基于區塊鏈技術改進PBFT算法的供應鏈溯源方法

郭 雨

(吉林建筑科技學院 計算機科學與工程學院， 吉林 長春 130114)

傳統供應鏈中，對于實現交易平臺之間、交易平臺與用戶之間、交易平臺與商戶之間等信息交互的利用，無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程中產生各種各樣難以解決的問題，如溯源不清、交易數據被篡改、質量問題難以劃分責任等問題。

區塊鏈技術已逐漸走入大眾的生活，成為社會關注的焦點。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的一個核心問題，利用共識算法來生成、驗證數據，可以有效地解決互聯網上信任與價值的可靠傳遞難題[1]。利用區塊鏈技術去中心化的特點，采用一種全新的數據庫技術，可以高價值、多方位對交易數據進行保護，并通過密碼學技術保護交易數據內容難以進行篡改、造假或者抵賴。區塊鏈技術的應用有助于建立新的交易平臺建設體系，以去中心化、開放的特征，強調和尊重時長交易的自愿原則，發揮統籌協調機制。

1.1 區塊鏈

傳統交易平臺數據需要一個第三方可信任的中介進行交易，與傳統的交易平臺相比，區塊鏈技術除了具有去中心化的優勢外，還可以保證網絡數據的一致性，實現點對點的交易，從而增加交易平臺的數據安全性和可靠性[2]。但是想要達到點對點的交易，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勢。

1.2 PBFT算法

在分布式系統中，拜占庭容錯技術能夠很好地對應節點故障和傳輸錯誤的問題。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view里，相同配置下運行每一個節點，并且只能設置一個主節點，而其他節點作為view中的備選節點。view中的主節點主要對平臺申請數據進行排序，并且按照排序進行分配，將數據分別存儲到備份節點中。備份節點檢查主節點對請求的排序是否正常，如果出現分配異常狀態，就會觸發view change機制，將主節點進行替換，在view中進入一個新的主節點。

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個階段。

1)request：客戶端首先發送請求，請求信息發送格式為

,

其中:o----執行操作

t----時間;

c----編號。

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

< pre-prepare，v,n,d>，

其中:v----所在視圖請求;

n----主節點分配編號;

d----digest編號。

通過信息比對，如果備份節點在視圖中的數據與請求數據相同，并且未收到過相同節點信息，但是每個節點的摘要編號不相同，則該信息通過，進入下個階段。

3)prepare：進入到prepare階段的備份節點會產生一條prepare廣播信息，并且會接收到其他節點發送的prepare信息，prepare格式為

< prepare，v,n,d,i>，

其中:i----節點編號。

當節點接收到2倍的允許節點出錯的容錯數量，并且prepare中的請求、節點編號以及備份節點編號相同，則這個節點可以進入下個階段。

4)commit：進入到commit階段的備份節點會產生一條commit廣播信息，同時，也會接收到其他節點發送的commit信息，commit格式為

。

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

5)reply：該節點對客戶請求進行答復，reply格式為

< reply，v,t,v,t,r>,

其中:r----請求所在的視圖;

t----隊形的時間戳;

i----作為請求答復的節點編號;

r----請求答復的最終結果。

當客戶端收到包含自己在內的允許節點出錯的容錯數量，并且請求答復時，t和r的結果都相同，這時表示請求被系統處理。當遇到網絡原因，客戶端未及時收到答復時，消息將會被重復發送。

除此之外，當視圖中節點執行完成后，還需要對多余數據機型回收，即將之前的請求記錄信息進行清除，從而節省系統資源，減少系統資源的占用。在使用時，還需要考慮到網絡延遲等因素，可能導致視圖中的節點并不在同一個處理狀態中，因此，在PBFT算法設置check point協議，在check point協議中預先設置檢查點，在所有節點執行完畢并通過檢查點時，檢查點將會對全網進行全面檢查，并通知其他節點中的檢查點節點信息執行完畢。

2.1 智能合約

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

智能合約與傳統合約對比見表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，具有不可比擬的優勢，尤其是在區塊鏈技術出現以后，分布式賬本技術為智能合約提供了底層技術基礎，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網絡節點上時，可以被調用的與分布式進行交互的程序代碼。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議，由區塊鏈的共識機制自動實施，不依賴于受信任的機構[6]。

