區塊鏈分片系統的異步共識設計要點探究

摘 要：本文詳細分析了異步共識架構的設計，特別是底層和上層異步共識組的結構和功能。在底層異步共識組設計中，本文提出了一種基于超級節點的選舉模型、有效的超級節點出塊機制和選舉機制，以優化系統性能。在上層異步共識組設計中，本文聚焦于區塊驗證機制的實施和如何有效應對惡意節點的挑戰。最后驗證了異步共識設計在提高系統吞吐量和安全性方面的有效性。采用本文設計方案能夠顯著提升區塊鏈分片系統的效率，并有效應對不同場景下的共識挑戰，從而推動區塊鏈技術在實際中廣泛應用。

關鍵詞：區塊鏈分片；異步共識；超級節點

中圖分類號：TP 309" " " " 文獻標志碼：A

隨著區塊鏈應用范圍拓展，其性能限制和可擴展性問題日益突出。為應對這些挑戰，區塊鏈分片技術應運而生，將其網絡劃分為多個較小、易于管理的片段，各片段可獨立處理交易、運行智能合約。在區塊鏈分片架構中，共識機制的高效實現至關重要。工作量證明、權益證明機制等傳統區塊鏈共識算法存在性能不足、可擴展性低等問題。異步共識機制是一種新興設計理念，能夠允許不同節點在時間上以異步方式達成一致，提升了系統處理能力和響應速度，同時降低了對同步通信的需求，降低了網絡延遲。

1 異步共識架構設計

作為一種去中心化、安全性高的分布式賬本技術，區塊鏈技術被大量用于解決傳統中心化系統中的信任問題[1]。本文引入異步共識機制，可允許不同節點在時間上以異步方式達成一致，提高整體系統處理能力和響應速度，同時降低同步通信需求，降低網絡延遲。在具體實踐中，本文將異步共識架構設計為上、下2層結構，即上層異步共識組（UACG）和底部異步共識組（BACG）。其中，UACG用于驗證并確認來自BACG的分片區塊，其設計需要具備高效區塊驗證機制和惡意節點處理機制，以保障系統安全。BACG涉及超級節點選舉模型、超級節點出塊機制以及選舉機制設計（如圖1所示）。

2 底層異步共識組設計

2.1 超級節點選舉模型

本文引入基于波達計數法的DPoS算法，投票選舉出少數超級節點并產生區塊。這些超級節點代表整個網絡的利益，用于驗證交易并打包區塊。DPoS的設計目標是減少參與區塊生產的節點數量，提高系統的效率和數據吞吐量，同時保持分散的去中心化特性。在該模型框架下，選民按照首選、次選和第三選等順序對候選節點進行排名。每個排名位置給予不同的加權得分，例如首選給予較高的分數，次選給予較低的分數，以此類推[2]。在此基礎上，將所有選民的排名進行加權計算，得到每個候選節點的總得票數，得票數最高的候選人將成為超級節點。完成得票計算后，根據網絡中持幣者的投票行為，得票數會動態變化，需要周期性地重新計算、調整超級節點的選舉結果，以反映當前持幣者的最新偏好和權益分布，其代碼如下所示。

class Delegate：

def __init__（self， name）：

self.name = name

self.votes = 0

def receive_vote（self， amount）：

self.votes += amount

def __repr__（self）：

return f\"Delegate（{self.name}， Votes： {self.votes}）\"

def dpos_election（delegates， voting_weights）：

# Sort delegates by their voting weights in descending order

sorted_delegates = sorted（delegates， key=lambda delegate： delegate.votes， reverse=True）

# Select top delegates as super nodes based on a fixed number or threshold

super_nodes = sorted_delegates[：21]" # Example： Selecting top 21 delegates

return super_nodes

# Example usage：

delegates = [

Delegate（\"Delegate1\"），

Delegate（\"Delegate2\"），

Delegate（\"Delegate3\"），

# Add more delegates as needed

]

# Simulate voting

delegates[0].receive_vote（100）" # Delegate1 receives 100 votes

delegates[1].receive_vote（150）" # Delegate2 receives 150 votes

delegates[2].receive_vote（75）" "# Delegate3 receives 75 votes

# Perform DPoS election

super_nodes = dpos_election（delegates， []）

print（\"Super Nodes：\"）

for node in super_nodes：

print（node）

其中，“init”方法會初始化每個候選節點的名稱和初始得票數為0。“receive_vote”方法模擬接收投票，增加候選節點的得票數。“dpos_election”函數實現了基于波達計數法的選舉算法。“sorted_delegates”可根據得票數對候選節點進行排序，以便選擇得票數最高的節點。“super_nodes”根據排序后的結果，將前面的節點作為超級節點。上述示例將前21個節點作為超級節點。

該代碼創建了若干候選節點delegates，并模擬它們接收不同數量的投票。調用“dpos_election”函數模擬DPoS選舉過程，將得票最高的節點作為超級節點。

