具有狀態(tài)合法性驗(yàn)證的區(qū)塊鏈一致性算法研究

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(1.中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心,北京 100190; 2.中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心,北京 100190; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100190)

0 概述

區(qū)塊鏈在不可靠的分布式環(huán)境中維護(hù)了一個(gè)公共的總賬[1],這個(gè)總賬由一系列的匿名參與者來(lái)維護(hù)和擴(kuò)展。近年來(lái),區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)吸引了越來(lái)越多的工程人員、學(xué)者和投資者的注意。伴隨著大量的資本投入[2],區(qū)塊鏈得到了快速部署,已經(jīng)成為了一項(xiàng)公共基礎(chǔ)設(shè)施。

由于區(qū)塊鏈沒(méi)有可信任的中心節(jié)點(diǎn),這使得設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)去中心化的域名系統(tǒng)(Domain Name System,DNS)[3]、公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(Public Key Infrastructure,PKI)和去中心化的文件存儲(chǔ)成為現(xiàn)實(shí)。

現(xiàn)有金融體系中,為了確保安全,當(dāng)涉及大額交易和可疑交易時(shí)通常需要特殊的監(jiān)管和審查[4]。而對(duì)于去中心化的比特幣來(lái)說(shuō),不受監(jiān)管是其能夠流行的部分原因之一,但同時(shí)也會(huì)給大額交易的交易方帶來(lái)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。研究者提出讓國(guó)際貨幣基金組織(International Monetary Fund,IMF)參與到比特幣的運(yùn)營(yíng)中[5],但如何保證監(jiān)管者IMF不成為新的中心,還尚未解決。

對(duì)于去中心化的域名系統(tǒng),當(dāng)域名注冊(cè)存在沖突,即權(quán)威機(jī)構(gòu)和個(gè)人同時(shí)申請(qǐng)一個(gè)權(quán)威域名,權(quán)威域名的歸屬問(wèn)題是由獲得區(qū)塊寫(xiě)入機(jī)會(huì)的單個(gè)節(jié)點(diǎn)決定,單個(gè)節(jié)點(diǎn)一旦出錯(cuò),將導(dǎo)致此權(quán)威域名被個(gè)人注冊(cè)而無(wú)法更改。

去中心化的文件存儲(chǔ)系統(tǒng)中,有版權(quán)問(wèn)題或者不合法規(guī)的資源一旦上傳成功,除了上傳者本身,其他人很難刪除。對(duì)于廣泛運(yùn)行的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(Peer to peer,P2P)網(wǎng)絡(luò)而言[6],通常是在其部署爬蟲(chóng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)檢測(cè)非法資源的路徑,并將其加入黑名單,從而達(dá)到保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的目的。爬蟲(chóng)軟件只能檢測(cè)哪些資源是非法,而無(wú)法阻止資源的上傳,并且引入第三方的檢測(cè)方法,會(huì)帶來(lái)更多的問(wèn)題。

上述基于區(qū)塊鏈的3種應(yīng)用,都需要在不安全的分布式環(huán)境中保持全局一致性。轉(zhuǎn)賬交易的記錄、域名的管理、文件的上傳和更改,對(duì)外都需要保持一致性。每一個(gè)具體的操作,都涉及了狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。上述問(wèn)題的根源在于,區(qū)塊鏈在寫(xiě)入時(shí),只需要提供正確工作量的證明,而不對(duì)其狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行合法性驗(yàn)證。

不安全的分布式環(huán)境中的一致性問(wèn)題稱(chēng)為拜占庭一致性[7]。最初拜占庭一致性問(wèn)題需要指數(shù)級(jí)的算法才能解決,隨后人們提出了多項(xiàng)式級(jí)別的拜占庭協(xié)議[8],極大降低了拜占庭系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo),使其在分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。解決拜占庭一致性的算法大致可分為2類(lèi):中心化算法和去中心化的算法。

