一种改进的实用拜占庭容错算法

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（PBFT）共识算法中由于主节点选取随意而带来的各种不足,论文进行了优化,提出一种改进的PBFT共识算法模型——RPBFT算法,改进后的算法分两个阶段,第一阶段利用Raft算法机制并结合积分策略选出胜利节点集合,第二阶段使用PBFT算法进行主节点的选取,实验表明论文RPBFT算法有效缓解了传统算法中因拜占庭节点存在而造成的连续视图切换问题,从而降低了通信开销,提高了共识效率。     

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。     

基于备选投票机制的低时延PBFT改进研究

针对实用拜占庭容错算法PBFT共识时延高、视图切换效率低、动态性不足等问题,提出一种基于备选投票机制的低时延共识算法IPBFT。通过增设候补集合,使系统的共识节点能够支持动态增加和减少,同时优化视图切换协议,使算法能够在只有两个阶段的情况下完成共识过程,降低系统的通信开销。在此基础上,将算法的主节点选取方式改进为投票选举机制,在节点进行共识的过程中实现主节点的选举,从而减少视图切换所需的通信次数和时延。实验结果表明,IPBFT算法较原始PBET算法具有更低的共识时延和更高的吞吐量,并且能够较好地支持节点动态的加入或退出。     

用于联盟链的非拜占庭容错共识算法

随着区块链技术的发展,区块链出现了多种分类,兼顾公有链多中心特点和私有链高性能优势的联盟链成为了我国区块链的发展重心。结合联盟链中存在节点信任的特性,非拜占庭容错共识算法能为联盟链提供更好的性能支持。文中选取Raft共识算法作为研究对象,针对Raft共识算法中Leader节点选举和日志复制过程中的诸多问题,提出了一种可应用于联盟链的非拜占庭容错共识算法——KRaft(Kademlia-Raft)共识算法,该共识算法结合区块链网络层的双层Kademlia路由协议改进了Raft共识算法中的Leader节点选举和日志复制过程。首先,针对Raft共识算法Leader节点选举中存在的多Candidate节点分票和Follower节点增多引发的投票效率问题,KRaft共识算法利用双层Kademlia协议建立的K桶实现了Candidate节点集合内的稳定选举;其次,针对Raft共识算法日志复制过程中Leader节点单节点日志复制过程效率低和节点负载不均的问题,提出了均衡Leader节点负载的多Candidate节点并行日志复制方案,在提升数据吞吐量的同时提升了算法的可拓展性。本地多节点仿真实验的结果...     

基于改进Raft共识算法和PBFT共识算法的双层共识算法

针对目前应用于联盟链中的实用拜占庭（PBFT）共识算法可扩展性不足、通信开销增长过大、难以适用于大规模网络节点环境等问题,提出了一种基于改进Raft共识算法和PBFT共识算法的双层共识算法（DL_RBFT）。首先将区块链中的节点分成若干小组,组成下层共识网络,然后小组的组长再构成上层共识网络,形成一个双层共识网络结构;在下层共识网络的小组内部使用引入监督机制和声誉机制来改进Raft共识算法,在初始组长的选举流程引入了蚁群算法,使选举效率始终维持在较高水平;在上层共识网络中,使用PBFT共识算法进行共识。改进后的Raft共识算法具备了抗拜占庭节点攻击的能力,提升了算法的安全性。实验结果分析表明,相较于传统的PBFT共识算法,在100个节点的情况下,DL_RBFT将共识时延降低了两个数量级,吞吐量也提升了一个数量级,与其余改进算法相比也有着明显优势。因此DL_RBFT共识算法拥有良好的可扩展性,可以广泛应用于联盟链的各种场景中。     

基于Raft分组的实用拜占庭共识算法

针对现有应用于联盟链的拜占庭容错共识机制可扩展性不足、难以支持大规模网络节点下高效安全共识等问题,采用节点分组策略,提出一种基于Raft聚类分组的实用拜占庭容错共识算法H-PBFT。首先使用混合蛙跳算法结合K-medoids聚类分组策略,将系统中节点聚类形成多个分组;参与主共识集群PBFT共识的节点均为各分组聚类中心节点,各聚类小组内则使用引入监督节点改进的Raft算法进行共识;组内共识机制监督节点的引入使Raft算法具有抗拜占庭的能力。实验研究结果表明,在大规模网络节点环境下,相比于PBFT和Raft,H-PBFT算法提高了容错性能,同时还能够快速高效对节点聚类分组,提高共识效率,降低共识通信开销与复杂度,具有较优的可扩展性,能够更好的在联盟链场景中应用。     

