面向可信联盟的区块链账本可验证修改方法研究

区块链历经十年发展,成为信息技术领域最被寄予厚望的颠覆性技术之一.区块链上链数据具有不可篡改性,历史区块数据一旦确认就不能变更.这保证了区块链历史数据的完整性和可验证,但另一方面,当区块链中出现数据管理需求,即历史区块中过期或无效交易需要被压缩、违法违规信息需要被管控删除时,这种特性也将阻碍区块链对有问题的数据进行修改.类似数据管理需求在联盟链、私有链中尤其突出.传统区块链利用哈希算法的碰撞困难,实现区块和交易的完整性验证.而变色龙哈希存在一个陷门,掌握陷门可以轻松找到哈希碰撞.基于这个特性,本文将该类哈希算法的陷门交给多方管理,从而在不影响前后区块的完整性验证的情况下,实现多方共识修改交易数据的功能.本文进一步对变色龙哈希进行改进,设计了一种适用于联盟链的多中心化的账本修改方案.考虑到交易修改功能的去中心化,即变色龙哈希的陷门不应生成、存放于单个节点的问题,改进后的算法允许联盟链的所有权限节点协作生成系统的变色龙哈希公私钥.同时,为了权衡时间、空间代价与安全性,设计了多种有关私钥生成与同步的共识机制,并对它们的空间开销、通信时间、安全程度等性能进行了对比.本文考虑了一些特殊情况下区块链系统的可用性和问责性.最后,利用改进后的变色龙哈希算法构建了原型链,实现了历史交易的管控功能,描述了数据管理功能的设计细节.实验表明,本文提出的账本修改方案,其最佳区块压缩率可达30％、算法执行速率整体达到毫秒级,且具有可证明的安全性.     

基于市场证明共识的分布式账本协议: Achain

区块链技术给加密货币带来了新的变化, 并得到了广泛的应用. 然而, 它仍面临着高吞吐量、低交易延迟、安全性和去中心化的需求和目标. 此外, 消费节点(交易提供者)的意愿难以映射到leader中, 区块开采者热衷于挖矿竞赛也导致中心化和能耗的加剧. 为此, 提出了一种不同于传统PoW (proof-of-work)共识的新型共识算法——PoM (proof-of-market), 及其第一个实施案例——Achain协议. PoM的算法设计使得消费节点进行PoW工作, 并投票选出leader节点. 这不仅离散化了挖矿的工作, 提升了去中心化, 降低了能耗, 还体现了消费节点的意愿, 只有受到最多支持的节点才能成为leader. 在性能上, 相较于PoW型区块链, Achain还提升了可扩展性, 此外, 还提供了一种Achain节点存储优化方案——FastAchain; 在安全性方面, Achain辅以一套激励相容的奖惩机制使得恶意节点的收益期望为负, 这保护了诚实节点的利益, 且Achain可以容忍至多1/3的全网总算力被恶意节点控制. 为了验证Achain的性能表现, 实施了一个大规模网络下的Achain原型用来评估其相关性能, 结果表明Achain达到了预期, 优于一些主流的代表性区块链协议, 且保持了良好的链收敛性和去中心化.     

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。     

基于分区型区块链医疗电子病历共享方案

针对基于传统区块链进行医疗数据共享时可扩展性受限制的问题,提出一种基于分片技术的区块链扩容共享方案.首先,基于跳跃一致性哈希算法进行周期性网络分片,通过随机划分全网节点大幅度降低单分片内女巫攻击的风险;其次,分片内使用可扩展的去中心化信任基础设施区块链(SBFT)共识协议以降低实用拜占庭容错(PBFT)共识协议的高通信...     

区块链工作量证明机制中的哈希算法探讨

区块链工作证明机制中哈希算法起着重要的作用,设计能对抗ASIC专用芯片计算的哈希算法对于保障区块链网络的安全和去中心化非常重要.现有的SCRYPT、X11、ETHASH、Cryptonight等算法都难以从根本上对抗ASIC芯片计算,因此需设计既有高计算复杂度,又具备算法变换共识机制的哈希算法,从而能够对抗只具备专用计算能力的ASIC芯片.     

