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。     

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。     

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。     

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。     

结合动态信用机制的PBFT算法优化方案

实用拜占庭容错（PBFT）共识算法被广泛应用于金融机构、电子货币行业、农产品溯源等领域,但存在灵活性较差、拜占庭节点处理方式不足、通信开销和网络时延较大等问题。提出基于动态机制与信用积分机制的实用拜占庭容错共识算法DT-PBFT。引入动态加入或退出机制,使集群内的节点可以按需自由加入或退出,增加信用积分机制,通过分层机制将节点按可信任程度分为备用主节点层、中间层、警告层和清理层,采用惩罚机制降低节点连续作恶的可能性,以保证从备用主节点层中优先选择最优的主节点,大幅提高共识效率。同时,通过剔除网络清理层中的拜占庭节点,提高算法的运行效率。在此基础上,通过优化一致性协议对共识流程进行改进,减少一轮全网节点信息交互确认流程,从而降低通信开销。实验结果表明,当节点数为22时,相比DGPBFT、DDBFT和PBFT算法,DT-PBFT算法具有较优的灵活性,吞吐量和交易请求有效完成率分别为292 transaction/s和83.4%,CPU利用率为50%,相比PBFT算法,延迟降低了350 ms。     

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。     

基于可信列表的改进拜占庭容错算法

为减少实用拜占庭容错(PBFT)算法的通信开销,现有研究主要通过选举方式在保证安全的前提下挑选少量节点参与共识,但其灵活性差、容错率低、资源耗费高。对此,通过建立信用节点列表和信用评价机制,提出一种基于可信列表的改进拜占庭容错算法(CPBFT)。仿真分析表明,较PBFT算法,CPBFT算法不仅能提高节点灵活性和容错率,还降低了约42.74%的通信带宽开销,提升了约3.12%的交易吞吐量,降低了约3.03%的时延,具有一定性能优势。     

一种可应用于联盟链的拜占庭容错共识算法

针对联盟链应用场景,分析了目前应用最广泛的PBFT（practical Byzantine fault tolerance,实用拜占庭容错）算法中的高通信成本和主节点选取的问题,提出了OBFT（optimistic Byzantine fault tolerance,乐观同步拜占庭容错）算法。首先,针对高通信成本问题,OBFT算法通过动态超时时间实现了乐观同步拜占庭容错,并且结合了PBFT算法中的检查点协议,当触发超时时,说明此时节点处于异步状态,为了实现拜占庭容错,算法切换回部分同步拜占庭容错,即执行PBFT算法的commit阶段,并且以stable checkpoint为新一轮乐观拜占庭容错的起点。其次利用积分制优化了主节点选取过程,保证可供选择的主节点符合区块链最长链原则。最后通过本地多节点仿真实验表明,OBFT算法提升了数据吞吐量和可拓展性,并且有效地降低了交易延迟。     

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。     

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。     

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.     

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。     

基于信任度匹配的改进PBFT共识算法

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(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)共识算法在可扩展性和安全性方面存在的不足,提出一种基于信任度的匹配拜占庭共识算法(Trust-based Matching Byzantine Fault Tolerance,TMBFT)。首先,通过基于信任度的邻居匹配模型来选取部分节点进行投票共识,以降低区块链网络的通信量;其次,引入信任度评价机制来监督邻居节点的行为,确保有效检测出拜占庭节点,保证节点投票的安全性;最后,设计投票计数机制保证了共识结果的一致性,并提高了共识效率。与PBFT相比,TMBFT将通信复杂度从O(N²)降到O(N log₂N),有效降低了网络中的通信开销。安全性分析表明,信任度评价机制可降低节点作恶的概率,并有效提高系统安全性。实验结果表明,TMBFT较传统拜占庭算法具有更好的性能优势。     

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。     

具有监督机制的高效拜占庭容错算法

共识机制作为区块链技术的核心内容,在不同应用领域各有差异。针对联盟链应用场景,应用广泛的实用拜占庭容错（PBFT）算法仍然存在效率及安全性问题,因此从网络模型、共识本质及安全攻击等角度对PBFT算法进行研究,提出了一种高效监督拜占庭容错算法（Efficient Supervised Byzantine Fault Tolerance,ES-BFT）。针对效率问题,ES-BFT算法将节点随机划分为多个节点簇,设置信誉值,通过信誉值从节点簇中选举共识节点、监督节点,尽可能提升共识节点的高效性及可靠性;监督节点对共识节点进行监控,避免了在Global Stabilization Time（GST）开始之前共识节点可能遭遇的系统不协调问题,进一步保证算法的安全性;通过实验表明ES-BFT算法在效率及安全性上较PBFT算法有所提升,并且免疫在GST之前的攻击所导致的系统不协调问题。     

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。