授權(quán)股份證明共識(shí)機(jī)制的改進(jìn)方案

付瑤瑤，李盛恩

山東建筑大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，濟(jì)南250100

1 引言

區(qū)塊鏈因比特幣[1]而生，最初作為比特幣的底層技術(shù)解決比特幣系統(tǒng)中各方之間的信任問題。區(qū)塊鏈的本質(zhì)就是一種分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，具有去中心化、不可篡改、可追溯和集體維護(hù)的特點(diǎn)[2]。作為數(shù)字加密貨幣領(lǐng)域的核心支撐技術(shù)，區(qū)塊鏈通過集成P2P協(xié)議、非對(duì)稱加密、共識(shí)機(jī)制、塊鏈結(jié)構(gòu)等多種技術(shù)，解決了數(shù)據(jù)的可信問題。通過應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，可以在互不信任的多方間無(wú)需任何第三方機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可信、對(duì)等的價(jià)值傳輸[3]。區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種普適性的底層框架，其應(yīng)用范圍已經(jīng)超出了數(shù)字貨幣領(lǐng)域的范疇。在醫(yī)療領(lǐng)域，文獻(xiàn)[4-6]針對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)容易發(fā)生隱私泄露及不同醫(yī)療機(jī)構(gòu)間共享醫(yī)療數(shù)據(jù)困難的問題，提出利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)與共享。在數(shù)據(jù)溯源方面，Liang等人[7]將用戶對(duì)數(shù)據(jù)的操作轉(zhuǎn)化成一定格式的源數(shù)據(jù)，將這些源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在區(qū)塊的交易字段中實(shí)現(xiàn)日志的功能。分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中首先面臨的就是如何解決數(shù)據(jù)的分布式一致性問題[8]。區(qū)塊鏈的共識(shí)層中封裝了共識(shí)算法，共識(shí)算法作為區(qū)塊鏈的工作引擎，能夠使系統(tǒng)中的各參與方在沒有中心機(jī)構(gòu)的控制下進(jìn)行大規(guī)模的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式一致性[9]。傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)只需支持崩潰容錯(cuò)，而區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有去中心化的特點(diǎn)，部分節(jié)點(diǎn)可能并不可信，所以算法需要支持更為復(fù)雜的拜占庭容錯(cuò)[10]。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，共識(shí)機(jī)制的研究也成為分布式系統(tǒng)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，相繼出現(xiàn)了多種主流共識(shí)機(jī)制。

2 相關(guān)研究

工作量證明（Proof of Work，PoW）機(jī)制[11]源于Dwork等人對(duì)防范垃圾郵件問題進(jìn)行的研究，比特幣采用PoW 機(jī)制解決了系統(tǒng)中存在女巫攻擊問題[12]。PoW要求礦工貢獻(xiàn)計(jì)算資源求解工作量證明問題（俗稱“挖礦”），最先挖礦成功的礦工將會(huì)獲得區(qū)塊記賬權(quán)及系統(tǒng)發(fā)放的比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。這種機(jī)制的特點(diǎn)是利用節(jié)點(diǎn)算力保證系統(tǒng)安全，并能夠有效避免區(qū)塊鏈分叉問題。但PoW過程會(huì)使部分礦工大量浪費(fèi)算力，并且一些算力低的節(jié)點(diǎn)會(huì)將彼此的算力聯(lián)合組成礦池，礦池算力的擴(kuò)張也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中算力中心化的現(xiàn)象。2012 年，King 等人[13]在點(diǎn)點(diǎn)幣中首次實(shí)現(xiàn)權(quán)益證明（Proof of Stake，PoS）機(jī)制。PoS 中的節(jié)點(diǎn)把持有貨幣的數(shù)量和天數(shù)作為權(quán)益（幣齡）競(jìng)爭(zhēng)區(qū)塊記賬權(quán)，權(quán)益越大越容易獲得記賬權(quán)，一定程度上縮短了共識(shí)達(dá)成的時(shí)間，提高了共識(shí)效率。但是隨著幣齡的累計(jì)，系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行PoS機(jī)制可能導(dǎo)致權(quán)益集中化的現(xiàn)象[14]。比特股（Bitshares）項(xiàng)目采用了股份授權(quán)證明（Delegated Proof of Stake，DPoS）機(jī)制，在這種機(jī)制中，每個(gè)擁有權(quán)益的節(jié)點(diǎn)都作為一個(gè)股東節(jié)點(diǎn)具有投票的權(quán)利，每個(gè)股東節(jié)點(diǎn)將票投給自己認(rèn)為可信的節(jié)點(diǎn)，得票數(shù)最多且愿意成為代表的前N個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入“董事會(huì)”成為授權(quán)代表節(jié)點(diǎn)，代表節(jié)點(diǎn)的職責(zé)是生產(chǎn)區(qū)塊并進(jìn)行區(qū)塊的驗(yàn)證。節(jié)點(diǎn)進(jìn)入“董事會(huì)”之前必須先交納一定數(shù)量的保證金，每一輪選舉結(jié)束之后，這N 個(gè)代表節(jié)點(diǎn)會(huì)輪流生產(chǎn)區(qū)塊，并且區(qū)塊的驗(yàn)證只在代表節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)過生產(chǎn)相對(duì)應(yīng)的區(qū)塊或者惡意篡改區(qū)塊，股東會(huì)收回對(duì)該節(jié)點(diǎn)的投票從而將該節(jié)點(diǎn)“投出”董事會(huì)，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)也面臨保證金被罰的風(fēng)險(xiǎn)[15]。DPoS 機(jī)制可以認(rèn)為是一種“民主集中式”的記賬方式[16]，整個(gè)共識(shí)過程不依靠任何算力，很好地解決PoW 機(jī)制中浪費(fèi)計(jì)算資源和PoS 機(jī)制中可能出現(xiàn)的權(quán)益集中化的現(xiàn)象。這種機(jī)制大幅減少了參與區(qū)塊生成和驗(yàn)證區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)秒級(jí)的共識(shí)驗(yàn)證。