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。     

基于云计算的物流区块链共识算法研究

为解决物流企业供应链的商流、物流、资金流、信息流、服务流等信息的不可篡改性、物品可溯源性、公证防伪不可抵赖性、资金的安全性等日益迫切的问题,提出了基于云计算的物流区块链模型及区块链共识算法。分析传统物流交易流程及其交易模型存在的问题,提出利用云计算与区块链解决其存在不足的思路;根据云计算与区块链的技术特点,融合各自的优势,给出物流区块链和云物流区块链的定义,提出基于云计算的物流区块链模型。根据实用拜占庭共识算法的基本原理和云物流区块链模型,结合去中心化和不可抵赖性的要求,对物流区块链共识算法进行设计,并与原始实用拜占庭共识算法、优化MinBFT算法进行分析比较。该算法与PBFT、MinBFT、CloudPBFT等算法进行对比实验,实验结果表明该算法在节点大于3f+1时,节点越多,吞吐量越大,其吞吐量以及网络延迟时间皆优于PBFT、MinBFT、CloudPBFT等算法。因此,该算法是一种可靠而有效的,具有去中心化和不可抵赖性的物流区块链共识算法。     

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。     

基于节点分组的权益证明共识机制

共识机制作为区块链的核心,针对区块链共识效率较低、消耗大量算力及电力资源等问题,权益证明(Proof of Stake, PoS)对工作量证明(Proof of Work, PoW)有所改进,却又存在权益中心化的风险。提出基于节点分组的权益证明共识机制,将节点按币龄分组,各分组依次竞争并在各组内产生收益,用以提高低币龄节点出块概率以及降低单次共识全网消耗。同时提出虚拟币龄与无币龄队列解决系统初始节点无币问题以及根据队列特性控制共识过程中高代币节点参与竞争频率。实验结果表明,改进后的PoS算法能够有效提升低币龄节点出块概率,防止权益中心化以及进一步减少资源的消耗与浪费。     

基于综合选举的DPoS共识算法

区块链技术是一种信任机制,具有去中心化、防篡改、可追溯的特性。共识算法是区块链核心技术之一,可维持区块链网络的运行,相较于工作量证明、权益证明等其他公有链共识算法,股份授权证明（DPoS）共识算法具有低延时、高吞吐量、几乎不分叉等优势。但由于按股份权重进行投票选举,选取的委托人总是持币量大的节点,导致其余节点出现投票政治冷漠性的情况,同时节点出块顺序随机,增大了节点通信的消耗。针对上述问题,提出一种综合选举算法CE-DPoS,该算法通过节点之间的通信消耗预先设定网络信息表,根据节点的意愿权重进行投票,投票后计算每个节点的最终得分。选择所有节点中分数最高的节点作为第一个委托人节点,再从该节点的网络信息表中选择得分最高的节点作为第二个委托人节点,直至选定委托人节点数达到系统规定。仿真实验结果表明,与DPoS、BFT-DPoS共识算法相比,CE-DPoS共识算法能动态地选择委托人节点,节点之间选举相对公平,节点活跃度提升至85%,同时出块时间降至0.4 s,能更好地应对日益增长的交易量。     

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.     

加密数字货币系统共识机制综述

共识机制是以区块链技术为支撑的加密数字货币系统的核心,分析并比较了现有的三种典型共识机制,为区块链开发者设计共识机制提供参考和建议. 解析了三种主流共识机制PoW、PoS、DPoS的基本思想、运行过程与优缺点,随后从公平性、运转开销、可持续性等几个方面归纳出每种共识机制的特点,然后从信用的去中心化程度、授权等多个角度进行分析比较,考量不同应用场景下的共识需求. 从应用场景出发,将两种或以上共识机制结合使用,在完全去中心化与中心化中间寻找到适合的平衡点,更符合未来共识机制的应用需求.     

