委托股权证明共识机制的改进研究

针对委托股权证明（Delegated Proof of Stake,DPoS）共识机制系统中节点活跃度不高、错误节点剔除不及时、记账收益分配不合理等问题,提出了一种改进方案。改进方案主要改进了DPoS的计票机制和激励机制。改进的计票机制将节点的更多信息纳入了计票范围,使得选票能够更全面地反映节点的信用情况。根据节点的投票记录,动态调整节点选票的权重加快错误节点的剔除。对于激励机制的改进分为投票激励和记账激励两个部分,投票激励针对所有参与共识的节点给予相应的激励,激励系统中的节点积极参与投票。记账激励是根据博弈论中的权利指数来对收益进行二次分配,使得分配机制更为合理,有利于降低了系统的中心化趋势。通过实验验证了改进方案的有效性。     

基于斐波那契分组的重要性证明共识算法

权益证明共识算法(PoS)虽然有不需要花费算力的优势,但由于权益越高的节点获得记账权的可能性越大,会造成记账节点具有很强的确定性且容易富者愈富,一旦权益最高的节点无法正常记账出块,其余节点仍要重新竞争记账权,存在系统停滞问题.针对这两个缺陷,特提出基于斐波那契分组的重要性证明共识机制(FPoI).首先,引入重要性评估方案,依据节点活跃度、交易量、寻找随机数的时间和信誉值计算每轮中节点的重要性分数iValue;其次,为信誉值设置记账最低阈值,防止信誉值过低但重要性仍高的节点恶意记账;最后,按重要性得分高低排名,分数最高节点无法正常记账时,采用斐波那契数列将分数相近的节点分成一组,组内借鉴DPoS思想进行投票并按排名充当备选节点,每完成一个区块创建后都将重要性归零但保留信誉值.实验搭建一个拥有100个节点的FPoI共识机制的区块链,实验结果表明区块链系统平均出块时间稳定10s左右,当恶意节点占比由30％增加到70％时,成功记账的概率由0.25减少到0.06左右,减少了联盟作恶.     

节点偏好一致性最大化的DPoS记账权分配

委托权益证明(Delegate Proof of Stake, DPoS)通过投票选择见证人节点出块，实现了交易的快速认证，但其仍存在选择得到的见证人节点无法满足多数投票节点意愿、投票结果易被恶意节点操纵的问题，影响了DPoS的公平性与安全性.为此，本文将投票节点偏好的一致性作为选择见证人节点的指标，提出一种基于Kendall tau距离的DPoS记账权分配方法-DPoSKD (DPoS with Kendall tau distance).方法首先考虑到投票节点偏好不完整的问题，通过扩展Kendall tau距离定义以衡量不完整偏好间的一致性程度，然后将记账权分配过程建模为一个寻找与所有投票节点偏好一致性最大化的Top-k候选节点排列最优化问题，最后通过遗传算法来求解该优化问题，得到的Top-k候选节点作为见证人节点负责出块.实验结果表明通过该方法选择的见证人节点符合多数投票节点的意愿，提高了DPoS的公平性.同时，该方法具备更强的抗操纵性能，提升了DPoS的安全性.     

一种优化的权益证明共识策略

区块链作为一种去中心化的分布式账本技术,主要功能是在无信任的节点之间达成共识。在区块链中合适的共识机制能提高区块链性能,保证交易数据安全。针对权益共识机制中存在的"无风险投注"问题,提出一种新的权益证明共识策略。该策略允许投票节点投出支持票和反对票,若节点对某一分叉投支持票且该分叉最后胜出,则节点获得收益,若节点对某一分叉投出反对票且该分叉最后失败,则节点也获得收益。在以太坊平台上部署智能合约验证该投票策略,结果表明,该策略可以正常执行,并且节点最终达到共识。     