去中心化算法能夠解決中心化算法中存在的單點(diǎn)故障,并且能夠容忍更多的故障節(jié)點(diǎn)。區(qū)塊鏈技術(shù)作為去中心化算法的代表,其有效性經(jīng)歷了廣泛的實(shí)踐驗(yàn)證。但去中心化一致性算法存在未考慮到狀態(tài)轉(zhuǎn)換的合法性由誰(shuí)決定的問(wèn)題。區(qū)塊鏈的處理方法是由獲得區(qū)塊寫(xiě)入權(quán)力的單個(gè)節(jié)點(diǎn)決定,這就違背了去中心化的初衷。因此,本文在區(qū)塊鏈協(xié)議上引入了合法性驗(yàn)證的法定人數(shù)投票,由法定人數(shù)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 相關(guān)研究

拜占庭將軍問(wèn)題是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中的基本問(wèn)題,其含義是一些拜占庭將軍率領(lǐng)他們的部隊(duì)要攻占敵人的一個(gè)城池,每個(gè)將軍只能控制自己的部隊(duì),并且通過(guò)信使傳遞消息給其他將軍,將軍之中存在叛徒,如何設(shè)計(jì)一種策略使忠誠(chéng)的將軍達(dá)成一個(gè)不算壞的行動(dòng)協(xié)議而不受叛徒的挑撥。

隨后研究者提出了中心化的拜占庭一致性協(xié)議[9],協(xié)調(diào)者的引入降低了消息傳遞的復(fù)雜度,同時(shí)提高了最好情況下的性能。中心化算法在最好情況下,需要α輪消息交換(α是常數(shù)),但在最壞情況下,則需要α(t+1)輪消息交換[10](t是最大出錯(cuò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù))。中心化一致性協(xié)議中協(xié)調(diào)者的更換通常由超時(shí)條件觸發(fā),因此,協(xié)調(diào)者能夠在不被檢測(cè)到的情況下,故意推遲消息的發(fā)送,降低系統(tǒng)的吞吐[11]。這促使了去中心化一致性算法的發(fā)展。因此,本文研究的重點(diǎn)在于如何使去中心化的區(qū)塊鏈一致性算法具有狀態(tài)合法性驗(yàn)證,并提高系統(tǒng)容錯(cuò)率。

1.1 單節(jié)點(diǎn)合法性驗(yàn)證

兩階段提交協(xié)議[12]是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域內(nèi),為了在進(jìn)行事務(wù)處理過(guò)程中能夠保持原子性和一致性而設(shè)計(jì)的一種算法。兩階段提交將一個(gè)事務(wù)的提交處理過(guò)程分成了投票和執(zhí)行2個(gè)階段,協(xié)調(diào)者向所有的參與者廣播投票請(qǐng)求,當(dāng)協(xié)調(diào)者收到了所有參與者的同意消息后,協(xié)調(diào)者廣播提交請(qǐng)求,當(dāng)協(xié)調(diào)者收到了所有參與者的提交完成消息后,這個(gè)事務(wù)才算是提交成功。兩階段提交的優(yōu)點(diǎn)在于消息傳遞次數(shù)少,實(shí)現(xiàn)方便。其缺點(diǎn)是容錯(cuò)率低,只要有一個(gè)參與者拒絕投票或者提交失敗,整個(gè)事務(wù)無(wú)法完成。此外,兩階段協(xié)議要應(yīng)用在拜占庭環(huán)境中,還需要解決選舉協(xié)調(diào)者和更換協(xié)調(diào)者的問(wèn)題。

本文在兩階段提交基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了選舉和更換協(xié)調(diào)者的策略,使其能夠在區(qū)塊鏈中完成法定人數(shù)的投票確認(rèn)。當(dāng)正常節(jié)點(diǎn)獲得區(qū)塊寫(xiě)入機(jī)會(huì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)投票時(shí),執(zhí)行了類(lèi)似的兩階段提交協(xié)議,區(qū)別在于傳統(tǒng)兩階段的法定集合是所有節(jié)點(diǎn),而本文的法定集合是半數(shù)節(jié)點(diǎn),這提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)率。

