基于区块链的供应链可信数据管理

为解决传统供应链中贸易数据潜在伪造、篡改等安全问题,提出了一种基于区块链技术的供应链可信数据管理方案.首先,以智能合约将贸易规则代码化,防范履约风险和提高贸易数据处理可信性;其次,采用ZSS04方案和抽样技术交互完成贸易数据完整性检验;再次,设计了适用于供应链的分布式共识机制,以提高贸易数据存储可信性;最后,利用区块链技术所具有的原生特性实现非可信环境下的可信数据管理.分析以及实验结果表明,该方案能够为供应链中贸易数据管理提供新的思路和技术支持.     

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。     

区块链共识算法研究与趋势分析

在区块链系统中,共识算法具有重要作用。它不仅协助节点保持数据一致,同时还对代币发行、攻击防范具有一定功能。从2009年第一个区块链系统诞生至今,随着区块链技术的成熟,区块链共识算法也在不断发展与完善,到如今已演变出多种分支。本文将从拜占庭问题以及比特币工作量证明机制为切入点,从安全、性能等角度分析主流共识算法 (如PoW、PoS、DPoS) 的优劣特点,然后以几种特殊算法为代表,梳理共识算法研究现状。最后,本文基于上述分析,对对区块链共识算法的发展前景进行展望。     

支持动态图数据的子图查询方法

近年来,子图查询作为图数据库管理的一项重要课题受到国内外学者的广泛关注。在现实应用中大部分图数据是频繁更新的,而现有方法对图数据的频繁更新的维护代价较高。子图查询本身就是NP完全问题,在动态图数据上子图查询问题就变得更加困难。针对上述问题,提出了支持动态图数据的子图查询方法。该方法首先构造出每张图的拓扑层次序列作为索引,在序列中加入标号以便数据更新后对索引进行维护,再根据序列间的匹配关系过滤出候选集合,最后采用图同构算法验证候选集中的图,最终得到结果集合。该方法的索引构造简单且体积小,并且在图数据库更新后无需重构索引,不仅支持动态图数据上的子图查询,在静态图数据上也表现出良好的性能。     

基于区块链共识激励机制的新型联邦学习系统

随着云存储、人工智能等技术的发展,数据的价值已获得显著增长。但由于昂贵的通信代价和难以承受的数据泄露风险迫使各机构间产生了“数据孤岛”问题,大量数据无法发挥它的经济价值。虽然将区块链作为承载联邦学习的平台能够在一定程度上解决该问题,但也带来了三个重要的缺陷:1)工作量证明(Proof of Work, POW)、权益证明(Proof of Stake, POS)等共识过程与联邦学习训练过程并无关联,共识将浪费大量算力和带宽;2)节点会因为利益的考量而拒绝或消极参与训练过程,甚至因竞争关系干扰训练过程; 3)在公开的环境下,模型训练过程的数据难以溯源,也降低了攻击者的投毒成本。研究发现,不依靠工作量证明、权益证明等传统共识机制而将联邦学习与模型水印技术予以结合来构造全新的共识激励机制,能够很好地避免联邦学习在区块链平台上运用时所产生的算力浪费及奖励不均衡等情况。基于这种共识所设计的区块链系统不仅仍然满足不可篡改、去中心化、49%拜占庭容错等属性,还天然地拥有49%投毒攻击防御、数据非独立同分布(Not Identically and Independently Distributed,N...     

改进Fast-HotStuff区块链共识算法

Fast-HotStuff区块链共识算法采用两轮投票的共识过程,当主节点在第一轮投票后发生错误时,吞吐量将大幅降低,为解决该问题,提出一种改进的Fast-HotStuff算法.该算法引入一个新的区块扩展方式,在某一区块的共识过程中,当主节点在第一轮投票发生错误而导致视图更换时,副本节点将其投票消息传递至新的视图,新视图...     

区块链共识机制中随机性研究

随着区块链技术的发展,共识机制越来越受到关注.在大量共识机制中占据重要地位的随机数获取协议,也成为共识机制的一个核心子协议.本文主要围绕现有的几个基于随机性协议的主流共识机制,介绍了随机性的相关概念以及共识机制中随机性所用到的密码学原语.首先介绍几类简单的协议并分别指出它们的不足,然后重点介绍了主流共识机制中的随机数都...     

