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.     

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。     

基于密码累加器的无状态区块链性能优化

区块链由于其去中心化的特点,被认为是近年来最具颠覆性和革命性的技术创新之一。然而,目前大多数公有链由于数据高度冗余使得区块链系统数据迅速增长,从而造成节点存储资源消耗严重,此外它还存在区块共识成本较高导致系统吞吐量低的问题。针对区块链的可扩展性问题,提出一种适用于智能合约的无状态区块链性能优化方案STiPChain。STiPChain基于密码累加器与可验证计算完成无状态设计,采用RSA累加器生成智能合约的有效性证明实现节点状态数据压缩,同时通过分布式设计将智能合约的有效性证明更新效率优化至常数,极大降低节点对磁盘和内存的需求。在此基础上,STiPChain将区块共识与区块运算解耦,基于可验证计算技术提出新的智能合约执行逻辑和交易验证方案,解决无状态条件下的交易验证与执行问题,有效提高系统吞吐量。实验结果表明,与Ethereum相比,STiPChain无状态区块链性能优化方案将共识节点的存储需求降低了99%,吞吐量提高了1.6～2 500倍。     

一种基于联盟管理的高效分布式域名系统

在域名解析系统中,下级域名的命脉被上级域名所掌握,这种中心化的管理为域名解析带来了巨大的风险。以比特币等加密货币为代表的区块链则具有去中心化的特性。随着namecoin的提出,区块链开始被应用在命名系统和域名解析的领域,之后的Blockstack和ENS都提出了去中心化命名系统的解决方案。其中,Namecoin和Blockstack采用了完全去中心化的命名管理方式,产生了域名抢占问题。因此,我们将目光转向了采用小群组投票决定域名增加和删除的联盟化管理方案。在联盟化管理方案中,比如ENS的和超级账本的均存在交易空间太大的问题,在区块链本身存储代价大的背景下,存储效率将变得低下。因此,DNS系统和区块链的结合难度很大,不仅需要保证在多变的域名存储信息中保证存储总量较小,同时还需要针对域名解析实现高效的联盟化管理,这使得至今仍未有一个令人满意的去中心化域名解析系统的解决方案。为此,我们提出了ECMDNS——一个高效的基于联盟化管理的域名解析系统,既考虑到DNS区域文件具有存储量大且变换频繁的特点,又能在完全中心化和完全去中心化之间采取折衷方案,并拥有较高的时空效率及较小的存储总量。我们通过区分链上链下的存储保证在多变的域名信息中保证存储总量较小;通过群组决策投票的方式实现联盟化管理,同时优化了Hyperledger Fabric提出的混合复制模型,将空间存储效率优化到原本的1/16。并且仅需要花费1次分布式副本同步,就可以完成一项由n名成员背书对同一域名背书的事务,并在联盟化管理的基础上实现区块链交易空间性能的高效性,从而实现整体存储效率的高效性。     

基于门限秘密共享的区块链分片存储模型

针对存储原因所导致的区块链技术难以在大型业务场景应用的问题,提出了一种基于门限秘密共享的区块链分片存储模型。首先由共识节点使用改进的Shamir门限,将要上链的交易数据进行分片处理;其次,共识节点基于分片数据构造不同的区块,并分发给现存于区块链网络中的其他节点进行存储;最后,当节点要读取交易数据时,在从分发到交易数据分片的n个节点中的k个节点请求数据,并利用拉格朗日插值算法进行交易数据的恢复。实验结果表明,该模型在保证了上链数据安全性、可靠性、隐私性的同时,每个节点的数据存储量约为传统存储方法的1/（k-1）,从而有利于区块链技术在大型业务场景的应用。     

边缘计算模式下全同态加密智能合约设计

区块链产生的成千上万的交易信息数据不断被收集到区块链中,会给区块链网络的计算资源和存储空间造成极大负担。为了解决区块链网络计算资源不足和存储空间有限的问题,我们将边缘计算模式应用于联盟链Hyperledger Fabric系统中,在区块链中设计了基于边缘计算模式的智能合约,以提高区块链的存储空间和运行效率。在此基础上,针对区块链存在的数据和用户身份隐私的风险,提出了基于边缘计算模式的全同态加密智能合约。在执行智能合约过程中,调用了微软的全同态加密SEAL库,边缘节点的身份信息和区块链的交易数据受到全同态加密算法BFV的保护,在保持交易数据可计算性的同时,实现了交易信息和边缘节点身份的隐私保护。最后,经过测试和分析,边缘计算模式下的原型系统在14个边缘节点同时访问时的单节点平均访问时间仅为139.68ms,相比于非边缘计算模式下的原型系统具有更好的性能;相比目前响应较快的加密联盟链系统FabZK,本系统平均用时减少35.84%,相比效率提升55.86%。设计的边缘计算模式下的全同态加密智能合约可以有效提高Hyperledger Fabric系统中网络的运行效率,同时减少了对存储空间的要求...     

