基于可验证延迟函数的Hyperledger Fabric背书策略优化方案

为了解决Hyperledger Fabric使用固定背书节点进行背书而引发的安全问题,提出了一种基于可验证延迟函数的Hyperledger Fabric背书策略优化方案.利用可验证延迟函数不可并行计算以及可高效验证的特点,设计了匿名化、随机化选取背书节点的Fabric交易模型,增强了Fabric交易背书的安全性.通过实验对比优化方案与原始方案,验证了优化方案在增强安全性的同时,在效率上也有一定的提升.     

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%。     

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。     

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.     

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。     

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。     

基于自定义日志的Fabric的共识交易轨迹可视化追踪方法

联盟链缺少展示各个节点资源使用情况、健康状态、互相关系、共识交易流程等方面的可视化方法,为此提出一种基于自定义日志的Fabric共识交易轨迹追踪方法（FTL）。首先,以典型联盟链框架Hyperledger Fabric为基础设施实现区块链底层构建;然后,利用ELK工具链收集与解析Fabric的自定义共识交易日志,并利用Spring Boot作为业务逻辑处理框架;最后,采用专注于图分析领域的Graphin实现共识交易轨迹的可视化。实验结果表明,与原生Fabric应用相比,基于FTL的Fabric的应用框架在实现可视化追踪基础后,平均性能仅下降了8.8%,未造成显著延迟,可以为监管方提供更加智能的区块链监管方案。     

基于群签名和同态加密的联盟链双重隐私保护方法

区块链账本公开,以实现交易的溯源与可验证,但账本的透明使得区块链用户的隐私成为一个亟待解决的问题.为了解决联盟链交易中的交易金额和身份的隐私暴露问题,提出了基于群签名和同态加密的联盟链双隐私保护方法,在满足交易溯源和可验证的前提下,实现收付款者身份和交易金额的隐私保护.将群签名中群的概念与联盟链恰当结合,并提出一种部分身份匿名的概念,使方案能够满足对其他交易节点匿名,同时确保主要节点可验证.并利用Paillier同态加密的加同态性质验证交易的合法性,保护交易金额的隐私.提出主要节点的4步验证方法,通过对群签名、账户所属权和交易金额合法性的验证,实现主要节点对交易合法性的监管.通过分析,该方案可以抵抗篡改攻击和公钥替换攻击,且交易合法性验证合理,最后,通过与其他方案的对比分析,该方案的计算开销是合理的.     

分布式Fabric raft区块链性能影响因素定量研究

针对分布式Fabric raft区块链网络,通过量化分析,对区块大小、背书策略、代理orderer节点与区块链交易性能之间的定量关系进行了研究.针对区块链性能的特点,提出一个名为区块生成速率BLKPS的性能指标.针对产生区块的时间条件,提出超时前最大交易次数MaxTBT这一性质,并发现,随着区块大小的增大,区块链交易性能提高,并在区块大小达到超时前最大交易次数后趋于稳定.背书策略为AND与背书策略为OR相比,平均响应时间延长20％,区块生成速率与每秒交易数均降低约10％.代理orderer节点是raft的follower节点与leader节点相比,平均响应时间延长约16％,区块生成速率与每秒交易数均降低约7％.     

基于监督者组的区块链账本修正方案

区块链账本中存在违规数据、误操作上链数据等问题,相关学者开展了可修正账本技术研究。针对传统修正方案中修改效率低、恶意节点作乱影响安全性等问题,提出了一种基于监督者组的区块链账本修正方案来改进传统方案。通过基于改进PageRank的区块链节点信用排序算法筛选出监督组成员节点,进而在可信前提下提升了账本修正流程的效率。设计了一种改进随机选择修正者算法并使用可验证随机函数构建节点验证追责机制,保障了账本数据修正流程的可追溯性和安全性。通过分析和仿真实验,该方案具有较高的安全性,并在区块信息修正效率和资源利用率方面优于传统方案。     

适应性选择密文安全的可公开验证加密方案

在密钥托管、电子公平交易、可公开分享和安全多方计算中,对可公开验证加密有广泛的应用需求,但是已有的可公开验证加密方案或者是选择明文安全的,或者是在随机预言机模下是选择密文安全的,显然不满足诸多复杂应用环境的安全需求。在对已有可公开验证方案的分析和现实应用需求的基础上,结合CS加密方案,利用非交互性零知识证明协议提出了一个新的可公开验证的加密方案,新方案使得除发送方和接收方外的任何第三方都可以验证密文的有效性,且不会泄露消息的其他任何信息。最后,相对于随机预言机模型,在标准模型下证明了新方案是适应性选择密文安全的。     

适用于区块链的高效异步拜占庭容错算法

针对现有异步共识算法存在的多轮次通信开销大、随机抽签算法中缺乏信誉机制导致了较多的抽取次数等不足,提出了一种高效的异步拜占庭容错算法PenguinBFT。首先,在广播交易时直接广播原文,降低了共识通信开销;其次,引入了节点信誉评估机制,从网络情况相对稳定的节点集合中选取出块者,以减少随机抽取次数;最后,对网络节点进行分区,在请求交易缺失时,让不同的节点访问不同的分区进行交易恢复,既能减少通信开销又能提升交易恢复效率。实验结果表明,当节点规模达到64时,提出的PenguinBFT算法相较于Honey-BadgerBFT、DumboBFT和DispersedLedger算法,在通信开销、吞吐量和交易确认时延等方面均有50%以上的提升。     

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%。     

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。     

基于信誉度的Hashgraph共识算法

针对Hashgraph中存在的共识过程复杂,稳定性差,系统受节点活跃度、处理能力、带宽等因素影响大等问题,提出了一种基于信誉度的Hashgraph共识算法.首先,该算法创建了信誉度模型,并将其和奖励机制结合,规范节点行为的同时激励节点积极参与数据同步与共识.其次,引入领导人优化共识过程,将虚拟投票中的投票、收集票数、确认事件三个步骤缩减为选择领导人、确认事件两个步骤,缩短了交易完成确认的时间.最后,为保证领导人节点的安全性和公平性,设计了基于信誉度的领导人选择算法,实现了领导人节点的不可预测性以抵抗拜占庭节点对领导人节点的提前攻击.实验及安全性分析表明,该算法有效降低了系统对节点的依赖性,具有系统稳定性强、共识效率高、安全性强等优点.     

非交互式可公开认证的电子选举策略

基于椭圆曲线上离散对数的难解问题提出了一种非交互式公开可认证协议,设计了非交互式零知识证明协议,用这两个协议作为基本工具构造出一个简单且有效的非交互式公开可认证的电子选举策略,任何人对投票者和计票者的数据都能进行认证．该策略可防欺诈,适用于小规模的网络选举．     

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.