但是目前的DPoS 機(jī)制仍然存在一些缺陷，不少研究者也對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。針對(duì)機(jī)制中股東節(jié)點(diǎn)投票的積極性不高的問題，文獻(xiàn)[17]采用一種投票激勵(lì)方案激勵(lì)股東節(jié)點(diǎn)投票的積極性。在這種方案中，每個(gè)股東節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)代表節(jié)點(diǎn)的信用分?jǐn)?shù)投反對(duì)票，如果一個(gè)信用分?jǐn)?shù)低的節(jié)點(diǎn)在下一輪的選舉中未能成為代表節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)將給予對(duì)該節(jié)點(diǎn)投反對(duì)票的節(jié)點(diǎn)信用系數(shù)獎(jiǎng)勵(lì)。若選民節(jié)點(diǎn)在某輪投票選舉中未進(jìn)行投票操作，則會(huì)扣除一定信用分?jǐn)?shù)。選民節(jié)點(diǎn)通過正確行使投票權(quán)為自己贏得信用分?jǐn)?shù)，增大自身日后成為代表節(jié)點(diǎn)的可能性。但是這種方案并不能很好地解決節(jié)點(diǎn)之間的信任問題，節(jié)點(diǎn)可以通過合理生產(chǎn)區(qū)塊和正確投票兩種方式提高自身的信用分?jǐn)?shù)，因而信用分?jǐn)?shù)高的節(jié)點(diǎn)并不代表該節(jié)點(diǎn)被信任的概率大。EOS 項(xiàng)目為了更好地解決對(duì)代表節(jié)點(diǎn)的監(jiān)督問題對(duì)DPoS 機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)，在改進(jìn)后的機(jī)制中每輪只選出21 位代表節(jié)點(diǎn)[18]。雖然這種方式可以提高出塊速率，但是代表節(jié)點(diǎn)數(shù)量的減少會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中心化程度加強(qiáng)。像PoW 機(jī)制以及PoS 機(jī)制中都是挖礦成功的節(jié)點(diǎn)獲得交易費(fèi)用和系統(tǒng)發(fā)放的貨幣獎(jiǎng)勵(lì)，而其余付出過工作量或者幣齡的節(jié)點(diǎn)一無(wú)所得。而在DPoS機(jī)制中，每次共識(shí)過程結(jié)束，只有“董事會(huì)”中的授權(quán)代表節(jié)點(diǎn)會(huì)獲得獎(jiǎng)勵(lì)，最終會(huì)導(dǎo)致幣的流動(dòng)性大大減少，加劇系統(tǒng)中“窮者越窮，富者越富”的局面。另外，在DPoS 機(jī)制的每次共識(shí)過程中，部分節(jié)點(diǎn)可能會(huì)篡改區(qū)塊信息、持續(xù)生成無(wú)效區(qū)塊等其他作惡行為，由此會(huì)給系統(tǒng)的安全性造成一定的威脅。

因此，本文針對(duì)以上DPoS 機(jī)制中存在的問題提出了一種該機(jī)制的改進(jìn)方案，改進(jìn)后的機(jī)制能夠很好地解決以上問題并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

