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。     

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表明,KRaft共识算法相较于Raft共识算法,数据吞吐量提升了34.5％,Leader节点选举速度提升了55.6％.     

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.     

实用拜占庭容错共识算法的奖惩机制优化研究

联盟链是农业溯源行业的首选区块链方案,针对其核心共识机制实用拜占庭容错共识算法（PBFT）存在的共识安全性低、主节点出错概率大、通信开销大等问题,通过引入奖惩机制以及分组共识机制,提出了基于奖惩机制的改进实用拜占庭容错共识算法。把节点划分为4类,制定节点信誉规则,增强节点主动性,减少拜占庭节点的参与;剔除作恶节点参与共识资格,统计其余节点信誉值及票数,动态筛选信誉良好节点作为共识节点,并依据最高信誉值规则选取主节点,从而提升共识安全、降低拜占庭节点当选主节点概率;以PBFT共识为基础,将共识过程简化为组内共识及全局共识两个阶段,并基于最少广播消息数提出最优分组,缓解共识节点数目增多导致通信量过大的问题。实验结果表明,该方案能够有效抑制拜占庭节点,提升共识安全性能,降低共识成本。     

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。     

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。     

CS-Raft:适用于联盟链的拜占庭容错共识算法

针对目前联盟链共识算法的性能不足,提出了一种基于信用评分的可拜占庭容错联盟链共识算法CS-Raft。首先,为所有节点赋予信用评分属性,节点的信用评分根据节点的共识行为、活跃度、加入集群时间等指标进行更新,信用评分越高代表节点可信度越高;其次,根据节点信用评分选取监督节点,监督节点具有检验权,可以参与领导人选举,监督节点的设置可以有效抵抗拜占庭恶意节点的攻击;最后,改善了领导人选举中选票分裂问题,对领导人选举的速度进行提升。经实验分析,CS-Raft算法相较于PBFT算法在实现拜占庭容错的同时,有效地减少了共识时间延迟、提高了系统吞吐量,并加快了其领导人选举速度。     

联盟链中实用拜占庭容错算法的改进

针对实用拜占庭容错算法(PBFT)中存在的通信开销大、算法效率低等问题,结合联盟链特点,提出了一种改进的PBFT算法(score-PBFT,S-PBFT).引入节点评分机制,将节点划分为共识节点、候选节点和预备节点三种类型,并根据节点行为对节点进行动态调整,最大程度上保证共识节点的可靠性.改进了主节点的选举方式,以节点...     

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.     

基于网络自聚类的PBFT算法改进

联盟链是区块链技术在实际行业应用的主要形式,其共识机制多采用实用拜占庭容错算法(PBFr),在节点数量大时共识成功率与共识效率不高,存在扩展性问题.为此,提出一种基于网络自聚类拜占庭容错共识算法NAC-PBFT.利用行业应用中网络结构、系统节点等确知信息,在联盟链审核节点时指定种子节点,再以种子节点为中心自聚类为若干分组,组内通过优化实用拜占庭容错算法选举出代理人,由各组代理人共同完成全局共识.其中,组内选举时,通过定义可信度指标衡量节点作为筛选候选代理人的标准,确保每次选出的代理人具有良好的状态.通过对系统分析与性能测试,NAC-PBFr算法能有效降低消息量,在共识时间、系统吞吐量指标上有更好的表现,具备较好的扩展性.     

基于投票机制的拜占庭容错共识算法

针对现有的区块链中实用拜占庭容错（PBFT）共识算法、基于动态授权的拜占庭容错（DDBFT）共识算法、联盟拜占庭容错（CBFT）共识算法普遍存在能耗高、效率低、扩展性差等问题，通过引入投票机制，提出了基于投票机制的拜占庭容错（VPBFT）共识算法。首先，以PBFT算法为基础，将网络中的节点划分为四类具有不同职责的节点。其次，算法中的投票节点具有投票和评分权，监督生产节点诚实可靠地生产数据块；生产有效的数据块的生产节点优先进入下一轮，候选节点能够被选为生产节点，而普通节点则能够成为投票节点或候选节点。最后，不同类型的节点之间具有一定的数量关系，能够在不同类型节点的数目或网络中的节点总数发生变化时动态调整参数，从而使得算法适应动态网络。通过性能仿真分析可知，VPBFT算法相较于PBFT、DDBFT、CBFT等共识算法，具有低能耗、低时延、高容错性和高动态性。     