基于信用的联盟链共识算法

针对当前共识算法中存在的共识效率低下和激励机制不足的问题,提出了一种基于信用的联盟链共识算法.首先,根据节点参与共识过程的行为,设计节点信用评估机制,通过信用奖励解决节点间激励机制不足的问题.其次,构造信用区块链和信用计算模型,将节点的信用值进行存储,并作为挑选"矿工"节点的依据,提高了共识算法的效率.最后,提出了分轮次的矿工节点选择算法,利用随机算法和优先级排列算法依次选择矿工节点,并提出节点信用值评估方法,避免节点信用值过大而成为寡头,确保节点成为矿工节点的公平性.实验仿真结果表明,该信用共识算法算力消耗低,出块速度快,相比现有的共识算法具有更好的性能,可以很好地应用于商业和医疗等联盟链场景.     

DPoS区块链共识机制的改进研究

针对委托权益证明(delegated proof of stake,DPoS)共识机制存在恶意节点相互勾结以及权益分配不合理的两大问题,提出了一种改进方案.首先,引入RBF神经网络模型,根据节点在整个区块链上工作表现的历史数据和相关属性计算综合信任值,使得通过综合信誉值选举出的节点更加权威可信;同时,加入基于动态博弈的信誉激励机制,增加了节点恶意攻击的成本,使得共识节点的出块更加安全.其次,利用沙普利值对节点权益进行合理划分,使得节点的权益得到了分散,增强了"去中心化"程度,降低了"财阀统治"的可能性.实验结果表明,改进后的DPoS共识机制能够有效抵御"腐败攻击",增强了系统的稳定性和安全性,具有潜在的应用价值.     

一种基于分组的区块链共识算法

区块链作为一门新技术,因为其去中心化、不可篡改等性质而被广泛研究。但由于公有链共识算法存在效率低、浪费资源等缺陷,研究者们转向对节点规模较小的联盟链的研究。目前联盟链使用的共识算法为传统的分布式共识算法,受制于节点的规模。当节点数目上升时,系统中的通信量也会上升。提出一种分组的共识算法,第一阶段通过盲签名投票选取胜利节点,第二阶段使用PBFT算法进行主节点的选取,有效缓解单纯使用PBFT算法带来的节点数目增多通信量过大的问题。最后使用该共识算法提出一种物联网系统的架构。     

基于跳跃Hash和异步共识组的区块链动态分片模型

区块链系统的实现方案普遍存在性能和容量上的缺陷,使其无法取得更广泛的普及和应用。分片被视为最有可能解决区块链瓶颈的技术,然而目前主流的实现方案普遍存在牺牲去中心化或者安全性来提升性能的问题。基于现有分片技术的研究,文中提出了基于跳跃Hash和动态权重的分片构建算法,该算法满足高效性、公平性、自适应性等特点,网络分片效率对比以太坊提升了8%,分片数量动态增减时节点迁移的工作量对比以太坊降低了25%;同时引入了异步共识组机制,提升了分片的交易安全性,能够有效处理跨分片交易。理论分析和实验证明,基于跳跃Hash和异步共识组的区块链动态分片模型的最大交易性能可达5000笔每秒。     

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。     

公开选举代表投票的DAG共识机制

区块链作为一种创新型的分布式账本技术, 以其去中心化、可追溯、防篡改等特性, 在未来许多行业中具有广泛的应用前景. 但现有单链式结构的区块链存在并发低、高延迟等问题. 一种基于有向无环图(directed acyclic graph, DAG)结构的新型账本技术的出现有望突破传统区块链的性能瓶颈, 但目前基于DAG型区块链系统的共识机制并不成熟. 本文针对典型DAG型区块链系统Nano网络的ORV共识机制存在的安全性问题进行改进, 提出了一种基于代表选举模型的公开选举代表投票共识机制, 即OERV (open election representative voting). 使主要代表节点的权益得到了分散, 增强了去中心化程度, 提高了网络安全性. 实验结果表明, OERV算法性能高效, 能够在不牺牲系统效率的同时增强系统的稳定性和安全性, 对于推动DAG型区块链共识机制的研究有着重要的现实意义.