无线通信协议及无线网络中实现半同步BFT共识的方法

本发明属于无线通信，具体涉及一种无线通信协议及无线网络中实现半同步bft共识的方法。

背景技术：

1、无线网络应用程序，如动态任务分配、未知地图构建、避障以及无人机/机器人搜救，通常需要在启动后续任务之前达成共识。不幸的是，拜占庭攻击可能会导致无线环境中的共识失败，从而造成重大损失。为了解决这个问题，半同步的拜占庭容错(byzantinefault tolerance，bft)共识协议越来越关键，这些协议旨在存在拜占庭行为的情况下确保一致性，在无线网络中变得越来越重要。

2、尽管半同步拜占庭容错共识协议如pbft(实用拜占庭容错)、tendermint和hotstuff在有线网络中得到了广泛研究，但将其转化为无线环境并使其实用仍然是一个挑战，特别是在动态自组织无线网络中。在常用的半同步网络模型下，消息延迟的上限是一个常数，遵循全局稳定时间(gst)。这在无线环境中尤其难以实现。事实上，在有线网络中，任意两个节点之间建立可靠稳定的通道是由于有线和先进的协议如tcp和tls的存在。但在大多数自组织无线网络中，所有节点共享通道，这可能导致共识协议的低效，因为可能存在数据包碰撞、通道拥塞和通道未充分利用的问题。特别是，在动态自组织无线网络中实现半同步拜占庭容错共识协议面临以下三个挑战：

3、(1)现有的无线同步共识协议在同步网络中展示了进步。然而，这些协议通常需要高度精确的时间同步机制或持续同步操作，这限制了它们在半同步网络中的适应性。基于同步传输的通信协议依赖于建设性干涉和捕捉效应，这需要强大的时间同步。例如，glossy要求并发的ieee 802.15.4发射机之间的时间差不应超过0.5微秒，以确保高概率下的建设性干涉。高效的实时通信协议，例如，要求网络不断保持同步状态，这与半同步网络模型相矛盾。

4、(2)半同步拜占庭容错共识需要可靠的通信来容忍数据包丢失。在无线网络中，可靠的通信可以通过将csma(载波监听多路访问)或tdma(时分多址)与ack(确认)或nack(否认)结合使用来实现。然而，csma方法中，许多节点竞争同一个通道，通常会导致严重的网络拥塞。由于缺乏关于活动节点身份的信息，tdma被限制在所有节点之间均匀分配时间槽。因此，它容易将时间槽分配给不活跃的节点，从而导致通道空闲。在最坏的情况下，即使只有o(1)个活跃节点，tdma也可能分配o(n)个时间槽，其中n是总节点数。

5、(3)在自组织无线网络中，半同步拜占庭容错共识验证的实际测试平台的缺乏也是一个重大限制。首先，网络模拟器缺乏对共识组件的支持。采用的共识研究模拟机制无法准确复制现实环境，因此无法模拟实时延迟和数据包丢失率的变化，以及它们的不可预测性。此外，无线传感器网络(wsn)测试平台受到短距离传输协议和有限资源的局限，因此不适合评估大规模或复杂的集体行为，例如覆盖面积广阔的灾后无人机搜救行动，这通常需要覆盖广阔的区域。wsn测试平台中资源受限的节点在执行共识协议等复杂算法时往往会遇到计算能力有限的困难。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种无线通信协议及无线网络中实现半同步bft共识的方法。此外，还提出了一个三层无线共识测试平台，用于评估在这种网络环境中半同步拜占庭容错共识的性能。

2、本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种无线通信协议，所述的通信协议为reducecatch，包括：

3、减少阶段，在一个周期内，采用tdma为每个发送节点分配一个时间槽，重复ntx个周期：

4、

5、其中，n为网络规模；c为常数；α为丢包率；

6、捕获阶段，漏掉消息的接收节点向目标发送节点传输nack消息；接收到nack消息后，在限定时间内目标发送节点重新发送消息。

7、本发明还提供了一种无线网络中实现半同步bft共识的方法，该方法包括：领导者节点将其提案传播给所有跟随者节点；每个节点广播其投票；领导者节点收集2f+1个匹配的投票以进行同一提案的投票，f为拜占庭节点的数量；并将此广播给所有跟随者节点；所述领导者节点与跟随者节点之间采用上述的通讯协议进行通讯。

