基于Raft算法改进的实用拜占庭容错共识算法

针对应用于联盟链的实用拜占庭容错（PBFT）共识算法可扩展性不足、通信开销大等问题,提出了一种基于Raft算法改进的实用拜占庭容错共识算法K-RPBFT。首先,将区块链分片,使用K-medoids聚类算法将所有节点划分为多个节点簇,每个节点簇构成一个分片,从而将全局共识改进为分层次的多中心共识;然后,每个分片的聚类中心节点之间使用PBFT算法进行共识,而在分片内部使用基于监督节点改进的Raft算法进行共识。K-RPBFT算法的片内监督机制赋予了Raft算法一定的拜占庭容错能力,并提升了算法的安全性。实验分析表明,相较于PBFT算法,K-RPBFT算法在具备拜占庭容错能力的同时能够大幅降低共识的通信开销与共识时延,提升共识效率与吞吐量,并且具有良好的可扩展性与动态性,使联盟链能够应用于更广泛的场景中。     

融合可验证随机函数和门限签名的拜占庭容错共识算法

共识算法作为区块链底层的关键技术,可以解决分布式系统中由于节点分散而导致的共识难以达成的问题.现在联盟链中普遍使用的实用拜占庭容错共识算法,在准备阶段和提交阶段需要所有备份节点间互相交换信息,出现网络故障或者遭遇分布式拒绝服务攻击的时候,会出现活性差、可扩展性不强、鲁棒性不足等问题.针对上述问题,本文以联盟链在高校学生信息存储和管理运用为背景,在实用拜占庭容错算法基础上,提出一种融合可验证随机函数和门限签名的拜占庭容错共识算法.算法利用可验证随机函数的随机特性和零知识证明的特性来构造匿名选主算法,达到隐藏主节点,模糊敌手攻击对象,增强抵抗网络自适应攻击的能力.同时通过基于代表法定人数投票意愿的门限签名机制,使备份节点只通过验证门限签名,就能确认共识达成,从而保证在高丢帧率的网络环境下,增加达成共识的概率,提升拜占庭容错共识算法的鲁棒性.实验分析表明,系统在f个节点宕机、网络数据发送成功率只有80%的情况下,达成共识的概率依然超过90%,在提高共识概率的同时,降低签名验证的次数,提升了可扩展性,有效保证了系统的活性.     

基于网络自聚类的PBFT算法改进

联盟链是区块链技术在实际行业应用的主要形式,其共识机制多采用实用拜占庭容错算法(PBFr),在节点数量大时共识成功率与共识效率不高,存在扩展性问题.为此,提出一种基于网络自聚类拜占庭容错共识算法NAC-PBFT.利用行业应用中网络结构、系统节点等确知信息,在联盟链审核节点时指定种子节点,再以种子节点为中心自聚类为若干分组,组内通过优化实用拜占庭容错算法选举出代理人,由各组代理人共同完成全局共识.其中,组内选举时,通过定义可信度指标衡量节点作为筛选候选代理人的标准,确保每次选出的代理人具有良好的状态.通过对系统分析与性能测试,NAC-PBFr算法能有效降低消息量,在共识时间、系统吞吐量指标上有更好的表现,具备较好的扩展性.     

基于信任度匹配的改进PBFT共识算法

共识算法是去中心化的区块链系统实现数据状态一致的关键。针对传统的实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)共识算法在可扩展性和安全性方面存在的不足,提出一种基于信任度的匹配拜占庭共识算法(Trust-based Matching Byzantine Fault Tolerance,TMBFT)。首先,通过基于信任度的邻居匹配模型来选取部分节点进行投票共识,以降低区块链网络的通信量;其次,引入信任度评价机制来监督邻居节点的行为,确保有效检测出拜占庭节点,保证节点投票的安全性;最后,设计投票计数机制保证了共识结果的一致性,并提高了共识效率。与PBFT相比,TMBFT将通信复杂度从O(N^2)降到O(Nlog2N),有效降低了网络中的通信开销。安全性分析表明,信任度评价机制可降低节点作恶的概率,并有效提高系统安全性。实验结果表明,TMBFT较传统拜占庭算法具有更好的性能优势。     