几种典型区块链共识机制的安全性分析

区块链技术源于比特币的出现,随着比特币和其他数字货币在金融市场的火爆,区块链技术得到了各界的广泛关注。共识机制是区块链技术的核心,区块链上的账本和数据都是共识机制的产物,一旦共识机制的安全性出现问题,区块链的可用性和信用度都将受到严重的打击。本文从共识机制的安全性出发,首先介绍区块链和共识机制的概念,然后对3种典型的区块链共识机制进行对比分析：通过逐一研究针对3种共识机制的攻击方法,对它们的一致性和敌手模型进行对比。最后,指出了目前区块链共识机制安全性分析上的局限性,并明确了未来研究共识机制安全性的方向。     

基于综合选举的DPoS共识算法

区块链技术是一种信任机制,具有去中心化、防篡改、可追溯的特性。共识算法是区块链核心技术之一,可维持区块链网络的运行,相较于工作量证明、权益证明等其他公有链共识算法,股份授权证明（DPoS）共识算法具有低延时、高吞吐量、几乎不分叉等优势。但由于按股份权重进行投票选举,选取的委托人总是持币量大的节点,导致其余节点出现投票政治冷漠性的情况,同时节点出块顺序随机,增大了节点通信的消耗。针对上述问题,提出一种综合选举算法CE-DPoS,该算法通过节点之间的通信消耗预先设定网络信息表,根据节点的意愿权重进行投票,投票后计算每个节点的最终得分。选择所有节点中分数最高的节点作为第一个委托人节点,再从该节点的网络信息表中选择得分最高的节点作为第二个委托人节点,直至选定委托人节点数达到系统规定。仿真实验结果表明,与DPoS、BFT-DPoS共识算法相比,CE-DPoS共识算法能动态地选择委托人节点,节点之间选举相对公平,节点活跃度提升至85%,同时出块时间降至0.4 s,能更好地应对日益增长的交易量。     

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．     

基于有向无环图的区块链技术综述

区块链技术已广泛应用于金融、公共服务、物联网、网络安全、供应链等多个领域,但传统单链结构的区块链在吞吐量、交易确认速度和可扩展性方面存在不足,导致其在一些短时高并发量数据场景中难以落地应用。基于有向无环图（DAG）的区块链技术因其具有交易并发确认功能、吞吐量高、可扩展性强等优势受到研究者广泛关注。通过分析研究现有DAG区块链的发展和演化过程、评估方法、优化方向以及应用场景,探索DAG区块链在落地应用中的可行性。阐述主流DAG区块链的研究现状,比较传统区块链与DAG区块链的优势与不足,并分析现有区块链属性评估方法,总结DAG区块链评估结果。在此基础上,从交易确认速度、系统吞吐量、系统安全性、存储结构等方面对比现有DAG区块链的优化方法,介绍DAG区块链在数据管理、基于边缘计算和联邦学习的数据共享以及面向访问控制和隐私保护的数据安全等场景中的应用情况,并指出当前研究中存在的主要问题和挑战,对未来的研究方向进行展望。     

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...     

基于区块链的分布式可信网络连接架构

可信网络连接是信任关系从终端扩展到网络的关键技术.但是,TCG的TNC架构和中国的TCA架构均面向有中心的强身份网络,在实际部署中存在访问控制单点化、策略决策中心化的问题.此外,信任扩展使用二值化的信任链传递模型,与复杂网络环境的安全模型并不吻合,对网络可信状态的刻画不够准确.针对上述问题,在充分分析安全世界信任关系的基础上,提出一种基于区块链的分布式可信网络连接架构——B-TNC,其本质是对传统可信网络连接进行分布式改造.B-TNC充分融合了区块链去中心化、防篡改、可追溯的安全特性,实现了更强的网络信任模型.首先描述B-TNC的总体架构设计,概括其信任关系.然后,针对核心问题展开描述:(1)提出了面向访问控制、数据保护和身份认证的3种区块链系统;(2)提出了基于区块链技术构建分布式的可信验证者;(3)提出了基于DPoS共识的的远程证明协议.最后,对B-TNC进行正确性、安全性和效率分析.分析结果表明,B-TNC能够实现面向分布式网络的可信网络连接,具有去中心化、可追溯、匿名、不可篡改的安全特性,能够对抗常见的攻击,并且具备良好的效率.     

