KRAFT——基于Raft的改进提升区块链效率

• 介绍
  • 现有共识机制：PoW(工作量)、PoS(股份证明)
  • 现有共识算法：PBFT\Raft。现阶段私有区块链用零拜占庭容忍算法，交易只有当被区块链成员认证时候合法
  • 用Kademlia实现K-Bucket，建立KRaft算法
• KRaft共识算法
  • Kademlia协议：哈希表分类技术，根据XOR操作计算距离建立一个基于DHT（分布式哈希表）的拓扑结构
    • 算法开始运行：
      • 随机选择一个节点作为领导者，然后根据K-Bucket开始建立一个节点，确保K-Bucket是在节点网络中执行而且动态维护的，来保证节点添加不会造成额外负担
    • 四个通信协议：
      • PING:看节点是否在线
      • PONG：和PING保持一致
      • FINDNODE:询问一个节点和目标节点ID是否相似
      • NEIGHBORS:询问在K-Bucket中和目标节点ID相似的节点
  • 领导者选举：通过投票随机选择节点
    • Table:称以领导者为中心的K-Bucket，其中的节点是参与者，在节点交流中有高优先级
    • K value根据节点规模动态确定，尽管增加K值提升领导者选举的随机性，但会减弱算法多节点并行。K值太小选举随机性不能保证，因为选举依赖于Table

      

    • Raft中的timeout, RequestVote转换成KRaft中的imeout, Recognition。
      • 认证过程是当参与者发现领导者crash，产生一个随机数I（当下时间戳加上随机数（150~300ms），时间戳保证发现领导者crash越快，越容易被选。随机数回避了发生和Raft一样发生分裂投票的可能性）I值小的是领导者节点
    • log复制过程优先复制Table中的节点来保证候选节点的最优性和正确性,leader crash则log回滚
    • t=True表示所有参与节点已经接接收了AppendEntries

      
    • doRefresh () :确保节点在Table(根据Kademlia协议建立起的节点关系)并且Tables online
  • 共识过程：
    • 基于Kademlia的高效日志复制逻辑解决并行和领导者过载难题：
      • leader节点收到Table中所有节点的AppendEntriesResponse消息后，Table中的节点就可以拥有转发消息的权限，KRaft将单节点多线程并发进程转变为多节点并行进程，提高信息转发效率，当leader收到超过半数节点的AppendEntriesResponse消息时，证明已达成共识
• 算法分析：
  • 安全性：
    • 选举安全：执行KRaft的leader选举是由表中的节点随机选择的，在KRaft中，保留了AppendEntries可讲log信息发送给节点
    • leader完整性和只可添加性：KRaft的Leader选举和日志副本复制过程确保提交到区块链的日志必须出现在Leader中。 一旦确认的交易被永久存储在区块链中
    • Log Entry:沿用 Raft里log结构，包括指标和术语
    • State Machine：保留了状态机提交51%的前提，KRaft将提交状态机进程转换为leader写事务到区块链
  • 时效性：算法保证了时间间隔远大于消息延迟，避免了因消息延迟而产生的不必要的leader选举