3 改進(jìn)方案

3.1 獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制

獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制是為解決節(jié)點(diǎn)投票積極性不高而采取的一種方案。在DPoS 機(jī)制中，普通節(jié)點(diǎn)投票時(shí)需要耗費(fèi)時(shí)間精力等，而且一個(gè)節(jié)點(diǎn)投票與否對(duì)自身來說沒有任何的影響。改進(jìn)后的方案中加入了獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，每次投票選出N 個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)出塊，并獲得一定的獎(jiǎng)勵(lì)，而這其中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的投票者本身也會(huì)從中獲得一定的回報(bào)。具體來說，每一次共識(shí)過程結(jié)束之后，成功生產(chǎn)區(qū)塊的某個(gè)代表節(jié)點(diǎn)要將獲得的獎(jiǎng)勵(lì)按照相應(yīng)的比例分給為它投票的所有節(jié)點(diǎn)。

3.1.1 獎(jiǎng)勵(lì)分配方案

DPoS機(jī)制中的每個(gè)擁有數(shù)字貨幣的節(jié)點(diǎn)都具有投票的權(quán)利，且投票時(shí)遵循“一幣一票”的原則。舉個(gè)例子，假設(shè)Alice 擁有100 個(gè)幣，那么她每票就擁有100 單位的票權(quán)，Bob擁有50個(gè)幣，那么他每票就擁有50單位的票權(quán)。假設(shè)Alice 和Bob 同時(shí)投票給了節(jié)點(diǎn)候選人John，那么John獲得的票數(shù)就為150票。

獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制規(guī)定每次代表節(jié)點(diǎn)成功出塊所得的收益由它本身和為它投票的節(jié)點(diǎn)共享，通常會(huì)按照投票節(jié)點(diǎn)的票權(quán)占比分配它們各自的收益，因此票權(quán)占比大的節(jié)點(diǎn)（大節(jié)點(diǎn)）所得的收益相對(duì)會(huì)多一些。文獻(xiàn)[19]提出了如何計(jì)算PoS 機(jī)制中每個(gè)參與區(qū)塊生成的節(jié)點(diǎn)的收益，算法的主要思想是將所有參與區(qū)塊生成的節(jié)點(diǎn)看作一個(gè)聯(lián)盟博弈（N 代表局中人集合，v 稱為價(jià)值函數(shù)）[20]，中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)i 稱為局中人，聯(lián)盟博弈中要解決的關(guān)鍵問題就是如何分配每個(gè)局中人的權(quán)益。中每個(gè)局中人所得的收益稱為沙普利值，記為。記節(jié)點(diǎn)Ni在一次共識(shí)過程結(jié)束后所得的收益為E，則每個(gè)局中人i 所得的收益為：

在這種收益分配算法中，大節(jié)點(diǎn)（票權(quán)占比大的節(jié)點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的沙普利值不一定與它們的票權(quán)占比成正比。比如，當(dāng)大節(jié)點(diǎn)的票權(quán)占比不變而小節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)增加時(shí)，小節(jié)點(diǎn)所得的總體收益會(huì)增加，大節(jié)點(diǎn)的總體收益會(huì)減少。這種分配算法旨在通過增加小節(jié)點(diǎn)的收益改善系統(tǒng)中貧富不均的現(xiàn)狀，但算法未能考慮大節(jié)點(diǎn)會(huì)有分散投票權(quán)（比如一個(gè)節(jié)點(diǎn)有1 000 個(gè)幣，將這1 000 個(gè)幣分成10份分別投給不同的節(jié)點(diǎn)）的行為，大節(jié)點(diǎn)可以通過分散投票權(quán)將自身的幣投給多個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣大節(jié)點(diǎn)就變成了多個(gè)( )N,v 中的小節(jié)點(diǎn)，以此增加大節(jié)點(diǎn)自身的總體收益。因此，算法有必要限制節(jié)點(diǎn)的投票次數(shù)，防止一個(gè)投票者通過向多個(gè)節(jié)點(diǎn)投票獲得更大的收益。同時(shí)考慮到系統(tǒng)運(yùn)行DPoS機(jī)制時(shí)每經(jīng)過一個(gè)時(shí)間間隔（目前為1天）代表節(jié)點(diǎn)的名單會(huì)被更新一次，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)起投票時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)投票的時(shí)間也是不一樣的。為了給積極投票的節(jié)點(diǎn)更多的獎(jiǎng)勵(lì)（即如果節(jié)點(diǎn)能夠保持時(shí)時(shí)在線，及時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)發(fā)起的投票任務(wù)，則會(huì)獲得較多的收益），可以在收益分配算法中加入時(shí)間因素，節(jié)點(diǎn)投票的時(shí)間與系統(tǒng)發(fā)起投票日期的時(shí)間間隔越小，節(jié)點(diǎn)所得的收益就越多。因此，對(duì)于系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)來說，要獲得收益不僅要向其他節(jié)點(diǎn)投票，還應(yīng)該在系統(tǒng)發(fā)起投票指令后及時(shí)投票，這樣才有可能獲得較多的收益。

本文在文獻(xiàn)[19]中的收益分配算法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的算法規(guī)定每個(gè)投票者只能對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行投票，并在計(jì)算節(jié)點(diǎn)沙普利值后又加入了時(shí)間因素對(duì)節(jié)點(diǎn)所得收益進(jìn)行再分配，改進(jìn)后的收益分配算法如算法1所示。

