基于區塊鏈技術(shù)改進(jìn)PBFT算法的供應鏈溯源方法

郭 雨

(吉林建筑科技學(xué)院 計算機科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(cháng)春 130114)

傳統供應鏈中，對于實(shí)現交易平臺之間、交易平臺與用戶(hù)之間、交易平臺與商戶(hù)之間等信息交互的利用，無(wú)法保障信息的有效利用以及信息安全性的維護，從而導致交易平臺在數據交互過(guò)程中產(chǎn)生各種各樣難以解決的問(wèn)題，如溯源不清、交易數據被篡改、質(zhì)量問(wèn)題難以劃分責任等問(wèn)題。

區塊鏈技術(shù)已逐漸走入大眾的生活，成為社會(huì )關(guān)注的焦點(diǎn)。區塊鏈源于比特幣，利用加密鏈式區塊結構存儲數據，其中共識算法是區塊鏈技術(shù)的一個(gè)核心問(wèn)題，利用共識算法來(lái)生成、驗證數據，可以有效地解決互聯(lián)網(wǎng)上信任與價(jià)值的可靠傳遞難題[1]。利用區塊鏈技術(shù)去中心化的特點(diǎn)，采用一種全新的數據庫技術(shù)，可以高價(jià)值、多方位對交易數據進(jìn)行保護，并通過(guò)密碼學(xué)技術(shù)保護交易數據內容難以進(jìn)行篡改、造假或者抵賴(lài)。區塊鏈技術(shù)的應用有助于建立新的交易平臺建設體系，以去中心化、開(kāi)放的特征，強調和尊重時(shí)長(cháng)交易的自愿原則，發(fā)揮統籌協(xié)調機制。

1.1 區塊鏈

傳統交易平臺數據需要一個(gè)第三方可信任的中介進(jìn)行交易，與傳統的交易平臺相比，區塊鏈技術(shù)除了具有去中心化的優(yōu)勢外，還可以保證網(wǎng)絡(luò )數據的一致性，實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的交易，從而增加交易平臺的數據安全性和可靠性[2]。但是想要達到點(diǎn)對點(diǎn)的交易，就需要考慮區塊鏈安全、效率等因素。區塊鏈主要的共識算法有POW、POS、DPOS、PBFT。在這些共識算法中，拜占庭容錯算法(Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT)在交易平臺中具有更大的優(yōu)勢。

1.2 PBFT算法

在分布式系統中，拜占庭容錯技術(shù)能夠很好地對應節點(diǎn)故障和傳輸錯誤的問(wèn)題。但是早期的拜占庭算法是需要有數級的算法，算法復雜，使用難度較大。直到1999年提出的PBFT算法才將算法復雜度降為多項式級別，改進(jìn)后的算法極大地提高了拜占庭算法的效率[3]。

在PBFT算法中，存在view(視圖)概念，在每一個(gè)view里，相同配置下運行每一個(gè)節點(diǎn)，并且只能設置一個(gè)主節點(diǎn)，而其他節點(diǎn)作為view中的備選節點(diǎn)。view中的主節點(diǎn)主要對平臺申請數據進(jìn)行排序，并且按照排序進(jìn)行分配，將數據分別存儲到備份節點(diǎn)中。備份節點(diǎn)檢查主節點(diǎn)對請求的排序是否正常，如果出現分配異常狀態(tài)，就會(huì )觸發(fā)view change機制，將主節點(diǎn)進(jìn)行替換，在view中進(jìn)入一個(gè)新的主節點(diǎn)。

PBFT算法主要執行流程如圖1所示。

圖1 PBFT算法執行流程

算法中包含5個(gè)階段。

1)request：客戶(hù)端首先發(fā)送請求，請求信息發(fā)送格式為

,

其中:o----執行操作

t----時(shí)間;

c----編號。

2)pre-prepare:將收到的請求發(fā)送給主節點(diǎn)，主節點(diǎn)進(jìn)行記錄，記錄后發(fā)送一條廣播數據給其他的備份節點(diǎn)，pre-prepare格式為

