复杂物联网联盟链系统通信机制研究EI北大核心CSCD

联盟链具有公有链固有的安全性,其许可准入机制允许对网络结点及规模进行控制,恰好迎合了物联网(Internet of things,IoT)向规模化、智能化发展的需要,成为物联网学术界研究的热点.然而,联盟链在一定程度上违背了区块链去中心化价值和信任体系,产生了多中心化的复杂区块链生态体系,为使物联网数字资产在不同联盟链间安全、自主、动态流转,迫切需要对涉及多个联盟链的复杂系统通信机制进行研究.基于存在多个特权子群的门限数字签名机制建立多联盟链链间合作共识,利用授权码构造身份证明,实现链间实体自主授权过程;构建跨联盟链交易原子提交协议,确保异步授权状态同步;提出多级混合可选信任—验证交易共识机制.实验表明,上述机制能够在优化系统性能的同时确保系统的安全性.     

企业级区块链技术综述

在传统跨机构交易的企业应用中,各个机构都是独立记录己方的交易数据,机构间数据的差异会引起争议,通常需要人工对账或中介机构来解决,因而增加了结算时间和交易费用.区块链技术实现了交易数据在写入前共识验证、写入后不可篡改的分布式记账,可信地保证了多机构间的数据一致性,避免了人工对账和中介机构.区块链是一种去中心化、不可篡改、可追溯、可信的、多方共享的分布式数据库,企业级区块链是节点加入需经许可的适用于企业级应用的区块链技术.结合Hyperledger Fabric,Corda和Quorum等企业级区块链平台,提出了企业级区块链的系统架构;从交易流程、区块链网络、共识机制、区块链数据、智能合约、隐私保护几方面阐述了企业级区块链的原理与技术;针对企业级区块链的现状,总结了当前的研究挑战与未来的发展趋势.     

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。     

基于信任的双层可拓展共识协议

共识机制作为区块链技术的核心,决定了区块链系统的性能、可拓展性和安全性.针对当前区块链的性能、可拓展性问题以及维护系统安全所采用的激励机制成本高的问题,提出一种基于信任的双层可拓展共识协议(Trust-based Dual-layer Scalable Consensus Protocol,TDSCP).首先,通过结构化网络设计了双层协同的信任模型和共识算法,其中,信任模型根据节点信任值决定其能否获得生成区块的权利,避免了高昂的挖矿代价;其次,通过分区内双层共识算法提高共识效率,拓展了参与共识的节点数量,避免了系统中心化问题;最后,结合可验证随机函数和多级图划分算法对节点进行分区,可有效防止恶意节点聚集,减少跨分区交易的数量.实验结果表明,TDSCP提高了区块链系统的可拓展性,其分区内算法共识时延较低,且分区方法明显减少了跨分区交易的数量.     

基于双层架构的溯源许可链共识机制

区块链中的区块按照时间历史顺序进行排列,同时通过数据加密技术以及共识机制使区块链具有不可篡改性,这使产品溯源成为区块链的重要应用场景。选择产品信息追溯技术要考虑技术的可行性同时要考虑产品以及生产者的市场属性,这使许可链代替公有链成为产品信息溯源的重要部署方式。现有研究成果中对溯源许可链的研究多停留在机制设计和框架建构上,少有对适用于产品信息溯源的共识算法进行研究。在技术工程实践过程中,联盟链中多选用实用拜占庭容错（PBFT,practical byzantine fault tolerance）作为溯源链的共识机制（如超级账本项目 Hyperledger）,但随着参与节点数量的增加,溯源链的运行效率明显下降,延迟时间明显提高,致使多数项目依然处于实验阶段。基于此,提出基于双层架构的溯源许可链共识机制（DLPCM）。首先将参与者在垂直维度上化分为两层,其次在不同层次上根据区块链的不同部署方式采用不同的共识机制,最后对该共识机制下的溯源信息查询机制进行介绍,为基于许可链的溯源系统的开发和设计提供了重要借鉴。     

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.     

