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。     

基于信誉的区块链分片共识方案

分片是一种解决区块链扩容问题的技术,但是分片可能会导致恶意节点更容易集中在单个分片内,从而阻碍整个系统的安全运行。文中提出了一种基于信誉的区块链分片共识协议,通过建立信誉机制来衡量节点行为,促使节点遵循协议,并通过基于信誉等级的分片方法来减小各分片节点信誉等级分布的差异,防止恶意节点集中在单一分片进行作恶。提出一种验证链和记录链相结合的双链模型,该模型通过交易信息的差异化存储,在扩展区块链存储容量的同时提高了区块链的安全性。将投票份额与节点信誉相关联,同时差异化节点承诺,提出了基于信誉的快速拜占庭容错共识算法,使诚实节点更快达成共识,并减小恶意节点的影响。安全性分析表明,RCBSP能够保证分片内节点分布的合理性和共识过程的安全性,防止双花攻击、无利害关系攻击。实验结果表明,RBSCP在保证安全性的前提下,能够做到低分区时延、低共识时延和高吞吐量。     

面向版权授权交易的区块链共识机制

为实现安全高效的版权授权交易,使原创版权作品得到有效保护。针对区块链技术中的共识机制加以改进,提出一种适应可信版权登记与授权交易场景的DPOS共识机制改进方法。基于信用值和币龄进行设计,采用CES生产函数模型对节点可信程度进行衡量,减少作恶节点当选代表节点的概率;通过基于混合同余算法的随机出块策略和新型区块合法性验证策略,实现区块可信的产生与验证过程,增强共识算法安全性;增加基于出块时间的信用值奖惩机制,增大网络带宽与节点性能更好的节点成为出块节点的概率,提升系统效率。实验结果表明,改进方案可以全面提升区块链系统的安全性和效率,有效应用在版权交易领域,实现可信的版权授权交易。     

面向车联网切片的区块链辅助资源交易方法

5G车联网差异化的服务质量(Quality of Service, QoS)需求需要网络切片技术的辅助和多运营商协作提供资源.然而,多方参与下的车联网切片资源提供往往伴随着不信任、欺骗性攻击等问题.针对这些问题,本文提出一种基于区块链的5G车联网切片资源交易框架,目的是构建安全可信、可追溯的车联网资源交易生态.首先,设计一种基于智能合约的分布式资源交易方法,保证交易的公平性和隐私安全.然后,探索一种基于VCG拍卖的信誉评估机制,在资源交易者选择时作为参考.最后,开发一种信用感知的实用拜占庭式容错(Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT)共识机制.安全性分析和仿真结果表明,提出的方法可以实现安全可信的资源交易,提高节点运行效率,并且降低恶意节点参与共识的概率.     

车联网环境下基于重复博弈的恶意车辆节点检测机制

针对车联网内部存在的虚假信息攻击,以及节点动态变化快及密集程度不同造成的恶意车辆节点检测机制效率低下,提出了一种基于重复博弈的恶意车辆节点检测机制。首先,根据车辆在信息交互中的行为建立重复博弈模型,并利用生成的节点收益计算出信任值与动态阈值,经二者比较,筛选出可疑的恶意车辆节点;其次,通过权值投票算法从可疑的恶意车辆节点中判定出恶意车辆节点;最后,从邻居列表中选取信任值最高的下一跳车辆节点进行合作。仿真和分析表明,与现有的相关机制相比,该机制提高了对虚假信息攻击的检测率,降低了误检率。     

授权股份证明共识机制的改进方案

针对授权股份证明（DPoS）机制中存在的节点投票积极性不高及如何降低恶意节点被选举为代表节点的概率等问题,提出了一种基于奖励机制和信用机制的改进方案。奖励机制规定代表节点所得的交易费要与为它投票的节点所共享,并提出一种改进的收益分配算法合理分配各节点所得的权益;信用机制为节点设置信誉值和状态,并通过优化投票结果的计算方式加大恶意节点成为代表节点的难度。在以太坊平台上搭建了测试区块链对改进方案进行了实验分析,结果表明该改进方案能够降低恶意节点选举成功的概率,提高了系统的安全性。     

带有预验证机制的区块链动态共识算法

委员会共识和混合共识通过选举委员会来代替全网节点完成区块验证, 可有效加快共识速度, 提高吞吐量, 但恶意攻击和收买易导致委员会发生腐败问题, 严重时将影响共识结果甚至造成系统瘫痪. 现有工作虽引入信誉机制降低委员会节点腐败的可能性, 但开销大、可信度低且无法降低腐败问题对系统的影响. 提出一种带有预验证机制的区块链动态共识算法(DBCP), 通过预验证机制在较小开销的前提下对委员会进行可靠的信誉评估, 及时淘汰委员会中的恶意节点. 若腐败问题已影响到共识结果, DBCP会通过动态共识将区块验证权转移到全网节点, 并淘汰给出错误意见的委员会节点, 避免系统瘫痪. 若委员会通过迭代达到高可信状态, 则DBCP会将区块验证权交由委员会, 全网节点将认同委员会的共识结果, 并不再对区块进行验证, 进而加快共识速度. 经实验验证, DBCP的吞吐量与比特币相比提升了两个数量级, 且与Byzcoin相近, 可在一个出块周期内快速应对委员会腐败问题, 安全性优于Byzcoin.     