3.1.2 合理性分析

在獎(jiǎng)勵(lì)分配方案中，每個(gè)投票者所得的最終收益不僅取決于它們?cè)谡麄€(gè)聯(lián)盟博弈中的沙普利值，還取決于它們投票的時(shí)間與系統(tǒng)發(fā)起投票日期的時(shí)間間隔。假設(shè)系統(tǒng)中存在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)a 和b，且兩節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的沙普利值均為1/3，按計(jì)算沙普利值的方式兩節(jié)點(diǎn)所得的收益都為33%。如果a 節(jié)點(diǎn)與發(fā)起投票的時(shí)間間隔Ta=1，b 節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔Tb=6，根據(jù)算法a 節(jié)點(diǎn)所得最終收益仍然為33%，而b 節(jié)點(diǎn)的最終收益僅為33%×1/6≈5.5%。由此，可以看出雖然兩節(jié)點(diǎn)在( )N,v 中的沙普利值相同，但a 節(jié)點(diǎn)的投票時(shí)間要早于b 節(jié)點(diǎn)，所以a節(jié)點(diǎn)的最終收益要高于b 節(jié)點(diǎn)。因此，節(jié)點(diǎn)要想獲得較多的收益，應(yīng)該保持時(shí)時(shí)在線，及時(shí)進(jìn)行投票。

3.1.3 懲罰措施

針對(duì)成功出塊的代表節(jié)點(diǎn)沒有遵守協(xié)議獨(dú)吞收益的情況，系統(tǒng)可以設(shè)置懲罰措施約束代表節(jié)點(diǎn)的行為。區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)只有在代表節(jié)點(diǎn)成功生成塊時(shí)提供，因此投票者有責(zé)任跟蹤他們支持的代表節(jié)點(diǎn)的行為。假設(shè)在一次共識(shí)過程中由代表節(jié)點(diǎn)Ni負(fù)責(zé)生成區(qū)塊，當(dāng)Ni成功生成區(qū)塊并得到相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)后并沒有將獎(jiǎng)勵(lì)分配給它的支持者，那么投票給Ni的節(jié)點(diǎn)將收回它們的選票。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到一個(gè)代表節(jié)點(diǎn)的選票被它的大多數(shù)支持者收回時(shí)，就會(huì)認(rèn)定此節(jié)點(diǎn)做出了違反系統(tǒng)規(guī)定的行為，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)將該節(jié)點(diǎn)的保證金沒收，以此來表示對(duì)該節(jié)點(diǎn)的懲罰。一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)成為代表節(jié)點(diǎn)時(shí)需要繳納的保證金的金額相當(dāng)于生產(chǎn)一個(gè)區(qū)塊收入的100倍，因此如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)做出獨(dú)吞收益的行為，它將損失一筆數(shù)量不小的財(cái)產(chǎn)，對(duì)該節(jié)點(diǎn)來說得不償失。獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制流程如圖1所示。

圖1 獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制流程圖

3.2 信用機(jī)制

在DPoS 機(jī)制的選舉過程中，系統(tǒng)不希望出現(xiàn)過作惡行為的節(jié)點(diǎn)再次成為授權(quán)代表節(jié)點(diǎn)。因此，為了降低惡意節(jié)點(diǎn)成為代表節(jié)點(diǎn)的概率，系統(tǒng)有必要對(duì)代表節(jié)點(diǎn)的行為進(jìn)行打分，根據(jù)它們的行為給予相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)高的節(jié)點(diǎn)被信任的概率就越大，在下一輪選舉中往往占有一定優(yōu)勢(shì)。

3.2.1 信譽(yù)值

在DPoS 機(jī)制中，每輪投票結(jié)束后，成功當(dāng)選“董事會(huì)”成員的節(jié)點(diǎn)擁有驗(yàn)證并生產(chǎn)區(qū)塊的權(quán)利。系統(tǒng)開始會(huì)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配100分的信譽(yù)值。傳統(tǒng)DPoS機(jī)制中每個(gè)周期內(nèi)一個(gè)代表節(jié)點(diǎn)只生產(chǎn)一個(gè)新區(qū)塊，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)成功生產(chǎn)出一個(gè)區(qū)塊并且經(jīng)其他節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證此區(qū)塊確實(shí)有效，系統(tǒng)會(huì)給予此節(jié)點(diǎn)10分的信譽(yù)值獎(jiǎng)勵(lì)；并且信譽(yù)值會(huì)在以后隨著節(jié)點(diǎn)的行為逐漸累加，閾值為200分。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)存在作惡行為、未在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)生產(chǎn)出有效的區(qū)塊時(shí)，此節(jié)點(diǎn)會(huì)被扣掉10分。

