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%。     

一种基于区块链的大健康数据存储和共享模型

针对各类机构健康数据共享困难、用户隐私保护不力等问题,提出一种基于区块链的大健康数据存储和共享模型,实现居民健康数据的安全存储和共享.为了处理跨链交易数据,保证数据跨域流转过程中的安全性、完整性、一致性,提出基于联盟链的双链网络模型.其中,联盟链存储数据的hash摘要、存储地址、关键字密文;大健康联盟链存储数据跨域访问记录,并利用代理重加密技术对跨域数据进行重加密操作.为了防止节点共谋并提高共识效率和模型容错率,设计一种基于节点信誉的当值节点选择方案.通过安全性分析和仿真实验得出方案的安全性与高效性,证明其适用于大健康数据存储和共享模型.     

基于变色龙hash的区块链可扩展存储方案

区块链中的节点以副本形式保存数据,随着时间的推移,区块链中的区块数不断增加,导致节点承受的存储压力随之增大,存储压力成为区块链应用落地的瓶颈之一。为了解决区块链中存储压力问题,提出了基于变色龙hash的区块链可扩展存储方案,该方案利用节点被攻击成功的概率和改进的温度模型,将区块分为高低安全性的冷热区块;基于变色龙hash算法和改进的Merkle tree,对高安全性的冷区块进行部分节点存储。在存储过程中,除高安全性冷区块的区块体信息被重构外,其余数据保持不变。仿真实验表明,在不改变区块链结构和安全性能的情况下,所提出的方案可减少区块链中数据的存储总量,减少存储节点的存储压力;且区块数量越多,其优势越明显。     

基于区块链技术的物联网信息共享安全机制

针对物联网（IoT）信息共享中存在的源数据易被篡改、缺乏信用保障机制以及信息孤岛问题，提出一种基于区块链技术的轻量级物联网信息共享安全框架。该框架采用数据区块链和交易区块链相结合的双链模式:在数据区块链中实现数据的分布式存储和防篡改，并通过改进的实用拜占庭容错（PBFT）机制共识算法，提升数据登记效率；在交易区块链中实现资源和数据交易，并通过基于部分盲签名算法的改进算法，提升交易效率、实现隐私保护。仿真实验部分分别针对抗攻击能力、双链的处理能力和时延进行了验证分析，结果表明该框架具有安全性、有效性和可行性，可应对现实物联网中的大部分场景。     

基于区块链的司法数据管理及电子证据存储机制

文章针对司法场景下的事务数据分类、实体类型及电子证据在实际应用中的存储与共享访问等需求,结合区块链技术,提出一种面向司法审判场景的电子数据安全存储链式结构。该结构分为司法联盟链JudChain和证据存储链EviChain两部分,实现对司法流程数据和电子证据的高效管理和安全存储,且具有完整的节点认证及区块生成流程。此外,文章还提出了应用于JudChain的共识协议,该协议对传统PBFT算法进行改进,降低了共识开销和交易时延,提升了共识效率和吞吐量。     

基于哈希图的建筑物联网数据管理方法

针对区块链应用于建筑物联网场景时存在的吞吐量严重不足和响应时延高的问题,提出一种基于哈希图的建筑物联网数据管理方法。该方法使用有向无环图（DAG）存储数据,从而利用图式结构的高并发特性提高区块链的吞吐量性能;引入哈希图算法对存储在DAG内的数据达成共识,从而减少共识所需时间;设计智能合约实现访问权限控制,以防止未授权用户对数据的操作。使用区块链性能测试工具Caliper进行的性能测试的结果表明：在由32个节点构成的中等规模仿真环境下,与现有边缘计算方法和跨链方法相比,所提方法的吞吐量为每秒处理1 063.1笔交易,分别为对比方法吞吐量的6倍和3倍;该方法的数据存储时延和控制时延分别为4.57 s和4.92 s,响应速度优于对比方法;该方法在尖峰冲击测试中的交易成功率为87.4%;同时基于该方法的原型系统在稳定性测试中可以平稳运行120 h。可见,所提方法可以有效提高区块链的交易吞吐量和响应速度,满足建筑物联网场景的实际使用需求。     

