[发明专利]一种优化的异步拜占庭容错(ABFT)共识方法

说明书

本发明涉及一种优化的异步拜占庭容错(ABFT)共识方法，包括：使用门限ECDSA签名，在ABFT中提供了一个确定性的签名操作映射，使各方能够就特定签名使用什么签名材料达成一致，而无需假设任何特定的消息顺序；在ABFT的背景下寻找纠删码的字大小和包大小的最佳选择，且对于给定的硬件环境可以计算出最优的参数选择；密码材料的预计算，通过对协议门限密码系统中使用的任意的固定点进行预计算来提高性能。本发明原有的协议提供了更高的性能，显著降低的计算开销，和更高的可扩展性。此外，结果表明，ABFT在非对称网络退化的故障阈值内不受影响。

技术领域

本发明属于计算机技术领域，具体设计了一种异步拜占庭容错(ABFT)共识机制，结合门限椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)签名，对纠删编码参数进行优化并对实现过程进行改进。

背景技术

区块链系统的共识算法使参与者能够以去中心化的方式达成协议。大多数区块链技术都假设实现共识的网络是快速和稳定的。例如，实用拜占庭容错(PracticalByzantine Fault Tolerance，PBFT)和Raft需要共识的最终一致性，以进行下一步共识。如果不能满足这些假设，区块链系统事务处理将停止。此外，这些协议还容易受到DoS(Denialof Service)和时序攻击的攻击。

然而，在一些基于区块链的系统，如供应链管理(SCM)系统中，一些物联网节点有时只能依靠低质量的网络来实现共识。为了应对这些挑战，一个ABFT共识协议是必要的，它可以有效预防此类攻击。这样的协议可以使用异步公共子集(ACS)来构建，即，一组peer节点可以异步地同意一组事务。然而，这种特殊结构的一个实际问题是它的O(n³)通信复杂性，这是由于使用多值验证拜占庭协议(MVBA)原语的代价高昂，使得协议无法扩展。

Honeybadger BFT是在努力创造一个实用异步拜占庭容错(PABFT)算法的过程中的一个重大突破。通过采用一种新的ACS结构，该算法的通信复杂度可以降低到与PBFT算法类似的O(n²)。Honeybadger在实际部署中与PBFT做对比时，在网络规模超过16个节点时，它的事务吞吐量高于PBFT。然而，原始Honeybadger BFT协议的一个挑战是它的运行复杂性。基于ACS的Honeybadger BFT，虽然在通信复杂度上更高效，但产生了O(logn)运行复杂度。有工作提出了一种ACS的替代方案，它巧妙地利用了MVBA，将运行时复杂度降低到O(1)。一个更高效的MVBA构造将协议的通信复杂度从O(n³)降低到O(n²)。此外还有其他工作致力于Honeybadger BFT初始化的优化。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有方法的不足，结合了上述对ACS和Honeybadger BFT的改进。引入门限椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)签名，用于ABFT的上下文实现。此外展示了优化纠删码参数对协议性能的重要性，并提供了一个框架用于经验预计算这些参数，实现了在运行时的动态优化选择。最后，以签名的乐观验证和预计算密码材料的形式提供了额外的实现级优化，从而提供了额外的性能优势。

本发明使用Rust编程语言实现了ABFT的原型，并在全球广域网中对其进行了评估。此外，通过实验评估了它在非对称、高网络时延和丢包的异步网络中的性能，并使用网络仿真器(NetEm)仿真网络退化。评估结果显示

-ABFT的计算开销比以前的实现要小，但是提供的事务延迟比以前的实现Honeybadger BFT及其优化方案显著降低。

-ABFT的扩展性很好，对于更大的批处理规模，事务吞吐量可以达到每秒38.700个事务，同时将事务延迟保持在一分钟之内。

-ABFT不受非对称、高网络时延和丢包的影响，只要受影响的节点数量保持在故障阈值之内。如果超过故障阈值，共识协议仍然能够终止，无需采取额外操作或配置。