区块链共识机制研究综述

自比特币被提出以来,数字货币开启了新的时代,而其背后的区块链技术也逐渐受到各界人士的重视.共识机制作为区块链技术的核心,决定了区块链的安全性、可扩展性和去中心化程度等许多重要特性.本文从系统模型、共识机制本质、激励设置和安全攻击等角度对现有共识机制进行研究.首先研究了共识机制的模型,对网络模型、敌手模型和腐化模型给出定义和分类.在不同的模型基础上,将现有共识机制分为经典分布式共识和区块链共识.其次,对于经典分布式共识,研究了PBFT、Paxos等分布式一致性算法及其改进,给出了算法具体流程和优缺点分析.再次,对于区块链共识,根据应用场景的不同将其分为授权共识机制和非授权共识机制,将非授权共识分为基于工作量证明的共识机制、基于权益证明的共识机制、采用单一委员会的混合共识、采用多委员会的混合共识和其他共识机制.对于每一类共识机制,给出其基本流程,深入分析典型方案,指出其存在的优缺点、交易规模以及可能面临的攻击方式.最后,指出了区块链时代共识机制在安全、扩容、启动、激励等层面的研究热点和发展方向.     

基于贡献值和难度值的高可靠性区块链共识机制

基于贡献值证明(PoC)的区块链共识机制是面向知识产权保护与交易应用场景提出的一种区块链共识机制,通过计算节点用户的贡献值,由贡献值最大的节点获得新区块的记账权.然而,由于PoC会造成记账节点具有很强的确定性,一旦该节点未能正常完成记账出块,网络中其它节点将始终保持在挂起等待状态,系统将陷于停滞状态,无法继续运行.为了...     

委托权益证明共识机制的改进方案

针对委托权益证明（DPoS）共识机制由于投票不积极和选举周期过长造成的恶意节点剔除不及时的问题，提出了一种基于熔断机制、信用机制和备用见证人节点的DPoS共识机制改进方案。首先，引入熔断机制，提供了反对票功能，加快踢出作恶节点；其次，引入信用机制，为节点设置信用分数和信用等级，通过监测节点行为来动态调整节点信用分数和等级，加大作恶节点获得票数的难度；最后，加入备用见证人节点列表，及时填补因为节点作恶被撤销见证权后出现的空缺。搭建了基于本改进方案的测试区块链系统，通过实验验证改进方案的可用性和有效性。实验结果表明，采用改进后的DPoS共识机制的区块链可及时剔除作恶节点，适用于大多数场景的应用。     

区块链工作量证明机制中的哈希算法探讨

区块链工作证明机制中哈希算法起着重要的作用,设计能对抗ASIC专用芯片计算的哈希算法对于保障区块链网络的安全和去中心化非常重要.现有的SCRYPT、X11、ETHASH、Cryptonight等算法都难以从根本上对抗ASIC芯片计算,因此需设计既有高计算复杂度,又具备算法变换共识机制的哈希算法,从而能够对抗只具备专用计算能力的ASIC芯片.     

基于动态加权选举的委托权益证明共识机制改进

面向委托权益证明共识机制中用户节点缺乏积极性、节点窜谋、难以抑制恶意节点出现、中心化风险变高等缺陷,提出了一种基于动态加权选举的委托权益证明共识机制改进方案.首先,针对用户节点建立奖惩机制以激励用户参与选举活动,同时引入用户节点地址聚类算法以发现具有相似投票行为的用户节点,限制用户节点的不良投票行为.使用改进熵权法对每一轮候选节点的特征动态计算权值,再利用优劣解距离算法结合用户节点的投票情况对候选节点进行排序,使选举结果更为合理.随后,在区块生产过程中动态调整生产节点的生产顺序以避免中心化风险.最终通过仿真模拟验证了所提改进方案的可行性与有效性,结果表明,所提方案能在激励用户节点的同时限制节点的不良行为,有效降低恶意节点出现的概率并避免中心化风险.     