3.2.2 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)

根據(jù)節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值的大小，本文會(huì)給每個(gè)節(jié)點(diǎn)添加一個(gè)狀態(tài)標(biāo)識(shí)，并設(shè)置三種不同的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)都與它們的信譽(yù)值相關(guān)：

normal：代表信譽(yù)值在區(qū)間[100，150]內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，此狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)未當(dāng)選過代表節(jié)點(diǎn)或在共識(shí)過程中表現(xiàn)一般；

good：代表信譽(yù)值在區(qū)間（150，200]內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，此狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)在共識(shí)過程中表現(xiàn)良好，無(wú)作惡行為出現(xiàn)。

bad：代表信譽(yù)值小于100分的節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)在共識(shí)過程中表現(xiàn)不佳，有作惡或其他不良行為出現(xiàn)；

3.2.3 信譽(yù)值重置

為了避免出現(xiàn)由于某些節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值累計(jì)過高導(dǎo)致投票結(jié)果趨于中心化的現(xiàn)象，信用機(jī)制中增加了重置信譽(yù)值的功能。DPoS 機(jī)制中得票數(shù)最多的前N個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)輪流生產(chǎn)區(qū)塊，當(dāng)一個(gè)周期結(jié)束之后，系統(tǒng)又會(huì)重新選舉代表節(jié)點(diǎn)。每輪選舉開始時(shí)，節(jié)點(diǎn)都會(huì)保留它們當(dāng)前的信譽(yù)值，只有當(dāng)每個(gè)周期結(jié)束之后，節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)值才會(huì)發(fā)生變化。信譽(yù)值重置是針對(duì)good狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)而言的，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)值最高可以為200分，當(dāng)一個(gè)狀態(tài)為good 的節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)值達(dá)到200 分時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)將該節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)值重置為100分（為了讓其他狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)有更多的機(jī)會(huì)生產(chǎn)區(qū)塊及在一定程度上縮小貧富差距，綜合考慮，重置為100分最合適）。

3.2.4 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變更

狀態(tài)變更指的是代表節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變化，主要與節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的區(qū)塊數(shù)量及有效性相關(guān)。開始系統(tǒng)內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)均處于normal狀態(tài)，當(dāng)代表節(jié)點(diǎn)多次產(chǎn)生有效區(qū)塊并且產(chǎn)生區(qū)塊的次數(shù)大于累計(jì)值（累計(jì)值是一個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變更的常量）時(shí)可升級(jí)為good狀態(tài)，處于good狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)有較高的信譽(yù)值，在以后的競(jìng)爭(zhēng)選舉中處于一定優(yōu)勢(shì)；當(dāng)處于good 狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)有產(chǎn)生無(wú)效區(qū)塊的記錄或信譽(yù)值達(dá)到閾值時(shí)，該節(jié)點(diǎn)可能又變?yōu)閚ormal 狀態(tài)；而good狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生無(wú)效區(qū)塊的次數(shù)超過累計(jì)值時(shí)，該節(jié)點(diǎn)可能被降級(jí)為bad 狀態(tài)，bad 狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)只有產(chǎn)生有效區(qū)塊才可能升級(jí)為normal 狀態(tài)。代表節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

在DPOS中加入信用機(jī)制后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志，這樣在每一輪的投票選舉過程中投票節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)其他節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)選擇自身信任的節(jié)點(diǎn)，因此節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)可以看作是節(jié)點(diǎn)的一個(gè)標(biāo)記。Good狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)說明在多次共識(shí)過程中都能產(chǎn)生有效區(qū)塊，其他節(jié)點(diǎn)出于對(duì)系統(tǒng)安全性的考慮，在投票時(shí)會(huì)優(yōu)先考慮這些節(jié)點(diǎn)，因此信譽(yù)值越高的節(jié)點(diǎn)在每輪選舉過程中往往占有一部分優(yōu)勢(shì)，再次被選為代表節(jié)點(diǎn)的可能性較大。整個(gè)信用機(jī)制的流程圖如圖3所示。

3.3 投票結(jié)果的優(yōu)化

投票結(jié)果統(tǒng)計(jì)是選舉代表節(jié)點(diǎn)的最后一個(gè)流程，合理的計(jì)票方式能夠提升選舉結(jié)果的公平性及系統(tǒng)的安全性。本文針對(duì)DPOS機(jī)制的改進(jìn)方案提出了一種新的投票結(jié)果的計(jì)算方式，某節(jié)點(diǎn)最終得票數(shù)的計(jì)算公式如下：

