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.     

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。     

基于实用拜占庭容错的改进的多主节点共识机制

针对实用拜占庭容错（PBFT）共识协议通信复杂度高导致的共识效率低、单一主节点发生故障或存在拜占庭行为时会导致共识过程停止的问题,提出了改进的多主节点实用拜占庭容错（IMPBFT）共识机制。首先,通过节点的共识轮数、存在拜占庭行为的共识轮数以及节点被赋予的优先值,计算出节点的有效共识轮数,再依据有效共识轮数的大小选出多个主节点。其次,对原共识机制进行改进,使所有节点利用改进的机制进行共识。最后,引入流水线来实现IMPBFT共识的并发执行。在进行流水线操作时,不同轮共识的多阶段消息统一签名,并且不再使用固定周期来控制流水线。理论研究和实验结果表明,IMPBFT的多主节点结构相较单一主节点的共识结构更加安全稳定;与平方级通信量的PBFT和信用委托拜占庭容错（CDBFT）共识相比,IMPBFT将通信量降至线性级;在交易吞吐量、扩展性和交易时延方面,IMPBFT的性能要优于PBFT和CDBFT;使用“多阶段消息统一签名、无固定周期”流水线的IMPBFT,比未使用流水线的IMPBFT在交易吞吐量上提高了75.2%。     

基于演化博弈的理性拜占庭容错共识算法

拜占庭容错算法(byzantine fault-tolerant)是保证区块链等分布式系统能够达成一致性的重要算法,其性能影响着系统的安全性和稳定性.针对现有共识算法存在效率低下和缺少激励机制等问题,提出了一种基于演化博弈的理性实用拜占庭容错共识算法.首先,通过引入信誉机制来确定节点在共识过程中的可信任度,以信誉值为理...     

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...     

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。     

一种基于积分制的改进实用拜占庭容错算法

区块链技术是一种融合分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式.共识算法是区块链技术中的核心部分之一.该文针对实用拜占庭容错算法(PBFT)存在的可参与节点较少,主节点选举随意,以及节点参与积极性较低的问题,提出一种基于积分制改进的实用拜占庭算法(P-PBFT).引入委任权益证明算法思想,...     

MuSig多重签名的实用拜占庭容错共识算法

为降低实用拜占庭容错共识算法(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)的通信复杂度和提高事务的吞吐量,提出一种MuSig多重签名的实用拜占庭容错共识算法(practical Byzantine fault tolerance consensus algo-rithm of MuSig multi-signature,MPBFT).MPBFT共识算法改变了 PBFT的准备和提交阶段的信息传输方式,由主节点采用MuSig多重签名算法将接收的备份节点的消息聚合为一个消息,再广播给备份节点验证聚合签名的有效性.通过性能分析和实验验证,MPBFT共识算法将PBFT的通信复杂度由O(n2)降为O(n),具有较好的时间性能和安全性,且在事务延迟、吞吐量和通信开销等方面优于其他三种对比算法.     

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...     

基于多父链辅助工作量证明共识机制的后量子区块链系统

随着量子计算机的发展,对于以传统椭圆曲线数字签名为基石的公链会造成颠覆性安全问题,常见解决方案是将后量子数字签名算法应用到区块链系统中.对于采用工作量证明共识机制的区块链公链,支持算力也是公链安全的重要基石,如何节省能源且最大化算力支持是一个重要研究方向.本文提出一种算力多元化且应用自主可控后量子签名的后量子区块链系统.Dilithium签名方案是美国NIST所推荐的首选和通用后量子签名标准,其安全性基于power-of-two分圆环上的MLWE和MSIS问题.但是,正如比特币区块链虽然最初采用EC-DSA标准签名算法,但并没有采用美国NIST所规定的椭圆曲线一样,power-of-two分圆环丰富的代数结构为公链所基于的后量子数字签名的长远安全带来较大风险和不确定性.素阶数域是一种代数结构更少、更为保守和安全的后量子格基密码技术路线.在本文中,我们采用基于素阶数域的后量子数字签名Dilithium变体:Dilithium-Prime,来作为后量子区块链系统的签名算法以提供高置信度的交易签署后量子安全.为提供多元化的算力以最大化后量子公链的算力支持,并解决目前矿池和矿工收入不断减少的困境,我们引入一种基于多父链辅助工作量证明共识机制,可以请求所有采用Sha256和Scrypt哈希计算的算力来辅助共识而不额外增加现有矿工和矿池的工作量,在增加了后量子区块链的算力来源的同时也提高了现有矿池和矿工的算力利用率.同时提出适配这种多父链辅助工作量共识机制的区块和交易结构和难度调整算法,针对不同量级的算力,稳定出块比例和出块时间,并可有效应对算力突增突减等极端情况攻击以保持系统的健壮性.     

