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.     

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...     

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...     

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。     

基于综合积分机制的权益证明共识算法改进研究

共识机制是区块链的核心。权益证明(PoS)作为一种共识机制, 与工作量证明(PoW)相比显著降低了资源的消耗。但PoS中积极的低权益诚实节点难以获得记账权, 除此之外, 还存在节点区块验证不积极、币龄累计攻击和出块奖励分配不合理的安全问题。为此, 提出了一种基于PoS的改进方案。首先, 通过引入积分机制来提升积极的低权益诚实节点的总权益, 提高节点获得记账权的概率; 其次, 采用非线性函数进行币龄计算, 防止恶意节点累计币龄发动攻击; 最后, 根据节点综合积分占比分配出块奖励, 在规定时间内积极参与验证或投票的节点会得到奖励, 减少“富者越富”现象, 缩短节点之间的贫富差距。实验结果表明, 相比其他PoS, 所提的改进共识机制有效控制币龄的无限增长, 积极的低权益诚实节点获得奖励和记账权的次数提升了约3.6倍和2.6倍, 降低了系统的中心化趋势, 增大了积极的低权益诚实节点的竞争记账权的机会和减小了币龄攻击的可能性, 进一步验证了所提方案的可行性和优越性, 促进了区块链网络的健康发展。     

基于门限密码方案的共识机制

针对比特币的PoW(proof of work)共识机制中资源消耗巨大、系统性能存在瓶颈和“公地悲剧”问题,从博弈论的角度分析了比特币系统后期只有交易费奖励所带来的“公地悲剧”现象,提出了基于门限密码方案的共识机制(a consensus mechanism based on threshold cryptography, TCCM).首先,新共识协议引入了节点保证金的思想,提出了一种基于门限群签名理论的保证金模型.该模型既能够确保保证金的安全,又为节点诚实地记账提供保障.其次,利用门限加密的思想构造了记账权竞价模型来产生区块链记账节点,这能够保证记账权竞价环境的公平性和记账节点产生的随机性.同时,在原有的区块奖励基础上,设计了新的激励机制,使得更多的节点能够参与共识的全过程.最后,安全性和性能分析结果表明,该共识机制既有效地降低了资源消耗,又提高了交易处理效率,使得整个区块链系统变得更加安全可靠.     

基于信誉的委员会共识机制

授权股权证明（DPoS）作为主流共识机制的一种;选举过程耗时长、节点投票不积极和恶意节点难处理的核心问题制约着它的快速发展。针对上述问题;提出一种基于信誉的委员会共识机制——幸运信誉证明（PoLaC）。首先;将信誉值作为节点历史行为的评估标准;并选择高信誉节点作为委员会成员;从而极大地简化选举流程;其次;引入幸运值概念来提高普通节点竞选成功的概率;从而激励普通节点参与网络共识;最后;采取延迟分叉的方式修正恶意节点的行为。实验结果表明;在共识通信量方面;投票意愿为50%时;PoLaC网络比DPoS网络的共识通信量少30%;在低权重节点收益方面;PoLaC网络的收益是DPoS的3倍;在委员会恶意节点占比方面;进入信誉稳定期的PoLaC网络的委员会恶意节点数约为DPoS的1/5;而相较于其他同类信誉共识机制;PoLaC在网络通信量、节点活跃度以及恶意节点处理方面均具有一定优势。     

基于信誉的委员会共识机制

授权股权证明（DPoS）作为主流共识机制的一种;选举过程耗时长、节点投票不积极和恶意节点难处理的核心问题制约着它的快速发展。针对上述问题;提出一种基于信誉的委员会共识机制——幸运信誉证明（PoLaC）。首先;将信誉值作为节点历史行为的评估标准;并选择高信誉节点作为委员会成员;从而极大地简化选举流程;其次;引入幸运值概念来提高普通节点竞选成功的概率;从而激励普通节点参与网络共识;最后;采取延迟分叉的方式修正恶意节点的行为。实验结果表明;在共识通信量方面;投票意愿为50%时;PoLaC网络比DPoS网络的共识通信量少30%;在低权重节点收益方面;PoLaC网络的收益是DPoS的3倍;在委员会恶意节点占比方面;进入信誉稳定期的PoLaC网络的委员会恶意节点数约为DPoS的1/5;而相较于其他同类信誉共识机制;PoLaC在网络通信量、节点活跃度以及恶意节点处理方面均具有一定优势。     

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。     

基于信用的联盟链共识算法

针对当前共识算法中存在的共识效率低下和激励机制不足的问题,提出了一种基于信用的联盟链共识算法.首先,根据节点参与共识过程的行为,设计节点信用评估机制,通过信用奖励解决节点间激励机制不足的问题.其次,构造信用区块链和信用计算模型,将节点的信用值进行存储,并作为挑选\"矿工\"节点的依据,提高了共识算法的效率.最后,提出了分轮次的矿工节点选择算法,利用随机算法和优先级排列算法依次选择矿工节点,并提出节点信用值评估方法,避免节点信用值过大而成为寡头,确保节点成为矿工节点的公平性.实验仿真结果表明,该信用共识算法算力消耗低,出块速度快,相比现有的共识算法具有更好的性能,可以很好地应用于商业和医疗等联盟链场景.     

基于市场证明共识的分布式账本协议: Achain

区块链技术给加密货币带来了新的变化, 并得到了广泛的应用. 然而, 它仍面临着高吞吐量、低交易延迟、安全性和去中心化的需求和目标. 此外, 消费节点(交易提供者)的意愿难以映射到leader中, 区块开采者热衷于挖矿竞赛也导致中心化和能耗的加剧. 为此, 提出了一种不同于传统PoW (proof-of-work)共识的新型共识算法——PoM (proof-of-market), 及其第一个实施案例——Achain协议. PoM的算法设计使得消费节点进行PoW工作, 并投票选出leader节点. 这不仅离散化了挖矿的工作, 提升了去中心化, 降低了能耗, 还体现了消费节点的意愿, 只有受到最多支持的节点才能成为leader. 在性能上, 相较于PoW型区块链, Achain还提升了可扩展性, 此外, 还提供了一种Achain节点存储优化方案——FastAchain; 在安全性方面, Achain辅以一套激励相容的奖惩机制使得恶意节点的收益期望为负, 这保护了诚实节点的利益, 且Achain可以容忍至多1/3的全网总算力被恶意节点控制. 为了验证Achain的性能表现, 实施了一个大规模网络下的Achain原型用来评估其相关性能, 结果表明Achain达到了预期, 优于一些主流的代表性区块链协议, 且保持了良好的链收敛性和去中心化.