總得票數(shù)=α×支持票+β×信譽(yù)值 （2）

圖3 信用機(jī)制流程圖

在這種計(jì)算方式中引入了兩個(gè)參數(shù)α和β(α+β=1)，節(jié)點(diǎn)處于不同狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的的α和β的值是不同的，所以α和β能夠在一定程度上影響節(jié)點(diǎn)的最終票數(shù)。本文引入信用機(jī)制的目的是降低惡意節(jié)點(diǎn)成為代表節(jié)點(diǎn)的概率，因此系統(tǒng)必須保證信譽(yù)值高的節(jié)點(diǎn)成為代表節(jié)點(diǎn)需要的票數(shù)比信譽(yù)值低的節(jié)點(diǎn)需要的票數(shù)要少。基于這種原則，本文為三種狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的α和β設(shè)置了不同的值。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于normal狀態(tài)時(shí)，α和β的值都置為0.5；對(duì)good狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)來說，它們的信譽(yù)值較高，成為代表節(jié)點(diǎn)需要的票數(shù)要少，所以β的值理論上要大于0.5，α的值要小于0.5；而bad狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)成為代表節(jié)點(diǎn)需要的票數(shù)最多，所以α的值要大于0.5，而β的值要小于0.5。對(duì)處于同一狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)來說，它們的信譽(yù)值相差無(wú)幾，得票數(shù)多的節(jié)點(diǎn)成為代表節(jié)點(diǎn)的概率大；對(duì)處于不同狀態(tài)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，信譽(yù)值越高的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的β的值越大，這也就意味著信譽(yù)值低的節(jié)點(diǎn)要成為代表節(jié)點(diǎn)需要更多的票數(shù)。因此，這種新的投票結(jié)果的計(jì)算方式保證了選舉結(jié)果的公平性，從而能夠提升系統(tǒng)的安全性。信用機(jī)制的具體算法如算法2所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

基于提出的DPOS機(jī)制的改進(jìn)方案，本文在配置為Intel i5-3320M CPU 2.60 GHz處理器，8 GB內(nèi)存，64位的Ubuntu 18.04 系統(tǒng)下，在以太坊客戶端Geth 上搭建測(cè)試用的本地區(qū)塊鏈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 投票節(jié)點(diǎn)所得收益的合理性驗(yàn)證

假設(shè)對(duì)某一代表節(jié)點(diǎn)進(jìn)行投票的a節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的沙普利值為1/3，即不考慮時(shí)間因素的情況下a節(jié)點(diǎn)可獲得33%的收益。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)定的投票周期為1天（即24小時(shí)）時(shí)，分析a節(jié)點(diǎn)與發(fā)起投票的時(shí)間間隔逐漸增大的情況下，a節(jié)點(diǎn)最終所得收益的情況。

從圖4中可以看出，當(dāng)a節(jié)點(diǎn)與發(fā)起投票的時(shí)間間隔從1增大到24的過程中，a節(jié)點(diǎn)所得的收益由33%下降到不足1.5%。這說明當(dāng)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的沙普利值不變的情況下，利用算法對(duì)收益再分配時(shí)投票時(shí)間越早的節(jié)點(diǎn)所得的收益就越高，反之就越低。

圖4 a 節(jié)點(diǎn)收益情況

4.2 投票結(jié)果計(jì)算方式的合理性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證在新的投票結(jié)果的計(jì)算方式中，對(duì)于不同狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)來說，在獲得的投票數(shù)相同的情況下，信譽(yù)值低的節(jié)點(diǎn)要成為代表節(jié)點(diǎn)需要更多的票數(shù)，本文實(shí)驗(yàn)方案中選擇了三個(gè)信譽(yù)值不同的節(jié)點(diǎn)：a節(jié)點(diǎn)（信譽(yù)值為80分）、b節(jié)點(diǎn)（信譽(yù)值為125分）和c節(jié)點(diǎn)（信譽(yù)值為175分），分析這三個(gè)節(jié)點(diǎn)在得票數(shù)相同的情況下按投票結(jié)果計(jì)算方式所得的總得票數(shù)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 各節(jié)點(diǎn)得票數(shù)情況

由節(jié)點(diǎn)總得票數(shù)的對(duì)比圖可知，三種節(jié)點(diǎn)在得票數(shù)相同的情況下，c節(jié)點(diǎn)的總得票數(shù)明顯要高于b節(jié)點(diǎn)和a節(jié)點(diǎn)，這說明信譽(yù)值低的節(jié)點(diǎn)只有比信譽(yù)值高的節(jié)點(diǎn)獲得更多的票數(shù)才有可能成為代表節(jié)點(diǎn)；另外，當(dāng)投票數(shù)超過200 后，a節(jié)點(diǎn)的總得票數(shù)很可能高于b節(jié)點(diǎn)。因此，為了降低信譽(yù)值低的節(jié)點(diǎn)成為代表節(jié)點(diǎn)的概率，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整α和β的值以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 本文方案與其他現(xiàn)有DPOS方案對(duì)比

5.1 本文改進(jìn)方案的優(yōu)勢(shì)