区块链分片技术综述

区块链作为分布式账本的关键技术之一,其去中心化、可匿名、不可篡改的特性受到学术界和工业界的青睐,被广泛应用于金融、数字货币、公共服务等领域。分片技术作为区块链扩容的主流方式之一,能够在不降低区块链去中心化程度的同时实现高性能的链上扩容,从而解决区块链可拓展性不足以及吞吐量较低的问题。介绍近年来出现的分片技术以及相关协议,总结分片技术的关键理论与方法,从分片配置、重配置、片内共识协议、跨片共识协议、状态存储等方面对分片技术方案进行对比,归纳不同分片方案在网络分片、交易分片、状态分片等设计中存在的优势和不足。同时,阐述一些经典分片技术在性能和实现方式上的特点,对许可区块链和无许可区块链、片内共识协议、跨片共识协议、准入性方案、状态分片方式等进行分析和概述。在此基础上,从分片内、分片间以及系统层级的角度总结分片技术当前所面临的困境和挑战,并对该领域的发展前景及未来研究方向加以展望。     

区块链系统中身份管理技术研究综述

区块链技术是一种通过块链式结构、共识算法和智能合约来生成、存储、操作和验证数据的新型分布式基础架构和计算范式,其所构建的新型信任机制有助于推动互联网技术由信息互联网向价值互联网的转化.由于区块链中的账本数据采用公开交易记录、多节点共识确认的方式进行存储和验证,因此对系统中的身份管理及隐私保护提出了极大的挑战.首先分析了区块链系统交易模型的特点及其与传统中心化系统在身份认证、数据存储和交易确认方面的不同,阐述了区块链系统中身份管理技术涵盖的主要内容、关键问题及安全挑战;其次,从身份标识、身份认证和身份隐藏3个方面比较分析了目前主流区块链平台中身份管理和隐私保护的不同实现技术;最后,分析了现有区块链系统中身份管理的不足并对未来的研究方向进行了展望.     

基于主子链架构的新型许可公有链

针对现有区块链之间相互独立、互通困难的问题,提出一种“主链+子链”的新型许可公有链架构。首先,在现有的委托权益证明（DPOS）、可验证随机函数（VRF）、实用拜占庭容错（PBFT）等算法的基础上设计了创新双层共识算法,同时加入可信许可机制,使区块链兼具许可和公有的特性;然后,详细描述了主子链的设计过程,主链负责链群管理并提供公共服务,而子链针对不同业务场景独立设计,并且通过连接主链中继实现跨链数据通信,从而实现数据安全隔离;最后,构建实验环境进行测试,以验证许可公有链设计的可行性。实验结果表明,相较于现有的超级账本Fabric等一些区块链,所提出的许可公有链具有显著优势,吞吐量最高可达到每秒25 000次,平均延迟时间可达8 s。为进一步研究不同类型区块链跨链数据互联互通提供了技术支撑。     

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B/S架构的企业财务资产类账户智能化管理系统研究

企业财务资产类账户的安全管理直接关系着企业运营的关键,实现智能化安全管理是财务系统发展的趋势。区块链技术的出现,给金融安全提供了先进的技术手段。本文以区块链技术作为技术手段,以资产类账户为管理对象,设计了智能化管理系统,系统允许创建网络中用户访问的不可变交易记录,系统中的区块链数据库由多个快组成,这些块通过每个块中对上一个块的引用"链接"在一起,每个区块记录一个或多个事务,这些事务本质上是列出的资产所有者中的更改,通过共识机制将新区块添加到现有链中,在共识机制中,区块链网络的成员确认交易有效。     

