结合BLS聚合签名改进实用拜占庭容错共识算法

针对实用拜占庭容错(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)共识算法运用在联盟链中达到O(n2)的通信复杂度难以支持大规模网络的问题,提出一种聚合签名的拜占庭容错算法(aggregate-signature byzantine fault tolerance,ABFT).首先,改进PBFT共识算法中节点的信息交互方式,在prepare阶段各个副本节点单点发送信息及签名给主节点验证,在commit阶段由主节点收集签名并验证,结合BLS(boneh-lynn-shacham)签名将验证通过的多个签名聚合成一个聚合签名,将该聚合签名以及其他必要信息广播给其他所有副本节点验证;此外增加了finish阶段,用于防止大部分的副本节点超时而导致视图变更.ABFT算法将网络通信的复杂度降低为O(n),通过实验表明,在多个节点的情况下,ABFT算法有效地降低了共识的时延且提高了交易吞吐量,可扩展性更优,使联盟链可容纳大量节点.     

基于二项交换林和HotStuff的改进共识算法

针对区块链中拜占庭容错类的共识机制存在通信复杂度高、视图切换复杂以及扩展性差的问题,提出了一种基于二项交换林和HotStuff的改进共识算法,即增强HotStuff（HSP）共识算法。为实现签名批量验证和签名聚合,采用了BLS签名算法;为降低系统的通信复杂度,采用了门限签名技术;为降低视图切换时的通信复杂度,共识过程采用了三阶段确认方式;为减少主副节点间的通信次数并降低主节点聚合签名的压力,采用了改进的二项交换林技术。测试结果表明,HSP共识算法在系统节点总数为64且请求和响应均为256字节的情况下,吞吐量较HotStuff共识机制提升了33.8%,共识延迟缩短了16.4%。HSP共识算法在节点多的情况下,具有较好的性能。     

基于门限签名的分布式预言机链下共识方案

为解决现有分布式预言机网络链上共识方案存在的区块链网络压力大、共识效率低等问题,提出一种基于门限签名的分布式预言机链下共识方案。基于(t,n)门限签名技术和Schnorr签名算法,设计包含密钥生成、签名生成、签名验证和预言机奖励4个阶段的共识流程。各预言机节点在链下达成共识后,由一个节点将聚合后的单一数据和可验证签名发送到区块链,在保证上链数据可信性的同时,减缓了区块链网络压力,提高了共识效率。给出方案实施的具体步骤并证明方案的正确性和安全性。实验结果表明,该方案具有较好的有效性和实用性。     

改进SM2签名方法的区块链数字签名方案

为了提高联盟链实用拜占庭容错（PBFT）算法共识过程中数字签名密钥保存安全性和签名效率问题,结合联盟链PBFT共识算法的实际运用环境提出了一种基于密钥分割和国家标准SM2签名算法的可信第三方证明签名方案。该方案中由可信第三方产生和分割密钥并将子分割私钥分发给共识节点,每次共识须先向可信第三方证明身份后,获取另一半子分割私钥来进行身份签名验证。该签名方案结合联盟链的特性实现了私钥的分割保存,利用共识特性结合哈希摘要消去了传统SM2算法中的模逆的过程。通过理论分析证明了该方案可抗数据篡改和签名伪造,同时借助Java开发工具包（JDK1.8）和TIO网络框架模拟共识中的签名过程。实验结果表明所提方案比传统SM2签名算法效率更高,并且共识节点越多效率差距越明显,在节点数达到30时,其效率较传统SM2算法可以提升27.56%,表明该方案可以满足当前联盟链PBFT共识的应用环境。     

依托BLS签名的基于身份盲签名方案

依托Boneh等人提出的签名(BLS签名)算法、BLS签名的盲生成算法和BLS签名的聚合算法,提出了一种高效的基于身份盲签名方案。该方案具有轮复杂度最优的特点,即盲签名的生成协议只需用户和签名者依次发送一次信息。它的安全性基于one-more CDH假设,而其他方案则依赖于一个更强的假设--ROS假设。另外,它还具有计算效率高,签名长度短等特点,特别适合电子现金、网络投票等具体应用。     

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。     

一种基于门限签名的区块链共识算法

针对区块链应用于物联网环境下的特点和要求,分析了目前广泛应用于联盟链的实用拜占庭容错算法（PBFT）的弊端以及目前应用于共识网络中的门限签名算法存在的普遍问题,提出改进的共识算法。首先,新共识机制将网络中的节点分组用部分节点的两两通信代替所有节点的两两通信减少通信量;其次,将组合公钥的思想引入到门限签名中,减少了通信量与计算量;最后,在节点之间引入信用分机制,优化视图切换协议。仿真结果表明,新提出的共识算法在数据吞吐量以及通信时延方面有了明显的提升,并且得到了通信量最低时的最佳分组方式。     