EOS項(xiàng)目在傳統(tǒng)DPOS機(jī)制上進(jìn)行了改進(jìn)，將代表節(jié)點(diǎn)的數(shù)量由101個(gè)減為21個(gè)，并且在共識(shí)過程中采用代表節(jié)點(diǎn)連續(xù)出塊的方式提高區(qū)塊的產(chǎn)成速率。雖然這種方式可在一定程度上縮短交易的確認(rèn)時(shí)間，但仍未解決傳統(tǒng)DPOS機(jī)制中存在的問題。文獻(xiàn)[17]采用基于信用的獎(jiǎng)懲方案解決節(jié)點(diǎn)投票積極性不高的問題，節(jié)點(diǎn)可以通過投反對(duì)票的方式獲取更多的信用分?jǐn)?shù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)兩次投票的時(shí)間間隔超過T時(shí)，信用分?jǐn)?shù)就會(huì)降低。在這種改進(jìn)方案中，節(jié)點(diǎn)會(huì)通過投票的方式為自己贏得更多的信用分?jǐn)?shù)，雖然信用分?jǐn)?shù)高的節(jié)點(diǎn)被選為代表節(jié)點(diǎn)的可能性大，但是節(jié)點(diǎn)的信用分?jǐn)?shù)高并不代表被信任的概率大，而且對(duì)于那些作惡的節(jié)點(diǎn)并沒有相應(yīng)的懲罰措施。

本文提出的改進(jìn)方案中通過信用機(jī)制為節(jié)點(diǎn)設(shè)置了狀態(tài)和信譽(yù)值，系統(tǒng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)在共識(shí)過程中的表現(xiàn)增加/減少它們的信譽(yù)值，信譽(yù)值的高低代表了不同的狀態(tài)。good 狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)說明它在共識(shí)過程中幾乎無(wú)作惡行為，被信任的可能性較大；而bad 狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)說明它在共識(shí)過程中有大量作惡行為，被信任的概率小。節(jié)點(diǎn)在投票時(shí)可根據(jù)其他節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)判斷它們是否能被信任，從而可降低惡意節(jié)點(diǎn)成為代表節(jié)點(diǎn)的可能性。為提高投票節(jié)點(diǎn)的積極性，獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制采用為投票節(jié)點(diǎn)分配收益的方式而非給予它們相應(yīng)的信用分?jǐn)?shù)。獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制規(guī)定代表節(jié)點(diǎn)的收益要與為它投票的節(jié)點(diǎn)共享，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都帶有一個(gè)狀態(tài)，投票的節(jié)點(diǎn)為了盡可能的獲得收益，在投票時(shí)更傾向于投給good狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，可在一定程度上保證系統(tǒng)的安全性。

5.2 投票節(jié)點(diǎn)所得收益的分配方式比較

由于每個(gè)投票節(jié)點(diǎn)手中的權(quán)益是不一樣的，因此它們?yōu)橥粋€(gè)代表節(jié)點(diǎn)投票后的票權(quán)占比也是不同的。按照每個(gè)投票節(jié)點(diǎn)的票權(quán)占比分配收益的方式看似是一種合理的分配策略，但實(shí)際上會(huì)讓系統(tǒng)中權(quán)益越多的節(jié)點(diǎn)越有錢，加劇貧富差距。本文實(shí)驗(yàn)主要分析在時(shí)間間隔T固定的情況下（為了簡(jiǎn)單起見，可以令T=1），系統(tǒng)中存在兩個(gè)大節(jié)點(diǎn)（每個(gè)大節(jié)點(diǎn)擁有1/3 的票權(quán)且只能投票一次）時(shí)，隨著小節(jié)點(diǎn)的數(shù)目逐漸增多，按沙普利值再分配和按票權(quán)占比再分配兩種方式中小節(jié)點(diǎn)所得收益的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看出，在小節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)相同的情況下，考慮時(shí)間因素進(jìn)行收益再分配時(shí)，小節(jié)點(diǎn)按沙普利值再分配所得的收益都要高于按票權(quán)占比再分配得到的收益。這說明當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間間隔T都相同時(shí)，改進(jìn)的分配算法能夠讓小節(jié)點(diǎn)獲得較多的收益，這將有利于小節(jié)點(diǎn)的健康發(fā)展和縮小大小節(jié)點(diǎn)之間的貧富差距。

圖6 小節(jié)點(diǎn)最終收益情況

5.3 與優(yōu)化投票結(jié)果統(tǒng)計(jì)方案比較

文獻(xiàn)[17]為降低惡意節(jié)點(diǎn)成為代表節(jié)點(diǎn)的可能性，提出了一種優(yōu)化投票結(jié)果的統(tǒng)計(jì)方案，具體計(jì)算公式為：

式中，A的值可根據(jù)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行設(shè)定，B、C的值是常量，通常取B和C的值是0.5。