基于可验证延迟函数的改进实用拜占庭容错算法

针对实用拜占庭容错（PBFT）共识机制的主节点选择不合理和高交易延迟问题，提出一种基于可验证延迟函数（VDF）的改进实用拜占庭容错共识机制VPBFT。首先，针对原有的PBFT算法引入投票机制进行节点选取，并根据随机投票结果将节点划分为普通节点、投票节点、备份节点和共识节点；其次，改进PBFT算法主节点选举机制，即使用VDF进行主节点选举，并利用上一区块哈希值和用户私钥生成随机数，增加主节点的不可预测性，保证共识安全；最后，优化PBFT算法的共识过程，将共识过程简化为三个阶段，从而降低算法复杂度，减少通信开销。实验结果表明，所提出的VPBFT在安全性和共识性能方面优于原有PBFT算法。     

FLRaft:基于联邦学习模型的选举共识方案

针对异构集群中Raft共识算法的投票分裂和领导者频繁更换造成的吞吐量低、共识时延高和安全性低等问题，提出了一种基于联邦学习模型的Raft选举共识方案FL＿Raft。首先，联邦学习聚合运行于每轮领导者迭代后，调用节点的本地特征数据，通过联邦学习训练模型筛选高性能节点组；其次，建立基于行为的权益计算模型，对集群中每个节点的权益值进行动态调整；最后，建立权益选举模型，由队列选举准领导者节点，选取出的节点经全体节点投票选举后成为最终领导者节点。实验结果表明，在保证各节点数据隐私性的前提下，相比Raft, FL＿Raft的选举时延降低了50%,领导者可靠性达到95%以上，共识时延缩短了20%,吞吐量提高了13%。FL＿Raft共识算法保证了选举的效率和安全，提高了集群的稳定性和领导者的可用性。     

区块链实用拜占庭容错共识算法的改进

针对应用于联盟链的实用拜占庭容错（PBFT）共识算法网络结构静态、主节点选取随意和通信开销较大的问题，提出了一种改进的实用拜占庭容错（EPBFT）共识算法。首先，给共识节点设置一系列活动状态使得节点通过状态转换在系统中拥有完整生命周期，由此节点可以动态地加入和退出，系统拥有动态的网络结构。其次，对PBFT的主节点选取方式加以改进，增加以最长链为选举原则的主节点选举过程。在主节点选举完成之后，通过数据同步和主节点验证过程进一步保证主节点的可信性。最后，优化PBFT算法的共识流程以提高共识效率，使得EPBFT算法的通信开销在视图变更较少发生的情况下降低为PBFT算法的1/2。实验结果表明，EPBFT算法具有较好的有效性和实用性。     

基于节点分组信誉模型的改进PBFT共识算法

针对实用拜占庭容错共识算法(practical Byzantine fault tolerance, PBFT)中存在通信开销大、缺少奖惩机制、节点缺乏积极性的问题,提出了一种基于节点分组信誉模型的改进PBFT共识算法(grouping reputation practical Byzantine fault tolerance, GR-PBFT)。首先,引入信誉奖惩机制来确保系统的安全性,再根据节点信誉进行分组以选取共识节点,解决信誉机制类共识算法产生节点信誉累计问题,降低系统中心化程度,提升了节点成为共识节点的积极性;然后,改进主节点的选举方式保证主节点的可靠性,并优化一致性协议执行流程,减少准备、确认与响应阶段的通信复杂度,提高了共识效率。仿真实验表明,GR-PBFT共识算法在共识时延、通信开销、吞吐量、安全性等方面比PBFT共识算法具有更好的性能。     