< pre-prepare，v,n,d>，

其中:v----所在視圖請求;

n----主節點(diǎn)分配編號;

d----digest編號。

通過(guò)信息比對，如果備份節點(diǎn)在視圖中的數據與請求數據相同，并且未收到過(guò)相同節點(diǎn)信息，但是每個(gè)節點(diǎn)的摘要編號不相同，則該信息通過(guò)，進(jìn)入下個(gè)階段。

3)prepare：進(jìn)入到prepare階段的備份節點(diǎn)會(huì )產(chǎn)生一條prepare廣播信息，并且會(huì )接收到其他節點(diǎn)發(fā)送的prepare信息，prepare格式為

< prepare，v,n,d,i>，

其中:i----節點(diǎn)編號。

當節點(diǎn)接收到2倍的允許節點(diǎn)出錯的容錯數量，并且prepare中的請求、節點(diǎn)編號以及備份節點(diǎn)編號相同，則這個(gè)節點(diǎn)可以進(jìn)入下個(gè)階段。

4)commit：進(jìn)入到commit階段的備份節點(diǎn)會(huì )產(chǎn)生一條commit廣播信息，同時(shí)，也會(huì )接收到其他節點(diǎn)發(fā)送的commit信息，commit格式為

。

當節點(diǎn)接收到包含自己在內2倍的允許節點(diǎn)出錯的容錯數量具有相同的v和n的commit信息后，在節點(diǎn)等待中編號較低的請求，請求經(jīng)過(guò)同意后可以進(jìn)行執行。

5)reply：該節點(diǎn)對客戶(hù)請求進(jìn)行答復，reply格式為

< reply，v,t,v,t,r>,

其中:r----請求所在的視圖;

t----隊形的時(shí)間戳;

i----作為請求答復的節點(diǎn)編號;

r----請求答復的最終結果。

當客戶(hù)端收到包含自己在內的允許節點(diǎn)出錯的容錯數量，并且請求答復時(shí)，t和r的結果都相同，這時(shí)表示請求被系統處理。當遇到網(wǎng)絡(luò )原因，客戶(hù)端未及時(shí)收到答復時(shí)，消息將會(huì )被重復發(fā)送。

除此之外，當視圖中節點(diǎn)執行完成后，還需要對多余數據機型回收，即將之前的請求記錄信息進(jìn)行清除，從而節省系統資源，減少系統資源的占用。在使用時(shí)，還需要考慮到網(wǎng)絡(luò )延遲等因素，可能導致視圖中的節點(diǎn)并不在同一個(gè)處理狀態(tài)中，因此，在PBFT算法設置check point協(xié)議，在check point協(xié)議中預先設置檢查點(diǎn)，在所有節點(diǎn)執行完畢并通過(guò)檢查點(diǎn)時(shí)，檢查點(diǎn)將會(huì )對全網(wǎng)進(jìn)行全面檢查，并通知其他節點(diǎn)中的檢查點(diǎn)節點(diǎn)信息執行完畢。

2.1 智能合約

智能合約作為一種計算機協(xié)議，合約條款在執行時(shí)可以是全部或部分自動(dòng)執行，同時(shí)，智能合約為了避免外界因素產(chǎn)生的干擾，實(shí)現當一個(gè)預先編號的程序被執行時(shí)，智能合約執行系統相應的協(xié)議條款[4]。這種執行方式使得合約的履行更加便捷，也為執行數據帶來(lái)保障。

智能合約與傳統合約對比見(jiàn)表1。

表1 智能合約與傳統合約對比

智能合約與傳統合約對比，具有不可比擬的優(yōu)勢，尤其是在區塊鏈技術(shù)出現以后，分布式賬本技術(shù)為智能合約提供了底層技術(shù)基礎，從而保證數據不被隨意篡改，并且保證數據能夠按照預定執行的合約條款執行[5]。在超級賬本中，智能合約部署在其fabric網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上時(shí)，可以被調用的與分布式進(jìn)行交互的程序代碼。在以太坊中，智能合約是運行在相互不信任參與者之間的協(xié)議，由區塊鏈的共識機制自動(dòng)實(shí)施，不依賴(lài)于受信任的機構[6]。