区块链数据库:一种可查询且防篡改的数据库

随着比特币、以太币等一系列加密货币的兴起,其底层的区块链技术受到越来越广泛的关注.区块链有防篡改、去中心化的特性.以太坊利用区块链技术来构建新一代去中心化的应用平台.BigchainDB将区块链技术与传统的分布式数据库相结合,利用基于联盟投票的共识机制改进传统Pow机制中的节点全复制问题,提高了系统的扩展性与吞吐率.但是现有的区块链系统存储的信息大都是固定格式的交易信息,虽然在每个交易里有数据字段,但是现有的区块链系统并不能经由链上对交易内的数据字段的具体细节进行直接查询.如果想要查询数据字段的具体细节,只能先根据交易的哈希值进行查询,得到该交易的完整信息,然后再检索该交易内的数据信息.数据可操作性低,不具备传统数据库的查询功能.首先提出一种区块链数据库系统框架,将区块链技术应用于分布式数据管理;其次提出一种基于哈希指针的不可篡改索引,根据该索引快速检索区块内数据,以此实现区块链的查询;最后,通过实验测试数据库的读写性能,实验结果表明,所提出的不可篡改索引在保证不可篡改的同时具有较好的读写性能.     

结合社区发现和局部恢复码的区块链扩容研究

区块链全节点需要存储完整的账本,不能满足数据快速增长的需求,其存储扩容成为当前研究热点之一。现有最优研究成果虽然结合分片和RS(Reed-Solomon)纠删码技术,降低了存储开销,实现了数据可恢复,但存在网络开销较高和跨节点数据请求效率较低的问题。因此,提出了一种基于社区发现和局部恢复码（local reconstruction codes,LRC）的区块链存储扩容方案,一定程度上解决了这些问题。改进现有基于传导性的社区发现方法,在此基础上提出了一种区块链节点分组方法,使平均连接速度更快的节点分为一组,有效地缩短了跨节点请求区块的响应时间;采用了更优的LRC码来替代RS纠删码,利用更少的原始数据实现单点故障数据恢复,降低了网络开销。大量实验结果表明提出的存储方案在保持目前最优方案的数据恢复能力和存储开销的基础上,能有效减少网络开销和跨节点请求区块的时间。     

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。     

基于聚合签名与加密交易的全匿名区块链

通过揭示从区块奖励交易到未花费交易输出的所有交易细节,比特币区块链的公开账本为分布式用户提供交易权属证明.但是,正由于公开账本暴露所有交易细节,导致攻击者可通过去匿名化攻击连接交易实体,并通过显式的交易金额获取用户隐私.因此,针对比特币区块链系统所面临的隐私保护问题,该方案结合混币思想及加密交易技术,实现保护收付款者身份和交易金额隐私的全匿名区块链系统.其中,Boneh、Gentry和Lynn(EUROCRYPT 2003)单向聚合签名技术系统性嵌入混币思想到全区块中;Boneh、Goh和Nissim(TCC 2005)同态加密方案赋予矿工验证加密交易合法性的能力.矿工将在方案中作为验证交易、混淆交易和打包交易的实体.最后,通过比较各种隐私保护区块链方案,该方案既可实现全匿名,又可保证交易存储开销是合理的.     