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.     

一种基于量子密钥的区块链身份认证方法

针对当前区块链系统存在的用户身份非法访问、身份伪造等影响区块链系统安全的问题,基于量子密钥安全性和可靠性高的特性,提出并设计了一种利用量子密码技术实现区块链系统身份认证的方案,方案中用户每次登录区块链系统时可通过比对客户端量子密钥散列值和量子密钥云服务器散列值的一致性完成身份认证,从而确保了区块链系统每次交易用户身份的合法性和安全性。实验结果表明,利用量子密码技术能够实现区块链系统用户身份安全认证,为区块链身份安全认证提供了一种新的思路。     

一种区块链实用拜占庭容错算法的改进

共识算法性是区块链核心技术的重要组成部分。实用性拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)是联盟链广泛使用的共识算法,但是由于其消耗高,吞吐量低下以及高延时等问题,导致共识效率低下。针对这些问题,提出基于PBFT的新型改进共识算法IPBFT。采用协商与执行节点分离的方式减少执行请求的服务器数量,在一致性协议中加入自证机制,用心跳检测机制和最长链选举原则对主节点选举进行了改进。实验仿真表明,IPBFT算法在能耗、吞吐量和延时性等方面都有显著的提升,提高了系统的效能。     

S-Raft:一种增强拜占庭和崩溃容错的Raft算法

传统的Raft共识算法在私有链中因其简洁和崩溃容错而得到广泛应用,但无法解决拜占庭节点恶意行为导致的诸多问题。在深入分析现有研究成果的基础上,提出了一种基于Raft的增强拜占庭和崩溃容错的共识算法：S-Raft(Stability-Raft),以解决拜占庭节点在选举中伪造身份、投票分裂以及非法替换领导者等核心问题。引入故障心跳日志机制,通过广播故障信息阻止拜占庭节点获得多数选票;实施选举超时周期优化策略,以应对投票分裂问题;提出节点稳定性评估算法,结合连续性惩罚和时间衰减因子,准确评估节点稳定性,减少因频繁故障引发的通信冗余。实验结果显示,与Raft和PBFT等算法相比,S-Raft算法在拜占庭容错能力上取得了显著提升,同时保持了较高的吞吐量和较低的共识时延。因此,S-Raft算法具有良好的拜占庭和崩溃容错能力。     

一种优化的权益证明共识策略

区块链作为一种去中心化的分布式账本技术,主要功能是在无信任的节点之间达成共识。在区块链中合适的共识机制能提高区块链性能,保证交易数据安全。针对权益共识机制中存在的"无风险投注"问题,提出一种新的权益证明共识策略。该策略允许投票节点投出支持票和反对票,若节点对某一分叉投支持票且该分叉最后胜出,则节点获得收益,若节点对某一分叉投出反对票且该分叉最后失败,则节点也获得收益。在以太坊平台上部署智能合约验证该投票策略,结果表明,该策略可以正常执行,并且节点最终达到共识。     

保障内容安全的量子密钥应用综述

从保障内容安全的角度出发,量子密钥能够实现无条件安全的保密通信,将其用于密码应用程序,可以极大程度地提高程序的安全性。结合目前量子密钥实际应用较少的现状,介绍保障内容安全的加密方式,同时对比分析量子密钥与传统密钥的特点,得出量子密钥比传统密钥更具优势的结论。在此基础上,阐述量子密钥分发网络的相关研究,分析量子密钥资源特点,阐述现有应用场景及应用方法,并对未来研究方向进行展望,针对量子密钥在通信协议、应用软件、硬件设备和密码资源改造等方面的应用给出合理建议。     

区块链共识机制新进展

随着区块链技术的发展,其共识机制也在不断进化,在公有链和许可链的不同场景下,区块链系统的共识机制也会有所不同。在公有链共识机制上,从PoW共识机制入手分析其优缺点,探讨了为解决PoW缺点所形成的不同解决思路及应运而生的一系列共识机制,并分析了不同解决方案的优缺点;在许可链共识机制上,根据是否需要解决拜占庭将军问题分类讨论了两类共识机制,并着重探索了拜占庭将军问题下的一些新的共识机制。最后展望了未来区块链共识机制的发展方向。     

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。     

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.