基于贡献度证明共识机制的去中心化联邦学习框架

在大数据背景下,保证数据可信共享是数据联邦的基本要求.区块链技术代替传统的主从架构,可以提高联邦学习(federated learning,FL)的安全性.然而,现有工作中,模型参数验证与数据持久化所产生的巨大通信成本和存储消耗,已经成为数据联邦中亟待解决的问题.针对上述问题,设计了一种高效的去中心化联邦学习框架(efficient decentralized federated learning framework, EDFL),能够降低存储开销,并显著提升FL的学习效率.首先,提出了一种基于贡献度证明(proof-of-contribution)的共识机制,使得区块生成者的选举基于历史贡献度而不采用竞争机制,从而有效发避免了挖矿过程产生的区块生成延迟,并以异步方式缓解模型参数验证中的阻塞问题;其次,提出了一种角色自适应激励算法,因为该算法基于节点的工作强度和EDFL所分配的角色,所以能够激励合法节点更积极地进行模型训练,并有效地识别出恶意节点;再者,提出一种区块链分区存储策略,使得多重局部修复编码块(local reconstruction code)可被均匀地分布到网络的各个节点...     

Medical Chain:联盟式医疗区块链系统

医疗数据共享、防篡改、防泄漏一直是困扰医疗行业的难题.一位患者在转诊时,往往无法提供以往的就诊信息,原因在于国内各医院医疗信息大多数情况下无法共享,而仅能通过病历、检验单等极易丢失的纸质信息来实现一部分医疗信息的共享.同时,患者的医疗信息极易造成泄露,在出现医疗纠纷时所提供的医疗信息也无法保证真实性与公正性.本文设计了一个基于实用拜占庭容错算法（Practical Byzantine fault tolerance,PBFT）的联盟式医疗区块链系统,该系统是一个多节点共同维护与共享的,并且能够防止医疗数据被篡改、泄露的医疗系统,可用来解决这些医疗难题.与现有医疗区块链系统相比,本系统具有一定的优越性与较好的适用性.     

区块链与可信数据管理:问题与方法

作为支撑比特币实现无中心高可信的账本管理的技术,区块链在金融领域得到了广泛关注.区块链实现了不完全可信环境中的可信数据管理,具有去中心化、防篡改、不可抵赖、强一致和完整性等特性,同时也具有高延迟和低吞吐率的性能问题.在互联网技术发展,新型应用层出不穷的大背景下,借鉴区块链在数字加密货币应用中的成功经验,探索可信数据管理的理论、技术,并设计、实现系统,是学术界所面临的重要问题.本文从可信数据管理角度,介绍区块链相关的技术和研究进展,包括分布式共识、智能合约、数据溯源等,并分析应用对可信数据管理所提的需求和研究挑战.     

基于国密算法的区块链架构

本文设计并提出了基于国密算法的区块链架构—"国密链",以国密算法SM2、SM3替换国际通用密码算法的ECC、SHA-256,实现了区块链架构的自主可控.同时,针对当前区块链架构面临的共识算法妥协的现状,设计了"可插拔共识"协议,解决了当前区块链架构面临的共识算法的不可更改的问题.实验结果表明,"国密链"与普通区块链架构在一致性、有效性相近的情况下,拥有更高的共识效率、更低的资源开销.     

基于联盟链的电力数据资产交易平台

[背景]国家电网在电力数据管理应用方面存在数据孤岛和价值孤岛的综合问题.[目的]可以借助区块链技术设计一种电力数据资产交易平台,使得电力数据可以跨部门、跨机构有偿共享.[方法]本文基于以太坊区块链技术,提出了基于智能合约的身份管理随机验证模型,采用了更适合于联盟链的POA共识机制作为链上节点的数据一致性方案,提出了基于...     

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。     

基于联盟区块链的体域网信息安全方案

针对无线体域网（Wireless Body Area Networks,WBAN）传感器数据在传输和存储过程中容易遭到劫持、篡改等问题,引入了去中心化的联盟区块链技术,提出了一种应用区块链来保障体域网数据安全的方案。通过采用Hyperledger Fabric搭建联盟区块链,利用联盟区块链的分布式记账和共识算法来保证用户生理数据的完整性和不可篡改性;再利用身份管理机制,构建联盟通道和Private Data技术来保障数据传输的隐私性。该体域网传感器节点,也是区块链的记账节点,彼此一一对应,因此还尝试将传感器之间的通信转移至区块链上来完成。实验结果表明,在使用该方案保证传感器数据安全的同时,传感器的功耗也能维持在很低的水平。