基于贡献值和难度值的高可靠性区块链共识机制

基于贡献值证明(PoC)的区块链共识机制是面向知识产权保护与交易应用场景提出的一种区块链共识机制,通过计算节点用户的贡献值,由贡献值最大的节点获得新区块的记账权.然而,由于PoC会造成记账节点具有很强的确定性,一旦该节点未能正常完成记账出块,网络中其它节点将始终保持在挂起等待状态,系统将陷于停滞状态,无法继续运行.为了使PoC区块链共识机制能够适用于公有链应用场景,本文提出基于贡献值和难度值(PoC+PoW)的区块链共识机制,使选择新区块记账权的节点具备一定的不确定性,能够有效解决PoC共识机制中存在的系统运行挂起缺陷.在PoC+PoW共识机制中,节点在工作量证明(PoW)竞争中所对应数学难题的难度值根据节点的贡献值(PoC)进行动态确定,是一种对单纯基于PoC共识机制的灾备方案,以确保系统运行的可靠性.本文提出的PoC+PoW方案根据节点的贡献值排名为节点分配相应的PoW难度值,节点再通过PoW共识机制竞争记账权.引入PoW后的共识机制最大程度地尊重PoC贡献值排名,使节点的记账出块率与其贡献值成高度正比,在系统运行层面则保证记账出块率达到或无限趋近100%,有效解决PoC带来的系统运行挂起问题.本文从节点贡献值排名、相邻贡献值节点间值差以及分组方式三个角度设计PoW难度值分配算法,并通过实验验证难度值分配算法的合理性和有效性.同时,通过实验与传统PoC共识机制在记账出块时延方面进行对比分析,进一步验证了PoC+PoW方案的优越性和可行性.     

一种基于双链模型的分区共识协议

针对目前分区模型中区块链的存储容量不能随着分区的增加而同步扩展以及分区算法存在的安全性问题,提出一种基于双链模型的分区共识协议(dual blockchain-based sharding consensus protocol,DB-SCP)。首先通过基于哈希链和交易链的双链分区存储模型来设计验证信息共享机制和交易差异化存储机制,实现了区块链的存储容量随分区的增多而同步增加;其次,采用基于节点投票份额的分区方法将节点权益拆分到不同的分区,有效防止了分区中权益过多节点的出现;最后采用VRF函数改进分区内共识算法,保证了验证者选取的随机性,且使用密钥演变技术保证了交易的前向安全性。安全性分析表明,基于投票份额的分区方式既稳定又安全,实验结果表明该协议有着良好的性能优势,存储容量较传统区块链模型提升了30%~70%。     

面向恶意节点攻击的车联网节点共识算法

针对车联网节点在共识过程中易受恶意节点攻击，造成区块链共识算法交易吞吐率低、交易时延长等问题，提出一种面向恶意节点攻击的车联网节点共识算法（NCCA）。NCCA将车联网网络划分若干个蜂窝单区域，通过节点的信用值分数确定可信任节点列表，并定期更新验证节点。采用票型权重不同的投票机制计算交易的投票票数，从而选择出需要进行共识的交易集。改进共识过程中区块验证的节点选择，选择高信用值验证节点完成共识。针对恶意节点攻击进行主动检测，提出一种多区域协同检测和单区域内局部检测的恶意节点二轮检测机制，对检测后的节点执行赋权和停权操作。实验结果表明，NCCA能高效检测出恶意节点，并降低性能较差节点和恶意节点对区块共识效率的影响，从而提高交易吞吐量并降低平均交易时延和平均节点通信开销，实现恶意节点攻击下的高效共识。     

FLRaft:基于联邦学习模型的选举共识方案

针对异构集群中Raft共识算法的投票分裂和领导者频繁更换造成的吞吐量低、共识时延高和安全性低等问题，提出了一种基于联邦学习模型的Raft选举共识方案FL＿Raft。首先，联邦学习聚合运行于每轮领导者迭代后，调用节点的本地特征数据，通过联邦学习训练模型筛选高性能节点组；其次，建立基于行为的权益计算模型，对集群中每个节点的权益值进行动态调整；最后，建立权益选举模型，由队列选举准领导者节点，选取出的节点经全体节点投票选举后成为最终领导者节点。实验结果表明，在保证各节点数据隐私性的前提下，相比Raft, FL＿Raft的选举时延降低了50%,领导者可靠性达到95%以上，共识时延缩短了20%,吞吐量提高了13%。FL＿Raft共识算法保证了选举的效率和安全，提高了集群的稳定性和领导者的可用性。     

基于S-BAC跨分片共识协议的改进方案

针对跨分片共识协议S-BAC通过分片之间互相通信来处理跨分片交易,造成通信开销大和高时延的问题,提出了一种改进的跨分片共识协议S-BAC+。首先,通过分片管理员来处理跨分片交易,有效地减少了通信开销和时延;其次,引入基于信誉的投票机制,为节点设置信誉值和信誉等级,通过投票选取最终票数高的节点组成分片管理员,提高了分片管理员的可靠性。实验表明,该协议比S-BAC更有效,减少了通信开销,降低了时延,提高了交易吞吐量。     

