基于区块链技术改进PBFT算法的供应链溯源方法

郭 雨

(吉林建筑科技学院 计算机科学与工程学院， 吉林 长春 130114)

0 引 言

传统供应链中，对于实现交易平台之间、交易平台与用户之间、交易平台与商户之间等信息交互的利用，无法保障信息的有效利用以及信息安全性的维护，从而导致交易平台在数据交互过程中产生各种各样难以解决的问题，如溯源不清、交易数据被篡改、质量问题难以划分责任等问题。

区块链技术已逐渐走入大众的生活，成为社会关注的焦点。区块链源于比特币，利用加密链式区块结构存储数据，其中共识算法是区块链技术的一个核心问题，利用共识算法来生成、验证数据，可以有效地解决互联网上信任与价值的可靠传递难题[1]。利用区块链技术去中心化的特点，采用一种全新的数据库技术，可以高价值、多方位对交易数据进行保护，并通过密码学技术保护交易数据内容难以进行篡改、造假或者抵赖。区块链技术的应用有助于建立新的交易平台建设体系，以去中心化、开放的特征，强调和尊重时长交易的自愿原则，发挥统筹协调机制。

1 PBFT算法

1.1 区块链

传统交易平台数据需要一个第三方可信任的中介进行交易，与传统的交易平台相比，区块链技术除了具有去中心化的优势外，还可以保证网络数据的一致性，实现点对点的交易，从而增加交易平台的数据安全性和可靠性[2]。但是想要达到点对点的交易，就需要考虑区块链安全、效率等因素。区块链主要的共识算法有POW、POS、DPOS、PBFT。在这些共识算法中，拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT)在交易平台中具有更大的优势。

1.2 PBFT算法

在分布式系统中，拜占庭容错技术能够很好地对应节点故障和传输错误的问题。但是早期的拜占庭算法是需要有数级的算法，算法复杂，使用难度较大。直到1999年提出的PBFT算法才将算法复杂度降为多项式级别，改进后的算法极大地提高了拜占庭算法的效率[3]。

在PBFT算法中，存在view(视图)概念，在每一个view里，相同配置下运行每一个节点，并且只能设置一个主节点，而其他节点作为view中的备选节点。view中的主节点主要对平台申请数据进行排序，并且按照排序进行分配，将数据分别存储到备份节点中。备份节点检查主节点对请求的排序是否正常，如果出现分配异常状态，就会触发view change机制，将主节点进行替换，在view中进入一个新的主节点。

PBFT算法主要执行流程如图1所示。

图1 PBFT算法执行流程

算法中包含5个阶段。

1)request：客户端首先发送请求，请求信息发送格式为

,

其中:o----执行操作

t----时间;

c----编号。

2)pre-prepare:将收到的请求发送给主节点，主节点进行记录，记录后发送一条广播数据给其他的备份节点，pre-prepare格式为

< pre-prepare，v,n,d>，

其中:v----所在视图请求;

n----主节点分配编号;

d----digest编号。

通过信息比对，如果备份节点在视图中的数据与请求数据相同，并且未收到过相同节点信息，但是每个节点的摘要编号不相同，则该信息通过，进入下个阶段。

3)prepare：进入到prepare阶段的备份节点会产生一条prepare广播信息，并且会接收到其他节点发送的prepare信息，prepare格式为

< prepare，v,n,d,i>，

其中:i----节点编号。

当节点接收到2倍的允许节点出错的容错数量，并且prepare中的请求、节点编号以及备份节点编号相同，则这个节点可以进入下个阶段。

4)commit：进入到commit阶段的备份节点会产生一条commit广播信息，同时，也会接收到其他节点发送的commit信息，commit格式为

。

当节点接收到包含自己在内2倍的允许节点出错的容错数量具有相同的v和n的commit信息后，在节点等待中编号较低的请求，请求经过同意后可以进行执行。

5)reply：该节点对客户请求进行答复，reply格式为

< reply，v,t,v,t,r>,

其中:r----请求所在的视图;

t----队形的时间戳;

i----作为请求答复的节点编号;

r----请求答复的最终结果。

当客户端收到包含自己在内的允许节点出错的容错数量，并且请求答复时，t和r的结果都相同，这时表示请求被系统处理。当遇到网络原因，客户端未及时收到答复时，消息将会被重复发送。

除此之外，当视图中节点执行完成后，还需要对多余数据机型回收，即将之前的请求记录信息进行清除，从而节省系统资源，减少系统资源的占用。在使用时，还需要考虑到网络延迟等因素，可能导致视图中的节点并不在同一个处理状态中，因此，在PBFT算法设置check point协议，在check point协议中预先设置检查点，在所有节点执行完毕并通过检查点时，检查点将会对全网进行全面检查，并通知其他节点中的检查点节点信息执行完毕。

2 改进PBFT算法的供应链溯源方法

2.1 智能合约

智能合约作为一种计算机协议，合约条款在执行时可以是全部或部分自动执行，同时，智能合约为了避免外界因素产生的干扰，实现当一个预先编号的程序被执行时，智能合约执行系统相应的协议条款[4]。这种执行方式使得合约的履行更加便捷，也为执行数据带来保障。

智能合约与传统合约对比见表1。

表1 智能合约与传统合约对比

智能合约与传统合约对比，具有不可比拟的优势，尤其是在区块链技术出现以后，分布式账本技术为智能合约提供了底层技术基础，从而保证数据不被随意篡改，并且保证数据能够按照预定执行的合约条款执行[5]。在超级账本中，智能合约部署在其fabric网络节点上时，可以被调用的与分布式进行交互的程序代码。在以太坊中，智能合约是运行在相互不信任参与者之间的协议，由区块链的共识机制自动实施，不依赖于受信任的机构[6]。