1.2 多節(jié)點(diǎn)合法性驗(yàn)證

文獻(xiàn)[13]提出了實(shí)用拜占庭容錯(cuò)協(xié)議(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT),使得拜占庭協(xié)議在分布式系統(tǒng)中應(yīng)用成為可能。PBFT采用了主從模式(Primary and backups)和法定人數(shù)(Quorum),法定人數(shù)為2f+1,其中,f為出錯(cuò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),總結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為3f+1。正常情況下PBFT協(xié)議的運(yùn)行如圖1所示。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)收到客戶(hù)的請(qǐng)求后,向其他的從屬節(jié)點(diǎn)發(fā)送PRE-PREPARE消息,當(dāng)從屬節(jié)點(diǎn)收到PRE-PREPARE消息后,如果其同意,那么向網(wǎng)絡(luò)中的其他從屬節(jié)點(diǎn)廣播PREPARE消息,并收集來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的PREPARE消息,如果收到的PREPARE消息數(shù)目超過(guò)2f,那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了準(zhǔn)備就緒的狀態(tài),然后發(fā)送再次向其他節(jié)點(diǎn)廣播COMMIT消息,并收集來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的COMMIT消息,如果COMMIT消息的數(shù)目超過(guò)2f,那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了提交狀態(tài),開(kāi)始執(zhí)行客戶(hù)發(fā)起的請(qǐng)求,操作完成后,向客戶(hù)回復(fù)REPLY消息。

圖1 正常情況下實(shí)用拜占庭容錯(cuò)協(xié)議運(yùn)行情況

可以看到PBFT協(xié)議最多只能容忍總結(jié)點(diǎn)數(shù)的1/3的出錯(cuò)節(jié)點(diǎn),并且在一次同步過(guò)程中需要兩輪兩兩交互,才能使得非出錯(cuò)節(jié)點(diǎn)達(dá)到一致,數(shù)據(jù)處理量較大。

文獻(xiàn)[14]提出了混合法定人數(shù)(Hybrid Quorum,HQ)來(lái)改進(jìn)PBFT,其運(yùn)行情況如圖2所示。HQ將寫(xiě)入過(guò)程分成了2個(gè)階段,首先客戶(hù)端發(fā)起請(qǐng)求的同時(shí)收集服務(wù)器的狀態(tài)信息,如果有2f+1個(gè)節(jié)點(diǎn)處于相同狀態(tài),并且同意執(zhí)行請(qǐng)求,則客戶(hù)端第2次發(fā)起請(qǐng)求,服務(wù)器開(kāi)始執(zhí)行請(qǐng)求;否則,執(zhí)行PBFT協(xié)議,由主節(jié)點(diǎn)重新安排請(qǐng)求序號(hào)。

圖2 混合法定人數(shù)協(xié)議運(yùn)行情況

HQ協(xié)議并沒(méi)有從根本上改變PBFT的結(jié)構(gòu),由于其對(duì)客戶(hù)端發(fā)送請(qǐng)求沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng),服務(wù)器正常運(yùn)行的情況進(jìn)行了優(yōu)化,使得其性能得到了提升。

PBFT協(xié)議需要兩輪的兩兩交互信息,才能容忍1/3的出錯(cuò)節(jié)點(diǎn),在保證狀態(tài)轉(zhuǎn)換有效的前提下,如何快速將分布式系統(tǒng)從一個(gè)一致性狀態(tài)同步到另一個(gè)一致性狀態(tài),是本文待解決的問(wèn)題。本文提出與PBFT不同的法定人數(shù)(Quorum),即數(shù)目為n/2+1,n為系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),在只需要一輪兩兩交互的情況下,容忍38%的出錯(cuò)節(jié)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)模型

一個(gè)蒙特卡洛一致性協(xié)議[15]需要滿(mǎn)足如下3個(gè)條件:

1)可終結(jié)性,所有的過(guò)程需要在一個(gè)有限時(shí)間內(nèi)做出決定。

2)一致性,所有的過(guò)程最終能夠達(dá)到一致性。

3)輸入的有效性,最終決定的值一定是過(guò)程產(chǎn)生的值。

2.1 消息傳遞過(guò)程

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)被看做n個(gè)獨(dú)立配置的過(guò)程(process),{p1,p2,…,pn}。一個(gè)執(zhí)行過(guò)程可以看做是一系列的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換,π0,s0,π1,s1,…,πi,si,…,從狀態(tài)到可行的轉(zhuǎn)換之間由以下規(guī)則決定:

每一個(gè)轉(zhuǎn)換由一個(gè)單調(diào)遞增的時(shí)間戳,一個(gè)時(shí)間戳稱(chēng)為一輪(round)。每一個(gè)過(guò)程在每一輪中只能執(zhí)行一次compute指令。

匿名的過(guò)程之間通過(guò)broadcast(m)指令來(lái)傳遞消息。每條消息的最大延遲為Δ,如果消息在時(shí)間r廣播,那么每一個(gè)過(guò)程在不超過(guò)r+Δ的時(shí)間里執(zhí)行receive(m)指令。

2.2 合法狀態(tài)轉(zhuǎn)換

計(jì)算模型引入了狀態(tài)合法性驗(yàn)證后,原有的規(guī)則發(fā)生了變化。

2.2.1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換

一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要經(jīng)過(guò)兩階段,從s0轉(zhuǎn)換到s1需要經(jīng)過(guò)中間狀態(tài)π0,當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)布了一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的消息后,收到這個(gè)消息的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始對(duì)這個(gè)轉(zhuǎn)換廣播自己的投票結(jié)果,同時(shí)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始收集消息,如果存在一個(gè)法定人數(shù)(Quorum)集合,里面所有的節(jié)點(diǎn)都同意,則網(wǎng)絡(luò)能夠被轉(zhuǎn)換到狀態(tài)s1。

2.2.2 不確定性

2.2.3 拜占庭錯(cuò)誤

有f個(gè)出錯(cuò)的過(guò)程,這些拜占庭錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)能夠共謀對(duì)其他的正常節(jié)點(diǎn)發(fā)送錯(cuò)誤消息。拜占庭出錯(cuò)過(guò)程反對(duì)正常過(guò)程,正常過(guò)程可能會(huì)贊成拜占庭過(guò)程。正常過(guò)程提出的方案通過(guò)的概率為:

拜占庭錯(cuò)誤過(guò)程提出的方案能通過(guò)的概率為:

2.3 具有狀態(tài)合法性驗(yàn)證的區(qū)塊鏈算法

每一個(gè)過(guò)程在每一輪中執(zhí)行一次compute過(guò)程,oracle過(guò)程將任意的輸入映射到0～1的區(qū)間,verify過(guò)程驗(yàn)證事先給定的CRS,挖礦節(jié)點(diǎn)提供的信息nonce,區(qū)塊的哈希值Prefer三者組合是否滿(mǎn)足規(guī)則。一致性算法如下所示。

procedure oracle(x)

return H(x)

precedure verify(nonce,Prefer)

hash = oracle(CRS || Prefer || nonce)

Initially do

Votes = {}

Prefer = proposed_i

on receive(Votes’,Prefer’) do

If verify(v,Prefer’) and on receive_op(u,op)for all v in Votes’,all u in v and |Votes’| > |Votes| then

Votes = Votes’

Prefer = Prefer’

S = Prefer’ - Prefer

for u in S

broadcast(u,op),op = {0,1}

on receive_op(u,op)

If count(op) >= n/2

return True

else return False

on compute(r) do

nonce = coinflip

for u in Prefer

If on receive_op(u,op)

set u.status = 1

if verify(nonce,Prefer)then

broadcast(Votes || nonce,Prefer)

算法過(guò)程如下:

每一個(gè)節(jié)點(diǎn)Pi同時(shí)執(zhí)行on receive、on receive_op和compute過(guò)程。

on receive過(guò)程當(dāng)收到新的區(qū)塊時(shí),執(zhí)行verify過(guò)程驗(yàn)證每一個(gè)區(qū)塊是否滿(mǎn)足工作量,對(duì)于區(qū)塊中的每一個(gè)待完成的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,執(zhí)行on receive過(guò)程,驗(yàn)證其是否滿(mǎn)足合法性驗(yàn)證。如果上述條件均滿(mǎn)足,并且區(qū)塊長(zhǎng)度大于本地長(zhǎng)度,則將這個(gè)區(qū)塊作為新的區(qū)塊。