采用工作量证明共识机制的区块链中挖矿攻击者间的“鲶鱼效应”

近年来,采用工作量证明共识机制(Proof of Work,PoW)的区块链被广泛地应用于以比特币为代表的数字加密货币中.自私挖矿攻击(Selfish mining)等挖矿攻击(Mining attack)策略威胁了采用工作量证明共识机制的区块链的安全性.在自私挖矿攻击策略被提出之后,研究者们进一步优化了单个攻击者的挖矿攻击策略.在前人工作的基础上,本文提出了新颖的两阶段挖矿攻击模型,该模型包含拥有单攻击者的传统自私挖矿系统与拥有两个攻击者的多攻击者系统.本文的模型同时提供了理论分析与仿真量化分析,并将两个攻击者区分为内部攻击者与外部攻击者.通过引入内部攻击者与外部攻击者的概念,本文指出传统自私挖矿系统转化为多攻击者系统的条件.本文进一步揭示了在多攻击者系统中两个攻击者将产生竞争并面临着“矿工困境”问题.攻击者间的竞争可被总结为“鲶鱼效应”:外部攻击者的出现导致内部攻击者的相对收益下降至多67.4%,因此内部攻击者需要优化攻击策略.本文提出了名为部分主动发布策略的全新挖矿攻击策略,相较于自私挖矿策略,该策略是半诚实的攻击策略.在特定场景下,部分主动发布策略可以提高攻击者的相对收益并破解攻击者面临的“矿工困境”问题.     

基于节点分组的权益证明共识机制

共识机制作为区块链的核心,针对区块链共识效率较低、消耗大量算力及电力资源等问题,权益证明(Proof of Stake, PoS)对工作量证明(Proof of Work, PoW)有所改进,却又存在权益中心化的风险。提出基于节点分组的权益证明共识机制,将节点按币龄分组,各分组依次竞争并在各组内产生收益,用以提高低币龄节点出块概率以及降低单次共识全网消耗。同时提出虚拟币龄与无币龄队列解决系统初始节点无币问题以及根据队列特性控制共识过程中高代币节点参与竞争频率。实验结果表明,改进后的PoS算法能够有效提升低币龄节点出块概率,防止权益中心化以及进一步减少资源的消耗与浪费。     

针对权益证明共识机制的攻击以及应对措施综述

权益证明由于能源消耗小,成为替代工作量证明最有前景的共识机制之一,但其在安全性上仍存在诸多问题,容易受到长程攻击、无利害攻击等威胁.近些年来越来越多的系统开始采用权益证明共识机制,或将原来基于工作量证明共识机制系统修改为基于权益证明.为了更好地研究基于权益证明的区块链网络的安全问题,首先介绍了权益证明的基本概念以及其发...     

基于贡献值和信誉度的区块链共识机制

目前工作量证明（PoW）共识机制存在节点资源消耗过大和算力不平衡等问题,针对以上缺陷,提出了一种基于贡献值和信誉度证明（PoCaC）的区块链共识机制。首先,动态调整哈希计算的目标难度值,减少计算随机数的时间和电力;其次,引入贡献值、信誉度和奖惩机制,为每个节点赋予贡献值和信誉度,在规定时间内,计算出随机数的节点,均获得贡献值奖励,根据节点行为增加或者扣除信誉度;最后,考虑节点计算随机数时间,由贡献值、信誉度和计算时间三者计算权重得到最终值fValue,fValue最大的节点获得打包记账权。搭建了基于PoCaC共识机制区块链,节点的记账权次数的方差为5.67,与PoW相比,PoCaC的共识时间减少了90%,数据吞吐量提高了10倍。实验结果表明,PoCaC不但能够提升区块出块速度、减少算力浪费和平衡节点记账权竞争,而且提高了节点维护区块链系统的积极性,增强了节点对恶意行为的抵抗性,保障了系统安全性。     

区块链共识协议综述

共识协议作为区块链的核心技术,近年来已经得到学术界和产业界的广泛重视,并取得了一系列研究成果.当前,关于共识协议的综述研究一般将共识协议作为整体进行比较分析,缺乏对共识协议中主要步骤的解耦与比较.将共识协议分为出块节点选举和主链共识两个主要步骤,并针对每个步骤进行协议间的分析比较.在出块节点选举部分,主要讨论工作量证明...     

一种基于信用的改进PBFT高效共识机制

基于联盟链的特点和要求,分析共识机制的协议性能和资源的使用,在实用拜占庭容错技术（practical byzantine fault tolerance,PBFT）的基础上,对共识过程中的协议进行了针对性的改进。新共识机制中,首先引入了信用评价,配合简化的一致性协议促进系统进入良性循环;修改检查点协议,使节点能动态地加入、离开系统,提高系统灵活性。实验结果表明,新的共识机制能在长期运行中缩短交易确认时间、减少通信资源的使用、提高系统的效率。     

