[发明专利]一种用öztürk低延时模平方算法提高区块链吞吐量的方法

说明书

本发明要解决的技术问题是：算法在8位机上最多能够实现1016比特整数的模平方运算，无法实现区块链所要求的更大规模的模平方运算。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种用低延时模平方算法提高区块链吞吐量的方法。本发明扩展了算法在8位机上的处理能力，使其能够满足区块链领导者选举对模平方运算的要求。通过使用8位超导集成电路运行扩展后的算法，可以加快VDF的运算，减少达成共识的时间，提高区块链的吞吐量。

技术领域

本发明涉及一种用低延时模平方算法提高区块链吞吐量的方法。

背景技术

在区块链共识协议中，领导者选取(Leader Election)常被用于决定出块权和出块奖励的归属，一度采用工作量证明机制(PoW)。由于PoW需要消耗大量计算资源并造成环境污染，区块链共识协议中的领导者选举正在由PoW方案过渡到空间证明(PoSpace)和可验证延迟函数(VDF)相结合的新方案。使用新方案的区块链节能环保，但仍面临着吞吐量这一性能瓶颈。为了提高吞吐量，加快VDF的计算速度是亟待解决的问题。

可验证延迟函数(VDF)是一种计算过程无法并行，且计算结果可以被快速验证的函数。基于模指数运算的VDF是目前使用最广泛的构造。该VDF构造的核心是模指数运算在M的素因子分解不可知的情况下，该运算只能通过T次串行的模平方运算实现，不能并行。因此，构造高效的低延时模平方算法是加快此类VDF运算的关键。

Montgomery算法是目前最常用的模平方算法之一，但是它需要大量额外的预处理和后处理开销。Barrett算法在计算单个模平方运算时效率较高，在处理多个模平方运算时效率较低。此外，Montgomery算法和Barrett算法所涉及的乘法运算都没有高效的低延时硬件实现。提出了一个实用的低延时模平方算法，该算法将大整数表示为多项式，通过对多项式系数进行运算大大降低了进位链(Carry Chain)的长度，实现了高效的低延时乘法运算；通过查表实现模运算，适合执行VDF所需要的串行模平方运算。

VDF实际计算速度不仅依赖于所采用的算法，而且依赖于机器性能。与半导体集成电路相比，单核处理频率高达50GHz的超导集成电路运行速度更快、延时更短、功耗更低，对提高VDF的计算速度有着重大意义。在超导集成电路发展的初级阶段，受超导集成工艺限制，实现低至8位的算术运算是重要的阶段性成果。在8位超导集成电路上实现VDF运算具有重要的应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：算法在8位机上最多能够实现1016比特整数的模平方运算，无法实现区块链所要求的更大规模的模平方运算。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种用低延时模平方算法提高区块链吞吐量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、区块链上的每个节点从各自所拥有的若干个空间中生成空间证明；一个空间对应一个空间证明，节点的空间证明数量等于节点所拥有的空间数量；

步骤2、每个节点将各自的空间证明输入统一的哈希函数H(·)计算分别得到每个空间证明对应的哈希值；

步骤3、每个节点从所拥有的空间证明的哈希值中取最小值T_z进行模指数运算其中，a表示输入，mod表示模运算，M表示模数；

最快完成模指数运算的节点成为领导者，赢得出块权和出块奖励；

每个节点进行模指数运算时，在8位超导集成电路上连续T_z次串行运行模平方运算a²mod M，则任意一个节点每次运行一次模平方运算a²mod M包括以下步骤：

步骤301、将参与乘法运算的大整数a表示成对应的多项式形式，有：