對(duì)于新增區(qū)塊中與原有區(qū)塊鏈的差集中的中間狀態(tài),對(duì)其狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行投票廣播。

on receive_op過(guò)程對(duì)收到的投票進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如果超過(guò)半數(shù),就返回成功,否則返回失敗。

on compute過(guò)程執(zhí)行挖礦過(guò)程,首先調(diào)用coinflip過(guò)程得到nonce,對(duì)于收到的待完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換請(qǐng)求,調(diào)用on receive_op過(guò)程,修改其狀態(tài)。隨后調(diào)用verify過(guò)程,如果滿(mǎn)足了正確的工作量證明,則廣播這個(gè)區(qū)塊。

2.4 一致性證明

在n個(gè)process中有f

當(dāng)np>5,n(1-p)>5,使用N(np,np(1-p))擬合Binom(n,p)得到:

區(qū)塊鏈協(xié)議中每個(gè)過(guò)程只會(huì)選擇最長(zhǎng)的鏈,協(xié)議需要保證Blockc-Blockf>0,由正態(tài)分布性質(zhì)得到:

而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布有如下性質(zhì):

prob=P{u-kσ

當(dāng)k=3時(shí),prob=99.73%,當(dāng)k=4時(shí),prob=99.99%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 出錯(cuò)節(jié)點(diǎn)比例上限

假設(shè)正確節(jié)點(diǎn)和出錯(cuò)節(jié)點(diǎn)的提案有很大概率通過(guò),令p≈1/n,根據(jù)公式:

圖3 執(zhí)行輪數(shù)隨出錯(cuò)節(jié)點(diǎn)比例變化曲線(xiàn)

算法需要保證正常節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換率大于出錯(cuò)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換率,這是系統(tǒng)正確達(dá)成最終一致性的必要條件。pc和pf隨出錯(cuò)節(jié)點(diǎn)比例f變化曲線(xiàn)如圖4所示,可以看出,要使得pc>pf,則f<0.41n。

圖4 正確和出錯(cuò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率隨出錯(cuò)節(jié)點(diǎn)比例變化曲線(xiàn)

圖5 執(zhí)行輪數(shù)隨出錯(cuò)節(jié)點(diǎn)比例f(f<0.38n)變化曲線(xiàn)

3.2 贊成概率的選擇

根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn),選取f=0.38n作為合理的出錯(cuò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。根據(jù)之前的公式:

將p′作為自變量,繪制u和v隨其變化的曲線(xiàn),如圖6所示。當(dāng)p′>0.75的時(shí)候,u和v差不多都趨近于1。所以,當(dāng)節(jié)點(diǎn)對(duì)于一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換通過(guò)的概率至少為0.75時(shí),上述算法才能夠有效運(yùn)行。

圖6 正常和出錯(cuò)節(jié)點(diǎn)投票通過(guò)概率隨贊成概率變化曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析具有狀態(tài)合法性驗(yàn)證的拜占庭一致性協(xié)議的研究現(xiàn)狀,介紹多節(jié)點(diǎn)合法性驗(yàn)證的一致性協(xié)議。針對(duì)其存在的總節(jié)點(diǎn)數(shù)1/3的容錯(cuò)上限和2次兩兩信息交換的問(wèn)題,本文提出一種具有狀態(tài)合法性驗(yàn)證的區(qū)塊鏈一致性算法,設(shè)計(jì)新的法定人數(shù)集合,改進(jìn)現(xiàn)有的區(qū)塊鏈協(xié)議。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法使得區(qū)塊鏈一致性算法能夠具備合法性驗(yàn)證,并能解決拜占庭一致性,只使用了一次兩兩信息交換,使容錯(cuò)上限達(dá)到38%。

本文在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、工作量難度和通信延遲給定的假設(shè)下,使用概率模型證明了算法的正確性。下一步工作將研究如何避免這些較強(qiáng)的假設(shè)條件,以提高算法的健壯性。

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