H-Algorand:基于多块输出的公有链共识机制

面向全网公开且无用户授权机制的公有链目前得到了业界的普遍重视,其中具有良好扩展性、低分叉概率的Algorand机制在公有链中被广泛使用,但Algorand机制存在区块共识效率低、不满足高频交易场景的问题。针对这些问题,首先提出一种多块Algorand（MB-Algorand）机制来提高区块共识效率;其次将Algorand机制与MB-Algorand机制配合使用得到混合Algorand（H-Algorand）机制,该机制兼顾了区块共识效率与安全性两方面的性能。仿真结果表明,在委员会遭受分布式拒绝服务（DDoS）攻击的情况下,H-Algorand机制以一定的安全性能为代价,换取了区块链网络共识效率的显著提升。当一个区块共识失败的概率在1%时,所提机制使区块链网络共识效率在提升了37.87%的同时,安全性能仅损失4.9%。     

基于信用的区块链共识算法对比研究

基于信用的共识算法在共识效率和安全性上具有显著优势,成为近年来学术界和产业界广泛关注的热点。对当前信用共识算法进行对比分析,为研究者们深入研究提供参考。首先对当前的信用共识算法进行系统梳理,给出了其发展历程、分类和核心工作原理,总结了其信用计算模型和性能评价指标。其次对信用共识算法进行了定性和定量的比较分析,指出了各类信用共识算法的优缺点。最后,针对目前信用共识算法中存在的信用激励不够和与共识过程融合度不高的问题,提出了从基于博弈论的信用激励和设计高效的通信拓扑两个方面进行优化,给出了未来的研究方向。     

基于动态信任的区块链激励共识机制研究

针对实用拜占庭容错(PBFT)共识机制中主节点可能出错导致大量通信资源浪费的问题,提出一种基于信任动态激励的共识机制优化方案ITPBFT(incentive trust-PBFT).利用信任评价模型对系统内节点的共识行为进行评价,添加动态激励机制,引入节点等级机制,选取信任度高的节点作为主节点.通过对优化方案进行仿真实验和分析,验证了该机制可以有效提高共识机制的容错能力、降低共识的时间、提高系统的吞吐量并提高网络波动时的稳定性和可恢复性.该优化机制可有效提高共识的效率,避免通信资源的浪费.     

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。     

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%。     

面向物联网的区块链共识机制综述

随着数字货币的不断发展,区块链技术引起越来越多人的关注,而对其关键技术共识机制的研究尤为重要.将区块链技术应用在物联网(IoT)中是目前研究的热点问题之一.共识机制是区块链的核心技术之一,其在去中心化程度、交易处理速度、交易确认延迟、安全性以及可扩展性等方面对IoT产生了重要影响.首先对IoT的体系结构特征以及资源受限...     

基于配对制度的DPoS共识机制

针对授权股权证明共识机制中节点投票不积极和节点腐败的问题,提出一种基于配对制度的DPoS共识机制(delegated proof-of-stake based on matching mechanism,DPoS-M2).根据节点属性值将节点分为独立节点、主节点和配基节点,通过主节点和配基节点配对增加节点间相互作用力,提高各类节点参与共识的积极性,从而降低系统中心化程度.采用类别评定模块,计算节点行为权重值并更新节点类别,使系统对节点的奖惩更具有针对性.当新节点加入系统时,运用马氏距离计算公式求出最需要该节点的社区,以保证社区动态且平衡运行.在仿真环境下,DPoS-M2在运行了80 min时,与DDPoS、DPoS-PI和DPoS相比,节点的参与度分别提高21.9％、8.7％和32.4％;出块数量分别提高63.2％、44.8％和11.6％;新节点参与率分别提高22.8％、25.5％和28.7％;恶意节点的剔除速度分别提高12％、32％和48％.实验结果表明,DPoS-M2能有效地提高节点的积极性和系统去中心化程度,加快出块速度,提高可扩展性,增强系统安全性.     

基于区块链的物联网可伸缩管理机制

为了解决大规模物联网（IoT）设备集中式管理的安全性和可伸缩性问题,提出一种基于区块链技术的轻量级物联网设备可伸缩管理框架。该框架采用区块链网络,在网络中部署智能合约为设备管理提供操作接口,利用设备管理器将轻量级物联网设备独立于区块链网络之外,并改进了区块链中拜占庭容错算法（PBFT）的一致性协议,增加了动态选举机制。仿真实验分别对改进共识算法的性能和机制的可伸缩性进行验证,结果表明,该机制具有良好的伸缩性,设备管理器每秒能响应约1 000次的请求。与传统PBFT算法相比,改进算法提高了交易吞吐量,缩短了交易延时,并减少了通信开销。