基于中国剩余定理的区块链存储扩展模型

区块链以分布式账本的形式存储交易数据,其节点通过存储哈希链来持有当前数据的副本。由于区块链链式结构的特殊性,区块的数量会随着时间推移不断增加,节点承受的存储压力也随之增大,因此存储扩展性成为区块链发展的瓶颈之一。针对该问题,提出了一种基于中国剩余定理（CRT）的区块链存储扩展模型。模型将区块链分为高安全性区块和低安全性区块,并对它们采取不同的存储策略。其中,低安全性区块以全网保存（所有节点都需保存）的形式进行存储,高安全性区块被基于CRT的分割算法分片后以分布式的形式进行存储。此外,利用冗余余数系统（RRNS）的错误检测与纠正来防止恶意节点攻击,进而提高数据稳定性和完整性。实验结果与安全性分析表明,所提模型在具有安全性、容错性的同时保障了数据的完整性,还能有效地减少节点的存储消耗,增强区块链系统的存储扩展性。     

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.     

基于区块链与云-边缘计算混合架构的车联网数据安全存储与共享方案

针对车联网（IoV）中云计算的高时延、数据泄漏和恶意车辆节点篡改数据等问题,提出了一种基于区块链与云-边缘计算混合架构的IoV数据安全存储与共享方案。首先,采用联盟链-私有链的双链去中心化存储结构来保障通信数据的安全;然后,利用基于身份的数字签密算法和基于离散中心二项分布的环签名方案来解决通信过程中的安全性问题;最后,提出了基于动态分层和信誉值评估的实用拜占庭容错机制（DRPBFT）,并将边缘计算技术与云计算技术相结合,从而解决了高时延问题。安全性分析结果表明,所提方案在信息共享过程中保证了数据的安全性和完整性。实验仿真和性能评估结果表明,DRPBFT的时延在6 s内,且有效地提高了系统的吞吐量。所提IoV方案有效地促进了车辆数据共享的积极性,使IoV系统更加高效稳定地运行,达到了IoV实时、高效的目的。     

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。     

基于有向无环图的区块链技术综述

区块链技术已广泛应用于金融、公共服务、物联网、网络安全、供应链等多个领域,但传统单链结构的区块链在吞吐量、交易确认速度和可扩展性方面存在不足,导致其在一些短时高并发量数据场景中难以落地应用。基于有向无环图（DAG）的区块链技术因其具有交易并发确认功能、吞吐量高、可扩展性强等优势受到研究者广泛关注。通过分析研究现有DAG区块链的发展和演化过程、评估方法、优化方向以及应用场景,探索DAG区块链在落地应用中的可行性。阐述主流DAG区块链的研究现状,比较传统区块链与DAG区块链的优势与不足,并分析现有区块链属性评估方法,总结DAG区块链评估结果。在此基础上,从交易确认速度、系统吞吐量、系统安全性、存储结构等方面对比现有DAG区块链的优化方法,介绍DAG区块链在数据管理、基于边缘计算和联邦学习的数据共享以及面向访问控制和隐私保护的数据安全等场景中的应用情况,并指出当前研究中存在的主要问题和挑战,对未来的研究方向进行展望。     

基于区块链的物联网可伸缩管理机制

为了解决大规模物联网（IoT）设备集中式管理的安全性和可伸缩性问题,提出一种基于区块链技术的轻量级物联网设备可伸缩管理框架。该框架采用区块链网络,在网络中部署智能合约为设备管理提供操作接口,利用设备管理器将轻量级物联网设备独立于区块链网络之外,并改进了区块链中拜占庭容错算法（PBFT）的一致性协议,增加了动态选举机制。仿真实验分别对改进共识算法的性能和机制的可伸缩性进行验证,结果表明,该机制具有良好的伸缩性,设备管理器每秒能响应约1 000次的请求。与传统PBFT算法相比,改进算法提高了交易吞吐量,缩短了交易延时,并减少了通信开销。     