基于云平台的区块链组网方案及数据共享存储机制

为解决在区块链上进行数据存储和共享过程中面临的交易确认效率低以及存储空间利用率低的问题,本文提出一种基于云平台部署的区块链组网方案以及与其适配的数据共享存储方案。首先,通过对传统的全连接区块链组网进行分解和重构,形成一种基于子网的非全连接组网方案,将交易确认的范围限定在有限的节点之内;其次,通过将数据依次划分为事务数据-敏感状态数据-非敏感状态数据3个层次进行管理,节点只保存与状态转移相关的事务数据以保障不可篡改性,状态数据则在云平台上实现不同程度的共享存储,最大限度优化了存储空间。实验结果表明,该方案可为区块链中可信数据的存储和共享提供新的思路。     

基于聚合签名的共识算法优化方案

随着比特币以及以太坊、超级账本等系统的兴起,区块链技术受到越来越多的关注。区块链是众多技术结合的产物,共识算法在区块链中起着至关重要的作用,共识算法的优劣直接影响着区块链系统的优劣。针对不同特点的区块链系统,采取的共识算法也不相同,不同的共识算法各有优劣。目前,效率问题是区块链中共识算法面临的主要问题之一。为了提高区块链系统中共识算法的运行效率,首先介绍了区块链中共识算法的各种潜在的优化方案,然后以联盟链中常用的PBFT共识算法的改进算法dBFT为研究对象,结合聚合签名技术以及双线性映射技术对dBFT的共识过程进行优化,并与原方案进行比较。优化后的聚合dBFT共识算法可以有效降低区块链系统中签名的空间复杂度。     

一种基于联盟链的物联网匿名交易方案

针对物联网终端交易的跨平台、去中心化、隐私、安全需求,提出基于联盟链的匿名交易方案,确保用户身份隐匿。通过划分基础域和互联域实现中心化身份认证和去中心化交易;对身份认证,提出基于Merkle树的双因素认证方案,实现各节点身份与消息的去耦;针对通信中明文消息暴露用户身份问题,提出基于CoinJoin思想的聚合签名隐私保护方案,混淆交易身份,以抵抗身份关联分析攻击;最后针对一致性和记账权问题,提出基于信誉评价策略的共识机制。安全性与效率分析表明,所提方案能以较低存储和计算开销保护终端身份隐私。     

状态分片中交易过载处理的节点竞选方案

分片技术是目前最有效的实现高性能而不降低去中心化程度的区块链扩容方案,仅实现交易分片并不能解决实质问题,只有状态分片才能从根本上解决区块链资源瓶颈问题。针对区块链状态分片随机分配交易产生的交易过载问题,提出状态分片约束下交易过载处理的多轮节点竞选均衡化验证方案。将分片内的交易验证分为多轮,在每轮验证完成后根据节点通信能力和节点共识表现进行综合积分,并确认分片的交易过载情况,进而在下一轮验证中增强分片的处理能力。考虑到状态分片约束下节点在分片之间不能随意调度,利用节点竞选策略将分片内的节点在不同轮次之间均衡使用,在提升分片规模和有效性的基础上,充分发挥高性能节点的优势,使得过载交易在后续轮次得到及时的验证。实验表明,方案可以有效处理分片内交易过载,提高分片内的交易验证率,提升系统的每秒交易数（transaction per second,TPS）,为分片的进一步研究提供有益的参考。     

Hyperledger Fabric共识机制优化方案

针对Hyperledger Fabric使用固定背书节点处理交易所带来的安全风险和性能瓶颈问题, 提出了一种非交互、可验证的随机化背书节点优化方案. 基于“背书?排序?验证”的Hyperledger fabric共识模型, 引入背书节点候选集, 使用可验证随机函数随机抽取背书节点进行交易背书, 实现了背书节点的非交互式可验证随机选取和背书过程的并行处理. 分析和实验表明, 优化后的共识机制具有更高的安全性和更快的交易处理速度.     

基于XGBoost的以太坊交易智能定价模型

以太坊采用交易收费的策略来保证计算资源的合理利用,而由于涉及智能合约的交易消耗计算资源差别较大,引入Gas机制。以太坊用户在发起交易时需自主设置Gas总量和Gas价格,而矿工基于利益最大化的原则,优先选择Gas价格高的交易。Gas价格设置高则打包时间短,反之则时间长。由于交易的价格由交易发起者自主确定,这使得需要打包的交易的Gas价格可能相差较大,因而交易共识时间难以掌握。因此,现有的交易机制并不能平衡交易Gas成本和共识时间之间的冲突。为了解决上述问题,对以太坊交易机制进行了研究,分析影响Gas价格的因子,通过网格搜索算法对极端梯度增强模型（extreme gradient boosting,XGBoost）进行参数优化,构建基于XGBoost的以太坊交易智能定价模型,将该模型用于交易Gas价格预测中。通过搭建节点接入以太坊网络获取交易数据作为实验数据,实验结果表明,ETH_XGB模型能够帮助用户平均节省约72.5%的交易成本,交易成功率在92%,相较于原机制提高17.1%。     