基于DPoS共识机制的改进

为降低委托权益证明共识机制中心化,提升系统吞吐量,提出一种全民评分选举、异步出块的共识机制。采用低门槛的参与方式,保证全民享有选举资格,在选举中引入责任连坐的奖惩制度,规范节点行为;在此基础上,利用有向无环图的特点,改进图的无序性,形成伪队列结构的存储模式。实验结果表明,该共识机制去除了节点权益的统治地位,降低了节点参与门槛,提高了系统活跃度;单位时间出块平均提升40%左右;系统数据冗余时,共识时延缩短45%左右。     

基于物联网区块链的轻量级共识算法研究

面对规模庞大的物联网数据,高效的共识算法是区块链技术与物联网应用相结合的关键。为解决大规模物联网区块链系统中传统共识算法通信开销大、扩展性低、共识机制复杂度高的问题,基于Hyperledger Fabric搭建一个物联网区块链框架,并设计基于投票和交易证明的轻量级共识算法PoVT。在链码验证交易后,根据节点之间发起和收到的交易,选择交易的源节点和目标节点作为代表参与共识。在共识阶段通过设计新的投票方式简化共识流程,仅需一次全节点广播即可生成新的区块。以优先收集到一定投票数的节点作为主节点进行投票广播,在所有节点收到足够多投票消息的同时进行上一轮交易区块确认。对安全性、出块时间和带宽需求进行分析,结果表明,PoVT算法在网络中存在拜占庭节点的情况下能够以较短的时间验证交易和区块,在每秒交易数量相同时,该算法生成区块的时间为PBFT算法的1/3,网络带宽占用也能减少30%,证明所提物联网区块链框架在不同应用场景中具有较高的可扩展性。     

基于投票机制的拜占庭容错共识算法

针对现有的区块链中实用拜占庭容错（PBFT）共识算法、基于动态授权的拜占庭容错（DDBFT）共识算法、联盟拜占庭容错（CBFT）共识算法普遍存在能耗高、效率低、扩展性差等问题，通过引入投票机制，提出了基于投票机制的拜占庭容错（VPBFT）共识算法。首先，以PBFT算法为基础，将网络中的节点划分为四类具有不同职责的节点。其次，算法中的投票节点具有投票和评分权，监督生产节点诚实可靠地生产数据块；生产有效的数据块的生产节点优先进入下一轮，候选节点能够被选为生产节点，而普通节点则能够成为投票节点或候选节点。最后，不同类型的节点之间具有一定的数量关系，能够在不同类型节点的数目或网络中的节点总数发生变化时动态调整参数，从而使得算法适应动态网络。通过性能仿真分析可知，VPBFT算法相较于PBFT、DDBFT、CBFT等共识算法，具有低能耗、低时延、高容错性和高动态性。     

授权股份证明共识机制的改进方案

针对授权股份证明（DPoS）机制中存在的节点投票积极性不高及如何降低恶意节点被选举为代表节点的概率等问题,提出了一种基于奖励机制和信用机制的改进方案。奖励机制规定代表节点所得的交易费要与为它投票的节点所共享,并提出一种改进的收益分配算法合理分配各节点所得的权益;信用机制为节点设置信誉值和状态,并通过优化投票结果的计算方式加大恶意节点成为代表节点的难度。在以太坊平台上搭建了测试区块链对改进方案进行了实验分析,结果表明该改进方案能够降低恶意节点选举成功的概率,提高了系统的安全性。     

基于实用拜占庭容错的改进的多主节点共识机制

针对实用拜占庭容错（PBFT）共识协议通信复杂度高导致的共识效率低、单一主节点发生故障或存在拜占庭行为时会导致共识过程停止的问题,提出了改进的多主节点实用拜占庭容错（IMPBFT）共识机制。首先,通过节点的共识轮数、存在拜占庭行为的共识轮数以及节点被赋予的优先值,计算出节点的有效共识轮数,再依据有效共识轮数的大小选出多个主节点。其次,对原共识机制进行改进,使所有节点利用改进的机制进行共识。最后,引入流水线来实现IMPBFT共识的并发执行。在进行流水线操作时,不同轮共识的多阶段消息统一签名,并且不再使用固定周期来控制流水线。理论研究和实验结果表明,IMPBFT的多主节点结构相较单一主节点的共识结构更加安全稳定;与平方级通信量的PBFT和信用委托拜占庭容错（CDBFT）共识相比,IMPBFT将通信量降至线性级;在交易吞吐量、扩展性和交易时延方面,IMPBFT的性能要优于PBFT和CDBFT;使用“多阶段消息统一签名、无固定周期”流水线的IMPBFT,比未使用流水线的IMPBFT在交易吞吐量上提高了75.2%。     