8、在多跳网络中，网络被划分为多个群，每个群由能够在一跳距离内相互通信的节点组成；每个群随机选举一个群领导者，在每个群内实现本地共识；在获得本地共识之后，领导者继续参与全局共识。

9、所述拜占庭节点的数量不超过群集中节点总数的三分之一。

10、本发明还提供一种无线共识测试平台，包括物理层、网络层和共识层；所述物理层提供测试的硬件设备，用于构建测试场景；所述网络层提供测试的软件系统，用于实现不同的通信协议及模式；所述的共识层提供共识协议，用于实现不同的半同步拜占庭容错共识。

11、所述的网络层包括五种通信协议：reducecatch、csma-ack、csma-nack、tdma-ack和tdma-nack。

12、所述的共识层包括三种共识协议：pbft、tendermint和hotstuff。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、(1)提出了reducecatch，这是一种专为半同步网络的实际应用而设计的无线通信协议；该协议在构建多样化通信模式时表现出较低的消息和时间复杂度；

15、(2)实现可靠的1对n、n对1和n对n通信模式，作为共识协议的基础；

16、(3)在无线网络中特别是在动态自组织无线网络中实现半同步bft(拜占庭容错)共识。

技术特征：

1.一种无线通信协议，其特征在于，所述的通信协议为reducecatch，包括：

2.一种无线网络中实现半同步bft共识的方法，该方法包括：领导者节点将其提案传播给所有跟随者节点；每个跟随者节点广播其投票；领导者节点收集2f+1个匹配的投票以进行同一提案的投票，f为拜占庭节点的数量；并将此广播给所有跟随者节点；其特征在于：所述领导者节点与跟随者节点之间采用如权利要求1所述的通讯协议进行通讯。

3.根据权利要求1所述的无线网络中实现半同步bft共识的方法，其特征在于：在多跳网络中，将网络划分为多个群，每个群由能够在一跳距离内相互通信的节点组成；每个群随机选举一个群领导者，在每个群内实现本地共识；在获得本地共识之后，领导者继续参与全局共识。

4.根据权利要求3所述的无线网络中实现半同步bft共识的方法，其特征在于：所述拜占庭节点的数量不超过群集中节点总数的三分之一。

5.一种无线共识测试平台，该测试平台用于测试如权利要求2所述方法实现的半同步bft共识的性能，其特征在于：包括物理层、网络层和共识层；所述物理层提供测试的硬件设备，用于构建测试场景；所述网络层提供测试的软件系统，用于实现不同的通信协议及模式；所述的共识层提供共识协议，用于实现不同的半同步拜占庭容错共识。

6.根据权利要求5所述的无线共识测试平台，其特征在于：所述的网络层包括五种通信协议：reducecatch、csma-ack、csma-nack、tdma-ack和tdma-nack。

7.根据权利要求5所述的无线共识测试平台，其特征在于：所述的共识层包括三种共识协议：pbft、tendermint和hotstuff。

技术总结本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种无线通信协议及无线网络中实现半同步BFT共识的方法。所述的通信协议为ReduceCatch，包括：减少阶段，在一个周期内，采用TDMA为每个发送节点分配一个时间槽，重复NTX个周期；捕获阶段：漏掉消息的接收节点向目标发送节点传输NACK消息；接收到NACK消息后，在限定时间内目标发送节点重新发送消息。本发明提出的ReduceCatch，在构建多样化通信模式时表现出较低的消息和时间复杂度；能够实现可靠的1对N、N对1和N对N通信模式；在无线网络中特别是在动态自组织无线网络中实现半同步BFT共识。技术研发人员：徐明辉,刘硕,成秀珍受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1