选举供应链：基于区块链的供应链自治框架

区块链与供应链的结合应用是近几年的热门研究课题。区块链的数据可溯源、防篡改、分布式存储等优点可以为供应链提供较好的数据安全保障,而区块链自身的自治属性也为供应链自治提供了可能。区块链的自治主要依赖于共识机制,然而现有共识机制难以实现对供应链自治的良好支持。针对上述问题,提出一种基于委托权益证明（DPoS）的选举型共识机制,并在此基础上构建了一个基于区块链的供应链自制框架：选举供应链（ESC）。在ESC中,先根据节点参与的智能合约活动计算其信用分,然后从博弈论的角度分析ESC下节点的活跃度和信用分数对其权益的影响。最后,通过定理证明与仿真实验验证了该机制对节点具有良好的激励作用,能有效抑制理性节点支付的最大交易费用,且抑制的力度会随着代表数量的增加而增大。     

降低跨分片交易回滚概率的多轮验证方案

区块链分片方案中的跨分片交易由多个分片协调处理。在采用实用拜占庭容错（practical Byzantine fault tolerance,PBFT）类共识算法的分片方案中,存在因分片后拜占庭节点在单个分片聚集,导致分片失效无法验证交易的问题。因此,为保证分片间数据的一致性,需要对部分处理的跨分片交易进行回滚操作,这影响了系统的总体性能。针对以上问题,提出了一种多轮共识的验证方案,可以在降低回滚概率的基础上,支持更大分片规模,提升系统的每秒交易数（transaction per second,TPS）。简述了现有分片项目解决方案的优缺点,对跨分片交易的概率和回滚概率进行了分析,提出多轮共识的验证方案,分析了多轮方案对跨片交易回滚概率的影响,得出合理的多轮轮数上限值。通过与现有方案的对比实验表明,多轮验证方案可以有效提升交易验证率,降低跨片交易回滚的概率,提升系统总体的TPS。     

基于排队博弈的最优比特币交易费支付策略

在比特币交易高峰期,为使交易尽快被打包进入区块,用户需要提高交易费以竞争有限的区块空间。针对用户如何自主选择合适交易费的问题,提出了最优的交易费支付策略。首先,结合排队博弈论将交易排队竞争上链的过程建模为一个带优先权的非抢占型排队模型;然后,分析交易费对交易耗时的影响,由此给出交易耗时与交易费之间的函数关系式,并推导出用户的纳什均衡支付策略。仿真结果表明,采用最优的支付策略可以有效降低用户的总花费（等待开销与交易费的加权和）。当系统高负荷时,与不支付交易费和按拥塞度线性增加交易费这两种策略相比,所提策略的用户总花费分别降低了97%和72%。由此可见,在保证交易被尽快处理的同时,所提支付策略可以有效减少交易费支出。     

基于排队博弈的最优比特币交易费支付策略

在比特币交易高峰期，为使交易尽快被打包进入区块，用户需要提高交易费以竞争有限的区块空间。针对用户如何自主选择合适交易费的问题，提出了最优的交易费支付策略。首先，结合排队博弈论将交易排队竞争上链的过程建模为一个带优先权的非抢占型排队模型；然后，分析交易费对交易耗时的影响，由此给出交易耗时与交易费之间的函数关系式，并推导出用户的纳什均衡支付策略。仿真结果表明，采用最优的支付策略可以有效降低用户的总花费（等待开销与交易费的加权和）。当系统高负荷时，与不支付交易费和按拥塞度线性增加交易费这两种策略相比，所提策略的用户总花费分别降低了97%和72%。由此可见，在保证交易被尽快处理的同时，所提支付策略可以有效减少交易费支出。     

基于区块链的分布式电力竞价交易算法

为适应电力市场化改革趋势实现支持复杂交易形式的电力交易系统,基于区块链技术提出一种分布式电力竞价交易算法。将竞价交易分为出价及应价2种交易,针对同一笔出价交易,允许多笔应价交易存在,并由节点服务器通过对所有应价交易进行排序比价决定胜出交易。基于有序聚合签名对交易顺序及交易内容进行验证,确保交易的真实性,同时利用保序加密技术对交易内容进行保护,确保交易隐私数据的机密性。在此基础上,通过区块链存储所有交易,确保交易的不可篡改性。实验结果表明,该算法可以有效提高交易生成及验证效率,快速达成安全的电力竞价交易。