本节点所接受：首先需要判断blockHeight即区块链高度是否在规定的高度范围内；其次，判断该消息记录的签名是否正确，并且判断该消息视图与该副本节点的视图是否是同一个视图。最后，同样也需要判断该副本节点在此之前是否没有收到过该消息记号。主节点向副节点广播过程如图2所示。
[0043] 当副本节点判断消息记号符合标准时，该节点进入PREPARE阶段。在该阶段中，会封装PREPARE消息并进行签名
σ。其中Prepare表示prepare阶段的消息记号。v表示视图编号，blockHeight表示区块高度，hash(TXs)表示交易集合的哈希值，σ是该消息的签名。封装消息之后Prepare消息记号会向共识网络进行信息广播。进入prepare阶段副本节点同样需要先对该消息进行判断：首先对blockHeight进行判断，判断区块链高度是否在规定的高度范围之内；其次，确认消息签名的正确性，该消息视图是否与副本所在视图为同一视图；最后，确认该副本节点在此之前没有接受过此Prepare消息记号。[0044] 满足上述的三个条件后，进入commit阶段，网络中的副本节点会发出COMMIT消息。COMMIT的消息格式为：σ。其中COMMIT表示该消息阶段的COMMIT阶段标志。v表示视图编号，blockHeight表示区块链区块高度，hash(TXs)表示交易集合的hash值，σ是该消息的签名。副本节点在收到该COMMIT消息之后仍需进行判断。首先，判断该消息的区块高度blockHeight是否在规定的区块高度范围内；其次，判断消息签名是否正确，该消息的消息视图是否与该副本节点的视图一致；最后，判断，该副本节点在此之前没有收到过COMMIT消息。
[0045] 在符合上述的三个条件后，通过判断条件的COMMIT消息加入COMMIT消息队列，当消息队列中的通过判断的COMMIT消息数量达到2f+1个时，该COMMIT消息最终与共识网络达成一致。
[0046] 完成上述的Message，Prepare，Commit阶段后，此次共识过程结束。如果在此次共识过程结束后，主节点未在规定时间内完成共识流程，则可认为共识节点不作为甚至作恶，会进行视图切换，进而主节点切换，最终副本节点进入下一轮共识。
[0047] 视图切换流程的具体过程如下：
[0048] 视图切换保证了区块链网络中主节点失效的情况下，仍然保证了区块链系统正常运作，确保了系统的活性。当主节点在规定的时间内没有响应，共识网络就会进行视图切换，避免让副本节点一直无限的等待下去。
[0049] 如图3所示，视图切换过程分为五步，：
[0050] 1.Leader：从区块链网络中的所有节点中选取了一个主节点，新的区块由主节点负责产生；
[0051] 2.Pre-prepare：在pre-prepare阶段中，每个节点都会把客户端发来的交易进行全网广播。主节点0将新的交易进行排序后存入列表，并进行全网广播，如上图所示扩散到节点1，节点2以及节点3；
[0052] 3.Prepare：每个节点在收到交易列表后，会根据排序先对这些交易进行模拟。在所有交易执行完成后，基于交易结果会计算新的区块的哈希
摘要，随后进行全网广播。如上图所示，图中，节点1向节点0，节点2，节点3进行广播，节点2向节点0，节点1，节点3进行广播，以此类推；
[0053] 4.Commit：如果一个节点收到2f个其他节点发来的摘要都与自己的相等，这个节点就会像全网进行广播，发出一条commit消息；
[0054] 5.Reply：如果一个节点收到2f+1条commit消息，即可提交新区块。并且，这个节点交易到本地的区块链和状态
数据库也一并提交。
[0055] 在AP-PBFT区块链算法中，使用计时器的超时机制触发视图变更事件。在引用超时机制的区块链网络中，主节点失效后，系统仍然保证活性。一旦超时，视图变更将被及时触发。在副本节点收到
请求时，会检查超时计时器是否在运行，如果计时器不在运行，由副本节点激发计时器运行。如果计时器超时，将会把视图变更的消息进行全网广播。
[0056] 新的VIEW-CHANGE消息格式为σ。如图4所示，以下围绕PBFT的视图切换流程进行分步阐述：
[0057] 1.如果网络中的多数节点处于不活跃的状态，则进入下一轮共识；
[0058] 2.副本节点创建VIEW-CHANGE消息，并将在共识网络中广播；
[0059] 3.副本网络收到VIEW-CHANGE消息后，会首先判断该消息的签名是否正确，然后判断v的大小，是否比副本节点目前的编号大，如果比目前的编号大则说明在此之前接受过该消息，
[0060] 4.如果view-change中有2f+1个VIEW-CHANGE消息的时候，区块链网络会创建v+1作为该视图的新编号；
[0061] 5.区块链网络中的副本节点收到新的视图编号同样也会先进行判断，判断v+1是否比该副本目前的编号大1。
[0062] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和
说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由
权利要求书及其等效物界定。