一种基于区块链的分布式公钥管理方案研究北大核心CSCD

分布式系统相对于集中式系统,存在系统中难以达成一致共识的难题,因此分布式系统在信息存储相关应用上受到很大的限制。区块链的出现和对其研究的深入为在分布式系统中建立共识给出了一个较为可靠的实现方式。文章提出建立一个基于区块链技术的分布式公钥方案,通过区块链网络中的节点共同承担密钥存储的职责。通过将存储系统拆分到网络的组成节点中,相较于传统的中心化公钥系统能够提供较好的响应性能和抗干扰能力。对于区块链系统在虚拟货币中应用时已经显现出的缺陷,在分析了这些缺陷对公钥管理的影响后,通过对区块链系统进行一定的改进进行规避。最后,文章对一些常见的针对公钥系统的攻击方式进行了分析,证明了系统对攻击者通过欺骗节点干扰共识的达成和传播有着较强的抗干扰性,保证了公钥管理系统的安全性。     

基于负载均衡算法的Hyperledger Fabric共识机制研究

Hyperledger Fabric将业务逻辑解耦,在提升系统灵活性的同时存在性能瓶颈,无法满足高并发快响应的业务需求。通过对Hyperledger Fabric共识机制中的背书、排序、验证3个阶段进行分析,为均衡背书节点性能并提高系统效率,设计基于动态负载均衡算法的提案分发优化方案。综合均衡指数、反馈周期等性能指标,设计节点负载和节点权值量化方法。通过采集节点负载信息计算并选取合理的反馈周期和影响权重以更新节点权值,同时结合加权轮询算法将交易提案分发至当前权重最大的节点进行背书,实现背书节点负载的动态均衡。在Caliper工具上的测试结果表明,优化方案提升了Hyperledger Fabric共识机制的请求处理性能,相比于原始方案的链码交易和查询吞吐量提高了17.53%和15.84%,平均时延下降了6.7%和18.2%。     

区块链星型分片架构通量模型及应用

并行化是区块链扩容方案中最有效的一类方案,现有的并行化方案可根据网络架构分为星型架构与平行架构两类,但是当前的研究工作中,缺少对于星型分片架构方案的性能边界及性能瓶颈影响因素的分析.因此,针对不同的星型分片架构方案抽象出了一种通用的区块链星型分片架构,并对该通用架构中的交易过程进行了量化建模,得到了区块链通量与分片数量的关系,建立了星型分片架构的通量模型.根据建立的星型分片架构通量模型,可以发现星型架构的通量性能存在上限,存在一个最优的分片数量使得系统的通量达到最高,且通量的最大值与主链功能复杂度存在明确的函数关系.基于所提的通量模型,相关的区块链系统可以结合自身方案的设计,平衡分片数量与主链功能复杂度,使得系统通量达到理论上限,因此对于星型并行化方案设计具有重要指导意义.     

基于BlazeDS消息推送的WebGIS系统设计与实现

为满足一些WebGIS应用对实时性的要求,在分析传统WebGIS采用请求/响应工作方式的不足的基础上,提出利用开源框架BlazeDS的基于HTTP协议的消息推送技术,实现WebGIS系统服务端地理信息数据的实时推送。通过服务器向客户端主动推送数据以获得更好的实时性,并使用Flex作为客户端更好的表达地理信息数据。在分析BlazeDS服务器推送技术的原理和基本过程的基础上,给出WebGIS系统体系结构,讨论其核心设计与系统实现,最后通过实例说明系统应用的可行性。     

多区块链交易分发和事件处理的系统方案

在基于拜占庭容错协议设计的区块链系统中,系统的效率和性能较低,限制了区块链的应用与发展。提出了一种基于多区块链系统支持交易分片和事件处理的系统方案。该方案中,系统被划分为应用客户端、处理系统、各区块链3个层面。应用客户端用于发送交易请求和接收感兴趣的事件, 处理系统进行交易的分发和事件处理 ,各区块链用于区块链内部处理交易请求和事件 。处理系统适配区块链数量可变和不可变的两类多区块链系统,设计了选择区块链的两种策略,即映射关系表和哈希一致性,两种策略在交易分发时依据负载均衡、单调性和一致性的原则,并基于交易的业务类型和业务类型内部ID号把交易请求分发到合适的区块链。每个区块链与处理系统内部的交易调用客户端、事件和消息流客户端建立一一对应关系;每个应用客户端与处理系统内部的交易应用调用服务端、交易应用事件连接服务端、事件消息流服务端交互,发送交易的请求并获取交易的结果。对交易分发的方案和事件处理进行具体的设计,并对系统的整体方案进行了基本的测试和验证。     