智能合约作为一种协议，其数据架构可以分为呈现层、应用层、业务层和数据层[7]。呈现层主要表示客户前端，应用层根据不同应用程序进行不同设计，业务层包含系统所需要业务过程上的实现，数据层提供持久化数据服务[8]。智能合约的运行机制如图2所示。

图2 智能合约运行机制

智能合约可以自动触发执行代码，验证合约的有效性，从而避免数据篡改的风险。为实现智能合约的交互操作，智能合约会预留一个接口，根据密码学原理，使得合约与接口进行交互验证，保证合约的安全性。

2.2 PBFT算法的不足

1)PBFT算法在分布式系统中，通过异步通信机制进行传输，从而达成共识[9]。PBFT算法具有很强的一致性，每次计算都需要遍历整个网络节点，但如果在交易平台中具有庞大的网络系统，此时PBFT算法的效率就会降低。当节点个数大于节点编号的1/3时，网络安全将会遭到破坏，从而降低系统的安全性。同时，由于PBFT算法具有的特定通信机制，每一个备份节点的数据都需要进行5步验证，导致PBFT算法执行效率不高。

2)PBFT算法在系统view中，每一次的请求数据、备份节点的请求数据都需要有回应，但是交易平台数据节点数量庞大，无形中增加了网络通信和数据交换的数量，增加了系统的延时时长，从而降低计算效率。

3)PBFT算法中，主节点与备份节点固定，如果节点进行动态变化，由于节点的固定问题，无法对应节点的动态变化，在交易平台中，各个节点的数据量非常大，由于交易平台中并不是一对一的交易，而是具有多家供应商和多用户，并且在交易平台中，供应商的数量也可以不断变化，使得节点的数量和交互过程随之变化，但是PBFT算法无法对节点进行动态的增加或者删除，使得交易平等数据交互得到了限制。

2.3 改进的PBFT算法设计

根据区块链技术采用的网络模式对PBFT算法进行分析设计，假设服务器绝大部分时间处于正常状态，不用每一个请求都在达成一致后再执行，取消共识过程，只需要在错误发生之后再进行共识，达成一致性即可，删除原有算法中的reply阶段，在各个备选节点收到消息后，如果收到pre-prepare阶段的广播消息，那么此次消息传递完成，取消客户参与算法共识阶段，将PBFT算法的执行流程简化为三个阶段，实现流程优化效果,PBFT算法改进流程如图3所示。

图3 PBFT算法改进流程

优化后的PBFT算法执行流程如下：

1)取消客户端发送请求的方式，备选节点中的任一节点都可发送请求，为防止请求被数据篡改，需要在请求时加入签名，保护交易数据的可靠性。

2)主节点不需要每次都检查备选节点消息，而是每隔一段时间进行消息匹配，匹配内容为

。

这里替换原有数据格式，取消客户端编号c，用s表示主节点签名机制。其中t不再表示本地时间，用来表示每次主节点进行共识的时间间隔。

3)在备用节点收到主节点的消息后，会进行消息验证，并且进行消息回复。

2.4 改进算法

采用智能合约技术结果区块链算法进行实验数据对比分析，对改进后的PBFT算法进行实验，并得到相应的实验数据。首先建立智能合约的超级账本，建立一个接口为Run的函数，通过结构调用智能合约内不同方法。主要伪代码如下：

func( )Run(){

定义并处理不同函数

if初始化数据{

return返回数据

}

else if调用账链代码{

return返回数据账链代码)

}

else if f删除用户{

return t. 删除用户返，返回数据

}

func{

对账户进行初始化，并分配账户A和B一个地址，并赋值。

账户地址

账户金额

}

初始化数据

if 账户余额不足{

return 返回错误信息

}

…

fmt.Printf(将执行后的结果写入账本中)

从账本中获取状态/变量信息

查询A账户当前余额并转换为数值

}

return 返回主信息

2.5 PBFT算法改进分析

1)在PBFT算法中，如果频繁地更换主节点，会导致view的跟换，从而影响系统效率以及系统的吞吐量，改进后的算法增加了主节点签名机制，增加节点的信任度，并且在选取主节点时，可以从信任节点中进行选择，不用进行原有节点选取方法。

2)将PBFT算法原有的5个阶段消息传递变为2个阶段消息传递，增加主节点巡查机制，降低系统的通信次数，同时，减少网络通信和数据交换的数量，降低系统的延时时长，从而提高计算效率。

3 实验与结果分析

选取实验主节点，利用智能合约机制与改进后的PBFT算法相结合，在实验时选取6个主模拟节点，并将1节点和4节点设置为PBFT节点，进行300次主节点更换，对比原始PBFT算法和改进后的PBFT算法进行实验，对比实验数据如图4所示。

图4 传统算法与改进后的PBFT算法数据对比

实验结果表明，减少主节点数量，并且减少主要交互流程以及网络通信和数据交换的数量，降低了系统的延时时长，从而提高计算效率。

4 结 语

针对原始的PBFT算法存在系统延时时间长、计算效率低、主节点更换次数庞大等问题，提出改进PBFT算法的供应链溯源方法。减少主节点变换次数及交互流程，增加主节点签名机制及节点的信任度，并且在选取主节点时，可以从信任节点中进行选择，并与智能合约机制相结合，从而达到降低算法的通信开销中心化、公开透明以及交易可追溯。整个构架对供应链中产品从生产商到消费者全过程数据记录，保证了交易过程中产品的安全性。