2.2 超級節點出塊機制

超級節點在其所屬分片內生成新區塊，包括分片內交易信息和相關狀態更新。超級節點出塊機制涉及多個關鍵實施要點[3]。一方面，超級節點需要維護交易池，接收與管理分片節點提交的交易請求，根據特定策略（例如交易費用或優先級）選擇適宜的交易進行打包。另一方面，超級節點須驗證各交易的合法性與相關狀態，執行預設的共識規則，以保證區塊的有效性，并保障其安全。生成的區塊應盡快廣播至整個網絡，同時，超級節點需要設計有效的同步策略，保證所有分片節點和上層異步共識組能及時獲取最新區塊信息。此外，超級節點還需要采用嚴格的錯誤處理與回滾機制，監測潛在錯誤情況并迅速響應，以維護區塊鏈狀態的一致性，并保障其安全。

2.3 超級節點選舉機制

超級節點是網絡中具有特殊權限和責任的節點，用于處理關鍵任務，例如生成區塊、執行共識算法等。選舉超級節點的過程需要考慮節點的信任度、性能和參與度等因素，以保障網絡的安全性。本文進行了節點資格驗證，通常利用數字簽名或加密證書進行身份驗證，保證參與選舉的節點具有合法身份。并在此基礎上評估節點的計算能力、網絡帶寬等性能指標，保證節點能夠承擔超級節點的責任。在實際的選舉過程中，網絡中的節點可以提名自己或其他節點，將其作為超級節點候選人，其他節點對候選節點進行投票，通常需要達到一定的投票門檻才能成為超級節點。需要注意的是，在選舉過程中，網絡需要保證投票結果的公平性，以防止惡意操縱或攻擊。本文引入波達計數法，根據節點的偏好和投票行為來選擇適合擔任超級節點的節點。假設有n個候選節點，每個節點的排名或偏好列表為Ri=（ri1，ri2，...，rin），rij表示候選節點j在節點i的排名位置（1表示第一位，2表示第二位，以此類推）。候選節點j的總得分Sj可由公式（1）計算得出。

（1）

式中：wij為節點i對排名j的權重。

根據排名位置設定不同的權重系數。一旦選舉成功，超級節點將被授予生成區塊、參與共識決策等特殊權限。本文考慮權力分散安全性問題，設計了輪換機制，定期或者基于特定事件對超級節點進行輪換，即根據網絡性能和節點活動情況，動態調整超級節點的成員，以提高系統的彈性和響應能力。例如對于5個候選節點A、B、C、D和E，每個節點收到的排名情況如下：節點A為（3，4，1，5，2），節點B為（2，5，3，1，4），節點C為（5，3，2，4，1），節點D為（1，2，5，3，4），節點E為（4，1，4，2，5）。

采用等權重wij=n-rij+1，則計算出的每個節點的總得分如下所示。1） 對節點A，SA=（5-3+1）+（5-4+1）+（5-1+1）+（5-5+1）+（5-2+1）=14。2） 對節點B，SB=（5-2+1）+（5-5+1）+（5-3+1）+（5-1+1）+（5-4+1）=18。3） 對節點C，SC=（5-5+1）+（5-3+1）+（5-2+1）+（5-4+1）+（5-1+1）=16。4） 對節點D，SD=（5-1+1）+（5-2+1）+（5-5+1）+（5-3+1）+（5-4+1）=17。5） 對節點E，SE=（5-4+1）+（5-1+1）+（5-4+1）+（5-2+1）+（5-5+1）=11。

上述5個階段中，節點B的總得分最高，因此節點B將成為使用波達計數法選出的超級節點之一。

3 上層異步共識組設計

3.1 區塊驗證機制

本文引入PBFT算法構建上層異步共識框架中的區塊驗證機制。該算法中的節點角色分為客戶端、備份節和主節點。主節點提出區塊并向備份節點廣播提案，備份節點對提案進行驗證與決策。具體實踐中，PBFT算法采用一定的選舉機制來確定哪個節點成為主節點，主節點再生成新的區塊，將含有新交易的區塊作為提案廣播給備份節點。備份節點收到主節點的提案后對提案進行驗證。從微觀層面來看，該過程分為3個關鍵階段。1）預準備階段。備份節點執行預準備階段，檢查提案的數字簽名是否有效，并確認提案中的交易是否符合系統規則，以此來驗證主節點的身份和提案的合法性。2）準備階段。一旦備份節點認可了提案的合法性，隨即向其他備份節點廣播準備消息，代表備份節點已經驗證通過并準備接受該提案。3）準備接收消息。備份節點需要等待來自多數其他備份節點的準備消息[4]。一旦收到足夠數量的準備消息，備份節點即進入準備狀態，準備接受并執行該區塊。