智能合約作為一種協(xié)議，其數據架構可以分為呈現層、應用層、業(yè)務(wù)層和數據層[7]。呈現層主要表示客戶(hù)前端，應用層根據不同應用程序進(jìn)行不同設計，業(yè)務(wù)層包含系統所需要業(yè)務(wù)過(guò)程上的實(shí)現，數據層提供持久化數據服務(wù)[8]。智能合約的運行機制如圖2所示。

圖2 智能合約運行機制

智能合約可以自動(dòng)觸發(fā)執行代碼，驗證合約的有效性，從而避免數據篡改的風(fēng)險。為實(shí)現智能合約的交互操作，智能合約會(huì )預留一個(gè)接口，根據密碼學(xué)原理，使得合約與接口進(jìn)行交互驗證，保證合約的安全性。

2.2 PBFT算法的不足

1)PBFT算法在分布式系統中，通過(guò)異步通信機制進(jìn)行傳輸，從而達成共識[9]。PBFT算法具有很強的一致性，每次計算都需要遍歷整個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，但如果在交易平臺中具有龐大的網(wǎng)絡(luò )系統，此時(shí)PBFT算法的效率就會(huì )降低。當節點(diǎn)個(gè)數大于節點(diǎn)編號的1/3時(shí)，網(wǎng)絡(luò )安全將會(huì )遭到破壞，從而降低系統的安全性。同時(shí)，由于PBFT算法具有的特定通信機制，每一個(gè)備份節點(diǎn)的數據都需要進(jìn)行5步驗證，導致PBFT算法執行效率不高。

2)PBFT算法在系統view中，每一次的請求數據、備份節點(diǎn)的請求數據都需要有回應，但是交易平臺數據節點(diǎn)數量龐大，無(wú)形中增加了網(wǎng)絡(luò )通信和數據交換的數量，增加了系統的延時(shí)時(shí)長(cháng)，從而降低計算效率。

3)PBFT算法中，主節點(diǎn)與備份節點(diǎn)固定，如果節點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化，由于節點(diǎn)的固定問(wèn)題，無(wú)法對應節點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化，在交易平臺中，各個(gè)節點(diǎn)的數據量非常大，由于交易平臺中并不是一對一的交易，而是具有多家供應商和多用戶(hù)，并且在交易平臺中，供應商的數量也可以不斷變化，使得節點(diǎn)的數量和交互過(guò)程隨之變化，但是PBFT算法無(wú)法對節點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的增加或者刪除，使得交易平等數據交互得到了限制。

2.3 改進(jìn)的PBFT算法設計

根據區塊鏈技術(shù)采用的網(wǎng)絡(luò )模式對PBFT算法進(jìn)行分析設計，假設服務(wù)器絕大部分時(shí)間處于正常狀態(tài)，不用每一個(gè)請求都在達成一致后再執行，取消共識過(guò)程，只需要在錯誤發(fā)生之后再進(jìn)行共識，達成一致性即可，刪除原有算法中的reply階段，在各個(gè)備選節點(diǎn)收到消息后，如果收到pre-prepare階段的廣播消息，那么此次消息傳遞完成，取消客戶(hù)參與算法共識階段，將PBFT算法的執行流程簡(jiǎn)化為三個(gè)階段，實(shí)現流程優(yōu)化效果,PBFT算法改進(jìn)流程如圖3所示。

圖3 PBFT算法改進(jìn)流程

優(yōu)化后的PBFT算法執行流程如下：

1)取消客戶(hù)端發(fā)送請求的方式，備選節點(diǎn)中的任一節點(diǎn)都可發(fā)送請求，為防止請求被數據篡改，需要在請求時(shí)加入簽名，保護交易數據的可靠性。