基于节点动态评分机制的分组共识算法

针对实用拜占庭容错（practical Byzantine fault tolerance,PBFT）共识算法三阶段流程通信开销大,主节点随机选取且缺乏奖惩机制等问题,提出基于节点动态评分机制的分组共识算法（dynamic scoring practical Byzantine fault tolerance,DS-PBFT）。首先,优化一致性协议,简化三阶段通信流程从而提高共识效率;其次,提出节点评分分组机制,通过节点在共识过程中的历史行为进行评分,并分为共识组和候选组,降低恶意节点参与共识过程的可能性;最后,提出动态过程选择参与共识的节点,优化视图切换协议和垃圾回收机制,减少参与共识的节点数量,从根本上提高共识效率。用Docker容器模拟多个节点的仿真实验表明,在网络稳定、可信节点较多的联盟链中,提出的DS-PBFT共识算法在共识时延、吞吐量、容错性和通信复杂度等方面比PBFT共识算法及其他改进算法相比具有更好的性能,能够快速达成共识,提高共识效率。     

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。     

区块链共识算法演进过程

基于比特币技术衍生出了大量虚拟货币,其主要特点是对于比特币共识算法的优化和共识算法模式的变革。为研究共识算法演化历程,以比特币共识机制作为切入点,从源代码层级解析了比特币共识算法工作量证明（proof of work,POW）的工作原理及其优缺点,同时分析了比特币演进产生的以太坊共识算法。在理论探讨后,利用洛伦兹曲线及基尼系数评价比特币、以太坊共识机制的实际去中心化效果;并介绍了权益证明（proof of stake,POS）、股份授权证明机制（delegated proof of stake,DPOS）、实用拜占庭容错算法（practical Byzantine fault tolerance,PBFT）的演进过程及算法原理。最后,从共识算法去中心化能力、激励机制、处理效率、分布式安全性等方面进行了比较,得到了共识算法得分表及得分雷达图,以期为未来不同场景、不同需求的区块链应用提供共识算法分析标准。     

检测型的联盟区块链共识算法d-PBFT

联盟区块链通常都会采用严格的身份准入机制,但然而该机制不能完全保证联盟网络中不会混入拜占庭恶意节点,也不能担保现有的联盟成员节点一定不会被第三方敌手劫持利用。针对这类问题,提出了一种能够监控节点状态的检测型实用拜占庭容错（d-PBFT）共识算法。首先,选举主节点并校验主节点的其状态,以保证选举出来的主节点从未有过作恶历史;然后,经历“预准备—准备—提交”的共识三阶段过程,尝试来完成客户端提交的共识请求;最后,会根据三阶段完成的情况对主节点的状态进行评估,将有故障或作恶行为的主节点标记出来,并将作恶的主节点加入到隔离区等待处理。该算法在容忍一定数量拜占庭节点的基础上还能随时监控各个节点的状态,并对恶意节点能够进行隔离,从而降低恶意节点对整个联盟系统的不良影响。实验结果表明,采用d-PBFT算法的网络拥有较高的吞吐量和较低的共识时延,并且在联盟网络中有拜占庭节点的情况下相较原实用拜占庭容错（PBFT）算法的共识生成量提升了26.1%。d-PBFT算法不仅提高了联盟网络的健壮性,还进一步提升了网络的吞吐量。     

基于信用分级的PBFT共识算法改进方案

针对现有实用拜占庭容错算法（PBFT）在联盟链应用场景下存在扩展性差,通信开销大,效率低等问题,提出了一种基于信用分级的拜占庭容错共识算法,即CLBFT （Credit-Layered Byzantine Fault Tolerance）.在PBFT基础上,制定节点信用积分规则.提出一种基于信用等级划分的机制,把节点划分成4类,增强可信节点的主动性,减少异常节点的参与,达到系统良好运行的目的.实验结果表明,在长期运行状态下,CLBFT明显减少了通信开销,提高了系统效率.     

基于角色管理的实用拜占庭容错共识算法

针对目前存在的应用于联盟链的实用拜占庭容错(PB F T)共识算法扩展性差、能耗高、效率低和主节点选取方式简单的问题,提出一种基于角色管理的拜占庭容错(RPBFT)共识算法.首先,将系统中的节点划分为管理者、候选者和普通节点3类具有不同职责的角色节点.其次,候选节点具有投票权,投票选举相应的候选节点为管理者;普通节点在...