基于HLA的CBTC仿真管理器研究与应用

仿真测试管理器是CBTC系统仿真平台的核心组成部分.针对CBTC系统仿真存在的可扩展性差、实时性差、协同困难等问题,提出了基于HLA(HighLevelArchitecture)的仿真管理器.仿真管理器通过注册机制对系统内各个部件进行管理,实现系统的自由扩展;通过HLA/RTI联邦运行支持环境实现平台中仿真节点建立连接,设计仿真管理器与组件间的通信,提高系统实时性;针对仿真平台内子系统协同性差,系统失步问题,仿真管理器采用协同控制策略来保证系统的同步,该仿真管理器已应用于国家“十二五”项目.     

基于区块链的铁路电子提单系统

提单是国际物流中的重要单证, 应用于铁路运输时将提高货物和资金流转效率. 现存的电子提单系统存在安全性低、公信力不足等问题, 难以保障各个参与方的权益. 本文在满足提单主要功能的基础上, 利用区块链去中心化、可溯源、可编程的特性, 确定了基于区块链的电子提单系统框架. 采用超级账本技术, 本文设计并实现了在区块链网络中多机构、多角色参与的电子提单发布、审核、质押等业务逻辑, 保证了电子提单安全、高效地流转. 经过区块链系统打包的交易数据, 凭借共识机制被锚定在链上, 实现了交易信息实时共享与查询, 有效地解决了物权争议与货物追踪问题.     

区块链中可监管的身份隐私保护方案

在账本公开、多方共识情况下确保交易身份的隐私保护是区块链技术面临的主要挑战之一.目前公有链中基于匿名认证和交易混淆的身份隐私保护方案由于缺乏监管又难于在行业应用中推广.借鉴门罗币中的身份隐私保护方案,引入监管方的角色,基于一次性地址加密和零知识证明设计了可监管的交易接收方身份隐私保护方案;结合可链接环签名和可撤销环签名设计了可链接可撤销环签名方案,以实现基于自主混淆的可监管交易发送方身份隐私保护方案.基于上述方案,系统在保护交易方身份隐私的同时,还支持监管方可离线恢复交易参与方的真实身份,从而达到“可控匿名”的监管目的.分析和测试结果表明,方案设计的算法运算时间均为毫秒级,可满足区块链非高频交易场景下的性能需求.     

基于区块链技术的公平合约交换协议的实现

当前的区块链技术,只在链上实现了“利益”的可信传递,而对应的“责任”传递还未有对应的链上实现,其关键问题是“责任”的载体及“责任”传递的接收确认.只包含“利益”的链上传递,因此,链上建立的信任关系是单向的,无法建立传递发起方对接收方的信任.从线上公平合约交换协议研究出发,给出了无可信第三方的、基于区块链技术的、确定性的线上公平合约交换协议的实现,同时改变了目前交易类型区块链技术的单向信任关系,通过附加协议,在区块链参与节点之间建立了多向信任关系.改造交易类型的区块链数据结构,将交易类型区块链的交易内容转换为待签合约,多方之间发送“转账”交易单,在链内共识协议的控制下,实现多方之间对合约不可抵赖的签名确认.本协议规定：多方在链接的交易单之中完成随机顺序签名确认后,为合约生效的唯一确认.由于区块链交易数据的公开性、不可篡改性和不可否认性,避免了合约任何一方的作弊行为,既保证了合约交换过程的公平性,也保证了合约交换完毕之后的均势.同时,为多方合约提供了实时动态管理功能,包括合约内容的追加、更新和删除.最后讨论了该协议的公平性、隐私性及共识机制的选择问题.