基于信誉值投票与随机数选举的PBFT共识算法

实用拜占庭容错（PBFT）算法在Raft和Paxos共识算法的基础上,解决了分布式系统中恶意节点向其他节点发送错误消息以扰乱系统正常运行的问题,但PBFT算法由于主节点选举随意导致共识效率低下,而现有PBFT改进算法普遍通信复杂度较高且容易出现系统集中化趋势。针对上述问题,提出一种基于信誉值投票与随机数选举的RN-VPBFT共识算法。通过增设监督节点,实现权力分散和信息中转,保证系统安全运行。在投票确定初始信誉值的过程中,引入随机参数使得满足条件的节点均有机会当选主节点,缓解系统集中化趋势。建立节点动态信誉模型,区分系统中的诚实节点与恶意节点,简化共识算法的一致性协议,降低算法通信复杂度。实验结果表明,与PBFT算法和基于信誉投票的PBFT改进算法相比,RN-VPBFT算法将通信复杂度由O（N²）降至O（N）,并且所有诚实节点的信誉值之差仅为0.02,具有更低的通信复杂度及更好的去中心化特性。     

面向数据安全共享的区块链技术研究

为区块链技术的安全性,提出一种基于改进的PBFT算法医院区块链数据共享方法,方法首先通过改进PBFT算法的主节点选择策略,通过拥有最大T_i值的节点当选主节点,减少了与其他节点间的通信,降低了通信开销,避免出现传播延时,避免恶意节点成为主节点,再加之通过设置区块验证阶段和生成正式块的验证阈值,提高了数据共享的安全性。最后对算法的吞吐量、通信次数、交易延迟、安全性和主节点选取的优势进行了仿真分析。仿真结果表明：相较于传统PBFT算法、SG-PBFT算法,所提的改进PBFT算法TPS显著提高,交易延迟出现的概率低,改进的PBFT算法在处理大规模数据的场景中的优势明显。相对于Raft算法和Bully算法,本研究的算法的显著降低了传播延时和通信开销。本研究提出的算法为物联网区块链数据的安全识别共享提供了参考。     

应用于供应链的区块链PBFT共识算法优化

目前,区块链在供应链领域中的应用越来越受到业界的广泛关注.但由于供应链中存在大量复杂性的事务,这给可信的主节点选取工作带来了挑战.因此,在机器学习分类算法与PBFT (practical Byzantine fault tolerance)共识算法的基础上,提出一种应用于供应链的区块链PBFT共识算法优化方法.对构建供应链与区块链的集成框架进行分析,根据供应链中参与共识的节点属性特征,运用K-近邻(K-nearest neighbors)来优化PBFT共识算法的主节点选取规则.实验结果表明,对共识节点进行信任评估分类可以较好地解决因视图切换所引发的效率问题,从而提升区块链的吞吐量、时延、容错性等共识性能,具有一定的实用性,也给区块链在其他行业的应用提供了思路．     

基于组播通信的PBFT算法改进

PBFT算法存在通信复杂度高、性能受节点增加而下降等问题,引入组播通信应用于RPBFT（基于角色的拜占庭共识机制）,提出了一种通信复杂度低、可以动态分配共识节点、不因节点数增加而性能下降的WRPBFT共识算法。WRPBFT将节点划分为共识节点和候选节点两类节点,动态地选取参与共识的共识节点进行组播通信。实验与分析表明,WRPBFT共识算法可以动态地实现节点的划分与选取,并且相较传统PBFT算法,WRPBFT算法具备更高吞吐量、更低的时延和更低的通信复杂度。     

RB-Raft:一种抗拜占庭节点的Raft共识算法

针对Raft算法无法抵抗拜占庭节点的攻击和日志易窜改等问题,设计了一种抵抗拜占庭节点的RB-Raft（resist Byzantine-Raft）算法。首先采用哈希链的方式对每一块日志进行迭代哈希处理,通过动态验证机制对日志进行验证,使得对leader节点的恶意行为具有一定的容错率,解决了日志伪造与验证的问题。其次,提出基于门限加密的遗书机制,使得candidate节点拉取选票具有合法性,防止拜占庭节点随意拉取选票更换leader节点的攻击,解决了拜占庭节点影响系统一致性的问题。实验结果表明,提出的RB-Raft算法具有抗拜占庭节点的能力,其日志识别率可以达到100%。同时,相比PBFT,该算法共识时延降低了53.3%,并且吞吐量提高了61.8%。其适用于在不可信联盟链中进行共识。     