主節點收到大多數備份節點的準備消息后，將提交區塊并廣播提交消息。提交消息通知所有節點，包括備份節點，開始執行該區塊中的交易。主節點廣播提交消息后，所有備份節點執行相同的區塊操作。最終保證整個系統中所有節點執行的交易是一致的。備份節點執行區塊中的所有交易，并更新其本地狀態機。此外，本文還為PBFT算法設計了視圖更改、超時檢測和重新選舉主節點等容錯機制，處理節點故障或遇到的惡意行為，保證系統的可靠性。

3.2 惡意節點處理

在上層異步共識設計中，故意廣播錯誤的提案、拒絕執行合法的區塊或者試圖雙重支付等惡意節點，均會對共識過程造成破壞。針對這一問題，本文設計了一整套針對惡意節點的處理方案。當節點發現當前視圖下無法達成共識或者有惡意行為發生時，以檢測到消息超時或者消息不一致來確定問題存在。一旦檢測到問題，系統會觸發視圖更改機制，選擇新的主節點來提出新的提案、引導共識過程，防止惡意節點長期干擾系統正常運行。如果節點在預期時間內未收到足夠數量的準備消息或提交消息，系統認定主節點或備份節點可能出現問題，并嘗試重新選舉或更改視圖以恢復共識過程。對于由網絡問題或節點故障導致的消息丟失或延遲，系統可以利用重試機制嘗試重新發送消息或者重新執行區塊，保證共識過程的連續性與一致性，其代碼片段為如下所示。

class ConsensusSystem：

def __init__（self）：

self.current_view = 0

self.main_node = None

self.backup_nodes = []

self.timeout_threshold = 10" # Timeout threshold in seconds

def handle_malicious_behavior（self）：

if self.detect_malicious_behavior（）：

self.trigger_view_change（）

def detect_malicious_behavior（self）：

return self.detect_timeout（） or self.detect_inconsistency（）

def detect_timeout（self）：

return self.main_node is None or self.main_node.timeout gt; self.timeout_threshold or any（node.timeout gt; self.timeout_threshold for node in self.backup_nodes）

def detect_inconsistency（self）：

return self.main_node is None or not self.main_node.is_consistent（） or any（not node.is_consistent（） for node in self.backup_nodes）

def trigger_view_change（self）：

self.current_view += 1

self.select_new_main_node（）

def select_new_main_node（self）：

self.main_node = self.backup_nodes.pop（0）

self.backup_nodes.append（self.main_node）

self.recover_consensus（）

def recover_consensus（self）：

if self.detect_malicious_behavior（）：

self.trigger_view_change（）

else：

self.retry_messages（）

def retry_messages（self）：

for node in self.backup_nodes：

node.retry（）

# Usage example

consensus_system = ConsensusSystem（）

consensus_system.handle_malicious_behavior（）

該代碼創建了一個“ConsensusSystem”實例，并設置了主節點和備份節點。調用“handle_malicious_behavior”檢測并處理惡意行為。分別使用“detect_malicious_behavior”檢測是否存在超時或消息不一致；使用“detect_timeout”檢測主節點或備份節點是否超時；使用“detect_inconsistency”檢測消息是否不一致。如果檢測到惡意行為，觸發“trigger_view_change”選擇新的主節點并嘗試恢復共識過程。基于“retry_messages”嘗試重新發送消息或重新執行區塊，以保證共識過程的連續性。

4 結論

高水平區塊鏈分片系統的異步共識設計能夠保障整個系統在分布式環境下的安全，并能保證系統高效運行。本次研究得出以下3個結論。1）在底層異步共識組的設計中，超級節點管理各個分片內的共識過程，因此選舉算法的設計必須綜合考慮節點的信任度、性能指標和網絡條件。在上層異步共識組的設計中，區塊驗證機制可保障系統的安全性，并保證數據的一致性，避免發生雙重支付、無效交易。2）針對可能存在的惡意節點，采用超時檢測、錯誤行為證明和快速視圖更改等策略，對惡意節點進行有效處理，以便迅速處理惡意行為，將其對系統的潛在損害最小化。3）共識模塊的設計能夠保證系統能夠在異步環境下穩定運行。有效的共識模塊能夠實現系統性能、安全性的有效監控，靈活應對動態的網絡條件和節點參與情況的變化，從而使整個分片系統能夠高效、安全運行。

參考文獻

[1]浮宇麗，任亞唯.基于可驗證秘密共享的區塊鏈分片存儲模型[J].計算機工程與設計，2023，44（12）：3536-3544.

[2]王瑞民，吳佳璇，張建輝.基于秘密分割的區塊鏈安全數據共享模型[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2023，35（6）：1145-1153.

[3]徐克圣，謝詔馳.星型區塊鏈架構的TKM分片算法[J].計算機應用研究，2024，41（3）：683-687.

[4]闕琦峰，陳之豪，張召，等.面向分片許可鏈的無協調者跨片交易處理[J].計算機研究與發展，2023，60（11）：2469-2488.