基于信誉的动态授权PBFT共识机制

区块链是一种基于零信任基础、去中心化及不可篡改的分布式账本技术。共识算法作为区块链主要技术之一,其效率直接影响区块链系统性能。针对PBFT共识算法运行效率低的问题,本文提出了基于信誉的动态授权PBFT共识机制,引入信誉评价体系对系统节点进行信誉评价,动态决定从信誉最高的节点中选取共识节点,同时实现了非停机情况下动态增删节点的功能,且随着系统长期运行,所能容忍的拜占庭节点动态增加;优化了一致性协议,将传统的一致性协议与基于speculation技术的拜占庭协议进行融合,降低了算力开销和通信代价;通过对共识节点的信誉及行为分析,进一步降低恶意节点成为共识节点的概率,解决了由拜占庭节点作为主节点带来的交易延迟增加问题。最后从算力开销、交易吞吐量和容错性能等方面进行了论证分析。     

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。     

检测型的联盟区块链共识算法d-PBFT

联盟区块链通常都会采用严格的身份准入机制,但然而该机制不能完全保证联盟网络中不会混入拜占庭恶意节点,也不能担保现有的联盟成员节点一定不会被第三方敌手劫持利用。针对这类问题,提出了一种能够监控节点状态的检测型实用拜占庭容错（d-PBFT）共识算法。首先,选举主节点并校验主节点的其状态,以保证选举出来的主节点从未有过作恶历史;然后,经历“预准备—准备—提交”的共识三阶段过程,尝试来完成客户端提交的共识请求;最后,会根据三阶段完成的情况对主节点的状态进行评估,将有故障或作恶行为的主节点标记出来,并将作恶的主节点加入到隔离区等待处理。该算法在容忍一定数量拜占庭节点的基础上还能随时监控各个节点的状态,并对恶意节点能够进行隔离,从而降低恶意节点对整个联盟系统的不良影响。实验结果表明,采用d-PBFT算法的网络拥有较高的吞吐量和较低的共识时延,并且在联盟网络中有拜占庭节点的情况下相较原实用拜占庭容错（PBFT）算法的共识生成量提升了26.1%。d-PBFT算法不仅提高了联盟网络的健壮性,还进一步提升了网络的吞吐量。     

具有监督机制的高效拜占庭容错算法

共识机制作为区块链技术的核心内容,在不同应用领域各有差异。针对联盟链应用场景,应用广泛的实用拜占庭容错（PBFT）算法仍然存在效率及安全性问题,因此从网络模型、共识本质及安全攻击等角度对PBFT算法进行研究,提出了一种高效监督拜占庭容错算法（Efficient Supervised Byzantine Fault Tolerance,ES-BFT）。针对效率问题,ES-BFT算法将节点随机划分为多个节点簇,设置信誉值,通过信誉值从节点簇中选举共识节点、监督节点,尽可能提升共识节点的高效性及可靠性;监督节点对共识节点进行监控,避免了在Global Stabilization Time（GST）开始之前共识节点可能遭遇的系统不协调问题,进一步保证算法的安全性;通过实验表明ES-BFT算法在效率及安全性上较PBFT算法有所提升,并且免疫在GST之前的攻击所导致的系统不协调问题。     

基于推荐信任模型改进拜占庭容错共识算法

针对拜占庭容错算法存在通信开销大、节点选取简单、对恶意节点缺乏惩罚机制的问题,提出了一种基于推荐信任模型的改进拜占庭容错共识算法。引入P2P网络下的推荐信任模型,根据节点在共识阶段的行为,计算各节点的全局信任值,使用节点选取机制,解决节点选取简单的问题。全局信任值高的节点进入共识组,恶意节点被踢出共识组不再参与共识,解决恶意节点缺乏惩罚机制的问题。实验表明,R-PBFT较PBFT具有更低的网络开销和更高的容错性。     

面向物联网的PBFT优化共识算法

面对大量的物联网事务,高效的共识算法是区块链技术应用于物联网的关键.物联网设备大多以无线通信的方式接入互联网,基于此,文中构建了一种大规模无线密集型网络场景.针对该场景下实用拜占庭容错算法网络通信开销过高、共识时延较长、吞吐量较低的问题,提出了一种基于聚类的实用拜占庭容错算法.首先依据位置特征对节点进行聚类,形成一个多中心层次化的网络结构;其次将共识任务进行分解,在底层和上层网络中分别进行共识,以减少共识所需的通信量;最后引入动态信誉模型评估节点的可信度,减少异常节点的参与,提高系统的安全性和可靠性.实验结果表明,基于聚类的实用拜占庭容错算法能够有效减少通信开销和共识时延,并提高吞吐量.     