基于联盟区块链的安全能源交易方案

目前区块链技术广泛应用于车载网、能源互联网、智能电网等领域，但攻击者可以结合社会工程学与数据挖掘算法获取用户记录在区块链网络中的隐私数据，尤其是微网中相邻能源节点之间由于博弈产生的数据更容易导致隐私的泄露。为了解决这一安全问题，基于联盟区块链技术提出一个以一对多的能源节点账户匹配机制为核心的安全能源互联网交易模型。该模型主要通过新账户的生成来防止攻击者通过数据挖掘算法从交易记录中获取能源节点的账户、地理位置、能源使用情况等隐私数据。仿真实验结合联盟链的特点、能源节点新账户生成数量、交易验证时间变化情况，给出对隐私保护性能、交易效率、安全性效率的分析结果。实验结果表明，所提模型在交易发起和验证阶段所需时间较少，具有较高的安全性，且模型能对相邻用户间的交易趋势进行隐藏。所提方案能够很好地适用于能源互联网交易场景。     

基于区块链的微电网数据安全共享方案

新能源发电因具有不稳定的特点,给当前微电网的安全稳定运行带来数据集中存储、数据泄露、共享困难等问题。结合区块链的分布式架构、数据安全透明可追溯、去中心化等特点,设计一个微电网数据安全共享方案。在初始化阶段,用户需要完成账户注册并将智能电表接入数据采集器,利用改进的ElGamal加密算法对采集的数据进行加密,将打包好的数据区块对外广播,发起共识,采用积分取代传统区块链共识机制中的代币进行流通,待各节点达成共识后将数据包存储在链下数据库中,并将其存储地址返回至链上进行存储。数据共享的实现则需查询方提交访问申请,智能合约自动执行完成数据的共享。实验结果表明,该方案能够有效抵御51%攻击、内部攻击、修改攻击等,算法效率较传统算法提高3倍,且系统开销不足165p,交易吞吐量最高接近300 tx/s,明显提高了交易速率并保证数据的安全共享。     

基于区块链的分布式无人机数据安全模型

针对无人机协同作业信息安全和数据通信问题,提出一种基于区块链的分布式无人机数据安全模型。首先,利用轻量化加密技术重构无人机区块链结构,设计适用于物联网边缘计算场景的分布式区块链网络模型;然后,调用智能合约实现区块链数据的安全共享,并结合信誉评估方案和代理权益证明思想,提出融合共识协议的的工作量证明方法完成数据交易。实验结果表明：作为数据安全共享实例,所提方法可使受攻击的无人机信誉值降至不可信任状态,并在不同攻击模式下的能够有效抑制恶意攻击,执行自适应工作量证明的共识算法的正常节点交易率可提升3-4倍,为无人机数据共享提供了安全保障。     

区块链隐私保护研究与实践综述

基于区块链的分布式账本集成了非对称加密体系、P2P网络、共识算法、智能合约等多种技术,保证事务记录的一致性和不可篡改性.但是,区块链技术中的账本共享机制也带来了隐私威胁,用户身份、账户地址、交易内容等信息的隐私保护成为研究的关注点.讨论了区块链系统中的隐私威胁;着重分析了地址混淆、信息隐藏、通道隔离等3类隐私保护机制,详细介绍各类机制的原理、模型、特征及实现技术;最后探讨了实际应用中,区块链隐私保护技术在系统性能和可扩展性方面的挑战和发展方向.     

高性能联盟区块链技术研究

以上海证券交易所“去中心化的主板核心交易系统”作为业务场景，旨在研究高性能联盟区块链的优化算法.在联盟链关键技术研究的基础上，结合现有主板证券竞价交易系统的业务，提出了系统架构以及关键技术的实现.对业务逻辑与共识分离、存储优化和数字签名验证优化（包括合并验签和GPU加速）等可提高联盟链性能的优化策略进行了详细的介绍和分析.最后，通过一系列对比实验来验证优化策略的有效性.实验结果表明，这些优化手段极大地提高了去中心化的主板核心交易系统的性能.     

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%。     

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。     

面向区块链溯源的链下扩展存储方案

在基于区块链的供应链管理溯源系统中,由于区块链技术是一种基于分布式的系统,对于区块链中存储的数据所有节点都会进行备份,如果直接把溯源数据存储在链上,这会导致数据占用大量内存,增加溯源系统维护成本和降低系统响应速度的问题。因此提出一种链下扩展存储方案,该方案首先利用SHA-256哈希算法的单向性对明文数据进行哈希运算得到哈希值,然后采用SM2加密算法产生的私钥对哈希值进行签名,保证信息上传者身份的可靠,最后把哈希值和签名值通过智能合约保存在区块链中,明文数据和其哈希值与签名值在区块链上存储的地址则存储在数据库中。通过结合中心化存储和区块链技术各自的优势,既可以保证溯源数据不可被篡改又可以有效减少区块链网络中溯源数据所占内存的大小。最后,在所提方案的基础上,对溯源系统进行详细设计并采用以太坊区块链平台对其进行实现。     

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。