2)主節點(diǎn)不需要每次都檢查備選節點(diǎn)消息，而是每隔一段時(shí)間進(jìn)行消息匹配，匹配內容為

。

這里替換原有數據格式，取消客戶(hù)端編號c，用s表示主節點(diǎn)簽名機制。其中t不再表示本地時(shí)間，用來(lái)表示每次主節點(diǎn)進(jìn)行共識的時(shí)間間隔。

3)在備用節點(diǎn)收到主節點(diǎn)的消息后，會(huì )進(jìn)行消息驗證，并且進(jìn)行消息回復。

2.4 改進(jìn)算法

采用智能合約技術(shù)結果區塊鏈算法進(jìn)行實(shí)驗數據對比分析，對改進(jìn)后的PBFT算法進(jìn)行實(shí)驗，并得到相應的實(shí)驗數據。首先建立智能合約的超級賬本，建立一個(gè)接口為Run的函數，通過(guò)結構調用智能合約內不同方法。主要偽代碼如下：

func( )Run(){

定義并處理不同函數

if初始化數據{

return返回數據

}

else if調用賬鏈代碼{

return返回數據賬鏈代碼)

}

else if f刪除用戶(hù){

return t. 刪除用戶(hù)返，返回數據

}

func{

對賬戶(hù)進(jìn)行初始化，并分配賬戶(hù)A和B一個(gè)地址，并賦值。

賬戶(hù)地址

賬戶(hù)金額

}

初始化數據

if 賬戶(hù)余額不足{

return 返回錯誤信息

}

…

fmt.Printf(將執行后的結果寫(xiě)入賬本中)

從賬本中獲取狀態(tài)/變量信息

查詢(xún)A賬戶(hù)當前余額并轉換為數值

}

return 返回主信息

2.5 PBFT算法改進(jìn)分析

1)在PBFT算法中，如果頻繁地更換主節點(diǎn)，會(huì )導致view的跟換，從而影響系統效率以及系統的吞吐量，改進(jìn)后的算法增加了主節點(diǎn)簽名機制，增加節點(diǎn)的信任度，并且在選取主節點(diǎn)時(shí)，可以從信任節點(diǎn)中進(jìn)行選擇，不用進(jìn)行原有節點(diǎn)選取方法。

2)將PBFT算法原有的5個(gè)階段消息傳遞變?yōu)?個(gè)階段消息傳遞，增加主節點(diǎn)巡查機制，降低系統的通信次數，同時(shí)，減少網(wǎng)絡(luò )通信和數據交換的數量，降低系統的延時(shí)時(shí)長(cháng)，從而提高計算效率。

選取實(shí)驗主節點(diǎn)，利用智能合約機制與改進(jìn)后的PBFT算法相結合，在實(shí)驗時(shí)選取6個(gè)主模擬節點(diǎn)，并將1節點(diǎn)和4節點(diǎn)設置為PBFT節點(diǎn)，進(jìn)行300次主節點(diǎn)更換，對比原始PBFT算法和改進(jìn)后的PBFT算法進(jìn)行實(shí)驗，對比實(shí)驗數據如圖4所示。

圖4 傳統算法與改進(jìn)后的PBFT算法數據對比

實(shí)驗結果表明，減少主節點(diǎn)數量，并且減少主要交互流程以及網(wǎng)絡(luò )通信和數據交換的數量，降低了系統的延時(shí)時(shí)長(cháng)，從而提高計算效率。

針對原始的PBFT算法存在系統延時(shí)時(shí)間長(cháng)、計算效率低、主節點(diǎn)更換次數龐大等問(wèn)題，提出改進(jìn)PBFT算法的供應鏈溯源方法。減少主節點(diǎn)變換次數及交互流程，增加主節點(diǎn)簽名機制及節點(diǎn)的信任度，并且在選取主節點(diǎn)時(shí)，可以從信任節點(diǎn)中進(jìn)行選擇，并與智能合約機制相結合，從而達到降低算法的通信開(kāi)銷(xiāo)中心化、公開(kāi)透明以及交易可追溯。整個(gè)構架對供應鏈中產(chǎn)品從生產(chǎn)商到消費者全過(guò)程數據記錄，保證了交易過(guò)程中產(chǎn)品的安全性。