基于联盟链的实用拜占庭容错算法的改进

作为一种新兴技术,区块链从诞生之初就引起了广泛的关注。共识算法是区块链技术的核心技术之一,共识算法的研究也是区块链发展的重中之重。针对广泛应用于联盟链的实用拜占庭容错算法(PBFT)存在的主节点选取随意以及节点无法动态加入、退出的问题,提出了一种动态的PBFT算法——DPBFT。首先,对PBFT的主节点选取方法进行改进,为每个节点设置信任度积分,根据节点在每轮共识中的行为动态更新信任度积分,依据积分值来选取主节点,提高了诚实节点当选主节点的概率。其次,为PBFT算法设置4个子协议(JOIN,EXIT,PCLEAR,RCLEAR),分别解决节点加入、退出的问题以及对作恶节点做出惩罚,使得系统拥有动态的网络结构。结果证明新加入的4个子协议本身具有良好的安全性和活性,且不影响原始PBFT算法的安全性和活性。最后,实验结果表明,DPBFT算法相比传统PBFT算法具有更好的共识效率。     

基于哈希值分组和信任主节点选取的共识机制

PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)算法是当前最流行的共识机制之一,但其采用广播的通信模式导致该算法具有高通信复杂度;将节点分层进行共识的改进方式虽降低了通信规模,但改进后的算法在安全性和效率等方面仍存在不足。基于此,提出一种HBFT改进算法。首先,根据节点MAC地址的哈希值进行分组,增加节点分组的随机性并使拜占庭节点的分布更均匀;其次,优化算法的共识流程、通信内容和视图更换协议,进一步降低通信规模并提高主节点更换和故障处理的速度;最后,引入信誉机制并据此选取主节点,提升主节点的可靠性和算法的安全性。从理论、实验和安全的角度进行分析验证,结果表明HBFT算法的共识效率较PBFT算法和基于分层的改进算法分别提高96.1%～98.6%,51.3%～89.7%,且HBFT算法具有更高的安全性。     

结合动态信用机制的PBFT算法优化方案

实用拜占庭容错（PBFT）共识算法被广泛应用于金融机构、电子货币行业、农产品溯源等领域,但存在灵活性较差、拜占庭节点处理方式不足、通信开销和网络时延较大等问题。提出基于动态机制与信用积分机制的实用拜占庭容错共识算法DT-PBFT。引入动态加入或退出机制,使集群内的节点可以按需自由加入或退出,增加信用积分机制,通过分层机制将节点按可信任程度分为备用主节点层、中间层、警告层和清理层,采用惩罚机制降低节点连续作恶的可能性,以保证从备用主节点层中优先选择最优的主节点,大幅提高共识效率。同时,通过剔除网络清理层中的拜占庭节点,提高算法的运行效率。在此基础上,通过优化一致性协议对共识流程进行改进,减少一轮全网节点信息交互确认流程,从而降低通信开销。实验结果表明,当节点数为22时,相比DGPBFT、DDBFT和PBFT算法,DT-PBFT算法具有较优的灵活性,吞吐量和交易请求有效完成率分别为292 transaction/s和83.4%,CPU利用率为50%,相比PBFT算法,延迟降低了350 ms。     

基于PBFT的联盟链共识算法

针对实用型拜占庭(PBFT)共识算法中存在的可拓展性较差、主节点选取随意、网络开销较大等问题,文中面向联盟链设计并提出了 一种优化的实用型拜占庭共识算法.首先,为集群中的节点设置不同的角色,根据不同角色为节点分配不同的权限,不同权限的节点设计了动态进出网络机制.其次,在生产节点选举时,设计了投票机制与基于信誉度的FTS树相结合的选举算法,保证了选举的安全性和公平性.最后,在共识流程方面优化了 PBFT共识流程,缩减了 PBFT共识中的网络开销.实验结果表明,提出的POC共识算法相较于PBFT算法,具有高动态、选举安全、低开销等特性.     

基于积分选择PBFT共识算法的果品质量溯源

针对基于区块链的果品质量溯源系统中存在的共识算法吞吐量低、时延高、主节点随机选择等问题,本文提出了一种基于积分选择的改进PBFT(practical Byzantine fault tolerance)共识算法.该算法引入积分选择协议,通过对一致性协议、视图转换协议以及垃圾回收机制的优化,提高诚实主节点被选择的概率、减...