為了將本文提出的對(duì)投票結(jié)果的優(yōu)化方案與文獻(xiàn)[17]中的方案進(jìn)行對(duì)比，分析在考慮評(píng)分的情況下惡意節(jié)點(diǎn)成功被投票為代表節(jié)點(diǎn)的概率，本實(shí)驗(yàn)在Geth搭建了一條測(cè)試鏈gttc，設(shè)置了20 個(gè)賬戶，并以go語(yǔ)言的方式將改進(jìn)的DPOS 方案添加進(jìn)Geth的創(chuàng)世文件genesis.j son中。由于文獻(xiàn)[17]中的投票節(jié)點(diǎn)可以投反對(duì)票，因此為gttc上的每個(gè)賬戶也都設(shè)置了投反對(duì)票的功能。當(dāng)gttc啟動(dòng)的時(shí)候，會(huì)從創(chuàng)世文件中讀取相關(guān)配置，系統(tǒng)將按照改進(jìn)的共識(shí)機(jī)制進(jìn)行投票、生成區(qū)塊。第一輪投票結(jié)束后各節(jié)點(diǎn)所得票數(shù)情況如表1所示。

表1 投票結(jié)果

開始所有節(jié)點(diǎn)都是處于同一狀態(tài)，所以可直接根據(jù)投票結(jié)果選出得票數(shù)最多的前4 個(gè)節(jié)點(diǎn)作為代表節(jié)點(diǎn)進(jìn)行第一輪的區(qū)塊生成及共識(shí)過程，并令賬戶名為“0x30d……51571”的節(jié)點(diǎn)在共識(shí)過程中產(chǎn)生無(wú)效區(qū)塊，則共識(shí)過程結(jié)束后此節(jié)點(diǎn)變?yōu)閎ad狀態(tài)，其他節(jié)點(diǎn)仍為normal狀態(tài)。將bad狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)命名為B節(jié)點(diǎn)，并以第一輪共識(shí)過程結(jié)束后各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)為基礎(chǔ)再次投票，重復(fù)進(jìn)行50 次實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)B節(jié)點(diǎn)在兩種投票結(jié)果計(jì)算方式中的得票數(shù)情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制出B節(jié)點(diǎn)在兩種方案中的票數(shù)排名對(duì)比折線圖，如圖7所示（方案1是本文提出的投票結(jié)果的優(yōu)化方案，方案2 是文獻(xiàn)[17]中的方案）。

圖7 B 節(jié)點(diǎn)所得票數(shù)的排名情況

從B節(jié)點(diǎn)在50 次實(shí)驗(yàn)中的票數(shù)排名情況可以看出，大約30 次實(shí)驗(yàn)之后B節(jié)點(diǎn)在兩種方案中的排名情況逐漸穩(wěn)定（方案1 中排名17 左右，方案2 中排名11 左右），但從對(duì)比情況可得出總體上B節(jié)點(diǎn)在方案2 的票數(shù)排名要比方案1 中的排名靠后。這說明本文提出的方案能夠顯著降低B節(jié)點(diǎn)成為代表節(jié)點(diǎn)的可能性，從而為系統(tǒng)的安全性提供了一定的保障。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)DPOS共識(shí)機(jī)制的特點(diǎn)進(jìn)行分析，針對(duì)其中存在的節(jié)點(diǎn)投票積極性不高及如何降低惡意節(jié)點(diǎn)成為代表節(jié)點(diǎn)的概率問題，提出了一種基于獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制和信用機(jī)制的改進(jìn)方案。獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制中規(guī)定投票節(jié)點(diǎn)也會(huì)獲得相應(yīng)的收益，并采用計(jì)算節(jié)點(diǎn)沙普利值的方式分配各自的收益，由此普通節(jié)點(diǎn)的投票積極性會(huì)提高并縮小了節(jié)點(diǎn)之間的貧富差距。信用機(jī)制為節(jié)點(diǎn)設(shè)置了信譽(yù)值和狀態(tài)，提出了一種將信譽(yù)值考慮在內(nèi)的投票結(jié)果的計(jì)算方式。新的投票結(jié)果的計(jì)算方式能夠使信譽(yù)值高的節(jié)點(diǎn)獲得極少的票數(shù)便可成為代表節(jié)點(diǎn)，而信譽(yù)值低的節(jié)點(diǎn)要成為代表節(jié)點(diǎn)需要更多的票數(shù)，從而能夠提高系統(tǒng)的安全性。改進(jìn)后的方案通過在以太坊平臺(tái)上搭建測(cè)試鏈的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，未來的工作將在共識(shí)機(jī)制的吞吐量及共識(shí)時(shí)延等方面進(jìn)行探索，尋求共識(shí)機(jī)制更廣的應(yīng)用領(lǐng)域。