基于贡献值和难度值的高可靠性区块链共识机制

• 作者: 何泾沙 张琨 薛瑞昕 朱娜斐 贺鹏 宋洪宇 杜伟东 甘宇
• 来源期刊: 计算机学报
• 学科: 工学
• 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
• 年，卷（期）: 2021,（1）
• 所属期刊栏目: 区块链
• 页码范围: 162-176
• 页数: 15页
• 分类号: TP311
• 语种: 中文
• DOI: 10.11897/SP.J.1016.2021.00162

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PoC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PoC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(PoC+PoW)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PoC共识机制中存在的系统运行挂起缺陷.在PoC+PoW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(PoC)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+PoW方案根据节点的贡献值排名为节点分配相应的PoW难度值,节点再通过PoW共识机制竞争记账权.引入PoW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100％,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PoW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PoC+PoW方案的优越性和可行性.