基于演化博弈的理性拜占庭容错共识算法

拜占庭容错算法(byzantine fault-tolerant)是保证区块链等分布式系统能够达成一致性的重要算法,其性能影响着系统的安全性和稳定性。针对现有共识算法存在效率低下和缺少激励机制等问题,提出了一种基于演化博弈的理性实用拜占庭容错共识算法。首先,通过引入信誉机制来确定节点在共识过程中的可信任度,以信誉值为理性节点共识积极性的依据,基于信誉对共识节点进行划分,采用节点网络分片化的共识方式来提升共识效率;其次,针对共识过程中节点之间链路动态性对信誉值产生的影响建立演化博弈模型,并分析证明信誉稳定策略的存在性,设计基于信誉稳定策略的激励机制,以提升共识节点参与共识的积极性。实验结果表明,所提共识算法可提升40%的吞吐量,且在共识过程中对节点所设计的信誉演化博弈模型有快速收敛的效果。     

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。     

基于角色管理的实用拜占庭容错共识算法

针对目前存在的应用于联盟链的实用拜占庭容错（PBFT）共识算法扩展性差、能耗高、效率低和主节点选取方式简单的问题,提出一种基于角色管理的拜占庭容错(RPBFT)共识算法。首先,将系统中的节点划分为管理者、候选者和普通节点3类具有不同职责的角色节点。其次,候选节点具有投票权,投票选举相应的候选节点为管理者;普通节点在满足条件后可以转化为候选节点。最后,通过奖励机制管理不同类型的角色节点之间的转化;不同角色节点的数量能够在网络节点总数发生变化时动态调整,使得算法可以适应动态网络。通过实验得出RPBFT共识算法具有高可靠性、低时延、低能耗和较好的扩展性。     

面向边缘计算应用的拜占庭式容错分布式一致性算法

为解决边缘计算中边缘节点易于被攻击或俘获产生拜占庭错误,从而破坏边缘计算应用可用性的问题,设计一种面向边缘计算应用的拜占庭容错分布式一致性算法Edge-Raft。该算法在现有的经典Raft算法基础上,针对边缘环境中潜在的拜占庭错误进行重新设计,通过引入数字签名、同步日志检测、轮询选举、惰性投票、三阶段日志同步等机制,使其具有拜占庭容错特性的同时,将消息传递的复杂度限制至线性级,保证小于1/3的集群总数的边缘节点发生拜占庭错误时仍能为用户提供有效服务。基于不同节点规模的实验结果表明,与现有Raft算法相比,该算法在保留Raft算法可理解性的基础上,保证算法在边缘环境中的可用性与活性。相比于现有的实用拜占庭容错算法,所提算法将消息传递的时间复杂度限定在线性级,保证该算法在多节点边缘环境中的可拓展性。     

基于双链的可扩展物联网模型

针对当前区块链和物联网结合面临的存储和交易吞吐量压力进行了研究,提出一种基于双链的可扩展物联网模型.首先,设计了基于交易链和哈希(hash)链的双链存储结构和分区模型,通过交易链差异化存储降低了节点的存储压力,通过hash链提升了系统的整体安全性,并实现了全网数据的自由交易;其次,提出了一种并行多块创建协议(parallel multi-blocks creation protocol,PMCP),降低了系统共识时延,提高了系统的吞吐量,具有良好的可伸缩性;最后,提出了基于信誉的验证者和领导者选举算法,保证了节点选择的随机性和公平性,避免了系统中心化问题,设计了节点信誉值的评估机制,保证了协议的安全性.实验结果表明,该模型存储容量较传统区块链模型有大幅度提升,提高了区块链系统的可扩展性,PMCP协议的吞吐量和时延要明显优于PBFT等协议,所提信誉机制激励节点作出理性选择,可以很好地提升网络的安全性.