基于备选投票机制的低时延PBFT改进研究

针对实用拜占庭容错算法PBFT共识时延高、视图切换效率低、动态性不足等问题,提出一种基于备选投票机制的低时延共识算法IPBFT。通过增设候补集合,使系统的共识节点能够支持动态增加和减少,同时优化视图切换协议,使算法能够在只有两个阶段的情况下完成共识过程,降低系统的通信开销。在此基础上,将算法的主节点选取方式改进为投票选举机制,在节点进行共识的过程中实现主节点的选举,从而减少视图切换所需的通信次数和时延。实验结果表明,IPBFT算法较原始PBET算法具有更低的共识时延和更高的吞吐量,并且能够较好地支持节点动态的加入或退出。     

联盟链中实用拜占庭容错算法的改进

针对实用拜占庭容错算法(PBFT)中存在的通信开销大、算法效率低等问题,结合联盟链特点,提出了一种改进的PBFT算法(score-PBFT,S-PBFT).引入节点评分机制,将节点划分为共识节点、候选节点和预备节点三种类型,并根据节点行为对节点进行动态调整,最大程度上保证共识节点的可靠性.改进了主节点的选举方式,以节点...     

基于BLS聚合签名技术的平行链共识算法优化方案

目前,平行链的每个共识节点均需发送各自的共识交易到主链上以参与共识,这导致大量的共识交易严重占用主链的区块容量,并且浪费手续费。针对上述问题,利用平行链上的共识交易具有共识数据相同签名不同的特点,结合双线性映射技术,提出一种基于BLS聚合签名技术的平行链共识算法优化方案。首先,用共识节点对交易数据进行签名;然后,用平行链各节点通过点对点（P2P）网络在内部广播共识交易并同步消息;最后,由Leader节点统计共识交易,且当共识交易的数量大于2/3时,将对应的BLS签名数据聚合并发送交易聚合签名到主链上进行验证。实验结果表明,所提方案与原始平行链共识算法相比能够有效解决平行链上共识节点重复发送共识交易到主链的问题,在减少对主链存储空间的占用的同时节省交易手续费,只占用主链存储空间4 KB并且只产生一笔0.01比特元（BTY）的交易手续费。     

基于信誉度的Hashgraph共识算法

针对Hashgraph中存在的共识过程复杂,稳定性差,系统受节点活跃度、处理能力、带宽等因素影响大等问题,提出了一种基于信誉度的Hashgraph共识算法.首先,该算法创建了信誉度模型,并将其和奖励机制结合,规范节点行为的同时激励节点积极参与数据同步与共识.其次,引入领导人优化共识过程,将虚拟投票中的投票、收集票数、确认事件三个步骤缩减为选择领导人、确认事件两个步骤,缩短了交易完成确认的时间.最后,为保证领导人节点的安全性和公平性,设计了基于信誉度的领导人选择算法,实现了领导人节点的不可预测性以抵抗拜占庭节点对领导人节点的提前攻击.实验及安全性分析表明,该算法有效降低了系统对节点的依赖性,具有系统稳定性强、共识效率高、安全性强等优点.     

适用于区块链的高效异步拜占庭容错算法

针对现有异步共识算法存在的多轮次通信开销大、随机抽签算法中缺乏信誉机制导致了较多的抽取次数等不足,提出了一种高效的异步拜占庭容错算法PenguinBFT。首先,在广播交易时直接广播原文,降低了共识通信开销;其次,引入了节点信誉评估机制,从网络情况相对稳定的节点集合中选取出块者,以减少随机抽取次数;最后,对网络节点进行分区,在请求交易缺失时,让不同的节点访问不同的分区进行交易恢复,既能减少通信开销又能提升交易恢复效率。实验结果表明,当节点规模达到64时,提出的PenguinBFT算法相较于Honey-BadgerBFT、DumboBFT和DispersedLedger算法,在通信开销、吞吐量和交易确认时延等方面均有50%以上的提升。