智能合約作為一種協議，其數據架構可以分為呈現層、應用層、業務層和數據層[7]。呈現層主要表示客戶前端，應用層根據不同應用程序進行不同設計，業務層包含系統所需要業務過程上的實現，數據層提供持久化數據服務[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

智能合約可以自動觸發執行代碼，驗證合約的有效性，從而避免數據篡改的風險。為實現智能合約的交互操作，智能合約會預留一個接口，根據密碼學原理，使得合約與接口進行交互驗證，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，通過異步通信機制進行傳輸，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網絡節點，但如果在交易平臺中具有龐大的網絡系統，此時PBFT算法的效率就會降低。當節點個數大于節點編號的1/3時，網絡安全將會遭到破壞，從而降低系統的安全性。同時，由于PBFT算法具有的特定通信機制，每一個備份節點的數據都需要進行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、備份節點的請求數據都需要有回應，但是交易平臺數據節點數量龐大，無形中增加了網絡通信和數據交換的數量，增加了系統的延時時長，從而降低計算效率。

3)PBFT算法中，主節點與備份節點固定，如果節點進行動態變化，由于節點的固定問題，無法對應節點的動態變化，在交易平臺中，各個節點的數據量非常大，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，并且在交易平臺中，供應商的數量也可以不斷變化，使得節點的數量和交互過程隨之變化，但是PBFT算法無法對節點進行動態的增加或者刪除，使得交易平等數據交互得到了限制。

2.3 改進的PBFT算法設計

根據區塊鏈技術采用的網絡模式對PBFT算法進行分析設計，假設服務器絕大部分時間處于正常狀態，不用每一個請求都在達成一致后再執行，取消共識過程，只需要在錯誤發生之后再進行共識，達成一致性即可，刪除原有算法中的reply階段，在各個備選節點收到消息后，如果收到pre-prepare階段的廣播消息，那么此次消息傳遞完成，取消客戶參與算法共識階段，將PBFT算法的執行流程簡化為三個階段，實現流程優化效果,PBFT算法改進流程如圖3所示。

圖3 PBFT算法改進流程

優化后的PBFT算法執行流程如下：

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

2)主節點不需要每次都檢查備選節點消息，而是每隔一段時間進行消息匹配，匹配內容為

。

這里替換原有數據格式，取消客戶端編號c，用s表示主節點簽名機制。其中t不再表示本地時間，用來表示每次主節點進行共識的時間間隔。

3)在備用節點收到主節點的消息后，會進行消息驗證，并且進行消息回復。

2.4 改進算法

采用智能合約技術結果區塊鏈算法進行實驗數據對比分析，對改進后的PBFT算法進行實驗，并得到相應的實驗數據。首先建立智能合約的超級賬本，建立一個接口為Run的函數，通過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{

return t. 刪除用戶返，返回數據

}

func{

對賬戶進行初始化，并分配賬戶A和B一個地址，并賦值。

賬戶地址

賬戶金額

}

初始化數據

if 賬戶余額不足{

return 返回錯誤信息

}

…

fmt.Printf(將執行后的結果寫入賬本中)

從賬本中獲取狀態/變量信息

查詢A賬戶當前余額并轉換為數值

}

return 返回主信息

2.5 PBFT算法改進分析

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

2)將PBFT算法原有的5個階段消息傳遞變為2個階段消息傳遞，增加主節點巡查機制，降低系統的通信次數，同時，減少網絡通信和數據交換的數量，降低系統的延時時長，從而提高計算效率。

選取實驗主節點，利用智能合約機制與改進后的PBFT算法相結合，在實驗時選取6個主模擬節點，并將1節點和4節點設置為PBFT節點，進行300次主節點更換，對比原始PBFT算法和改進后的PBFT算法進行實驗，對比實驗數據如圖4所示。

圖4 傳統算法與改進后的PBFT算法數據對比

實驗結果表明，減少主節點數量，并且減少主要交互流程以及網絡通信和數據交換的數量，降低了系統的延時時長，從而提高計算效率。

針對原始的PBFT算法存在系統延時時間長、計算效率低、主節點更換次數龐大等問題，提出改進PBFT算法的供應鏈溯源方法。減少主節點變換次數及交互流程，增加主節點簽名機制及節點的信任度，并且在選取主節點時，可以從信任節點中進行選擇，并與智能合約機制相結合，從而達到降低算法的通信開銷中心化、公開透明以及交易可追溯。整個構架對供應鏈中產品從生產商到消費者全過程數據記錄，保證了交易過程中產品的安全性。