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。     

区块链增强型轻量级节点模型

区块链固有的链式结构意味着其数据量无休止地线性增长,随着时间的积累,对单个节点的存储造成很大的压力,对整个系统的存储空间造成极大的浪费。在比特币白皮书中提出的SPV（Simplified Payment Verification）节点模型,大大减少节点对存储空间的需求,但是,它使得全节点的个数减少、压力增大,减弱了整个系统的去中心化程度,存在拒绝服务攻击、女巫攻击等安全隐患。通过对比特币区块数据进行分析,提出一种功能完整的增强型轻量级节点模型ESPV（Enhanced SPV）。ESPV把区块分为新区块和旧区块,对它们采用不同的存储管理策略。新区块以全部副本（每个节点保存一份）的方式保存以用于交易验证,用较少的存储空间代价让ESPV具有交易验证（挖矿）功能;旧区块分片存储在网络的节点中,通过分级区块分区路由表访问,在保证数据可用性和可靠性的前提下减少系统对存储空间的浪费。ESPV节点具有完整的节点功能,从而保证区块链系统的去中心化特性,增强其安全性和稳定性。实验结果表明,ESPV节点具有80%以上的交易验证率,在数据量和增长量上这些节点仅为全节点的10%,ESPV的数据可用性和可靠性有保障,适用于系统的整个生命周期。     

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...     

基于主侧链合作的区块链访问控制策略

传统区块链技术处理交易能力弱、吞吐量低,不仅难以处理工业环境下的海量数据,而且其访问控制策略权限管理效率低,安全性不足。针对上述问题,提出一种基于主侧链合作的工业物联网访问控制策略。通过Plasma Cash框架构建高性能DPOS侧链,并根据合约将侧链与主链双向锚定,实现区块链的主侧链扩容。根据工业物联网的节点特点和主侧链区块链的运行环境,设计适用于主侧链环境的访问控制模型,访问控制模型内的主客体信息收集点阻隔外部实体直接访问,信息处理点实现访问控制策略执行与存储分离。将模型编写成图灵完备智能合约后放至侧链上,侧链负责合约的执行并通过稀疏默克尔树算法与主链进行数据的批量同步验证。实验结果表明,该策略可对基于工业物联网的区块链传输速度和稳定性进行有效优化,提高了控制策略的管理效率和安全性,可满足工业物联网中的使用需求。     

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。     

边缘计算场景下的多层区块链网络模型研究

近年来,越来越多的研究人员尝试将边缘计算场景中收集的数据存储在区块链上,以解决传统数据存储方案中数据安全性差、防篡改性弱的问题.然而在已有的设计方案中,设备往往需要保存完整的区块数据,并且在对链上的特定数据进行取回或验证时,需要遍历大量的区块以找到对应的数据,降低了边缘计算场景中用户侧的响应速度.此外,传统共识算法也不适用于资源受限的终端设备.针对上述问题,本文提出了一种面向边缘计算的多层区块链网络模型.具体地,该模型被分为了核心层、边缘层和终端层三层:终端层被划分为多个局部网络,每一个局部网络中都包含了一个终端侧区块链,链上存储了该局部网络中终端节点产生的数据;位于边缘层的边缘侧区块链对终端层中的每一个局部网络中的终端侧区块链定期进行备份;核心层中部署了一些核心设备,负责边缘层节点的审核、注册等工作.我们对模拟数据进行了仿真实验,结果表明在该模型中查找某一特定数据哈希的速度相比传统的有向无环图式区块链模型提高了4-7倍.我们还提出了一种自适应工作量证明算法,算法执行的难度可以根据终端节点的行为动态进行调整.实验结果表明,相比传统工作量证明算法,执行该自适应算法的正常节点的交易效率可以提升4-5倍.