基于信用评价模型的Raft共识算法

在车联网中，车辆节点间需要交通信息的共享和交互，但目前还存在着节点之间难以高效同步交通数据信息以及恶意节点传播虚假信息的问题。针对上述问题，提出了一种基于信用评价模型的Raft共识算法(CE-Raft)。首先构建信用评价模型，基于孤立森林异常检测算法检测拜占庭车辆节点并将其剔除，生成诚实节点编号表；然后进行领导者选举，通过修改跟随者节点的投票过程，实现诚实节点当选领导者；最后进行日志复制，领导者节点根据诚实节点编号表发送信息同步请求，确保正确的消息在节点间达成共识。实验结果表明，CE-Raft算法能够有效排除拜占庭节点，提高了诚实节点预测准确率，具有较低的时延和较高的吞吐量，使车联网在存在恶意节点的情况下，仍然能安全高效地完成数据共享。     

基于信誉机制的改进PBFT共识算法

针对实用拜占庭容错共识算法（practical Byzantine fault tolerant,PBFT）通信开销大和缺乏奖惩机制的问题,提出一种基于信誉机制的改进PBFT共识算法RPBFT（reputed practical byzantine fault tolerance）。首先,引入信誉机制对节点评分,将参与共识的节点分为收集器节点和普通共识节点,并对恶意节点进行惩罚。其次,收集器节点负责收集普通共识节点的投票消息,避免普通共识节点之间的通信,从而降低通信开销。最后,当普通共识节点中的拜占庭节点均无恶意行为时,通过增加收集所需的投票数量,减少一次投票收集过程,实现快速共识。实验结果表明,RPBFT能够有效地发现恶意节点并对其作出惩罚,同时具有更低的通信开销、平均共识时延以及更高的共识吞吐量。当节点总数为37时,与SBFT相比,RPBFT将平均共识时延降低25.2%以上,并将共识吞吐量提高39%以上。     

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。     

DPOS共识机制的改进方案

针对委托权益证明（DPOS）共识机制节点投票不积极以及恶意节点勾结现象提出了一种改进方案。首先,引入非结构化网络信任模型,根据每个节点的历史记录和其他节点的推荐值计算综合信任值。根据综合信任值进行投票,使得选择的节点更可信。引入推荐算法,节点的权益得到了分散,降低了中心化程度。其次,加入了奖惩机制,针对积极投票的节点给予信用值的奖励,使其有机会成为共识节点,针对恶意节点给予信任值的惩罚。实验结果表明,基于综合信任值投票计算的DPOS共识机制能够快速剔除错误节点,维护系统稳定性,具有较高的安全性。     

基于“奖励制度”的DPoS共识机制改进

共识机制是区块链技术的核心。授权股权证明(Delegated Proof-of-Stake,DPoS)作为一种共识机制,其中每个节点都能够自主决定其信任的授权节点,从而实现快速共识验证。但DPoS机制仍然存在着节点投票不积极以及节点腐败的安全问题。针对这两个问题,文中提出了基于奖励的DPoS改进方案,投票奖励用以激励节点积极参与投票,举报奖励用以激励节点积极举报贿赂节点。Matlab仿真结果表明,投票奖励方法的引入提高了节点投票的积极性。与原始DPoS共识机制下投票节点数占比45%~50%相比,两种投票奖励方法使得参与投票节点数占比分别增加至65%~70%以及55%~60%。相比原始DPoS共识机制下不接受贿赂节点占比会随着恶意节点贿赂力度的加大而不断减少的情况,举报奖励方法的引入使得选择举报节点的占比出现了明显增加,在投票轮数为20的情况下,选择举报节点的总占比可以增至54%。实验结果表明,奖励制度的引入不但能够提高节点投票的积极性,而且增强了普通节点对恶意节点的贿赂抵抗性,使恶意节点成“代理人节点”的概率变小,保障了网络安全性。     

基于博弈论抗共谋攻击的全局随机化共识算法

随着区块链技术的不断发展,作为区块链技术基石的共识技术受到更多关注,共识技术的发展越发迅速,但依旧存在相关难题。容错类共识算法作为区块链共识技术的代表性之一,依然存在诸多难题待研究,针对容错类共识算法中节点随机性和节点共谋攻击问题进行了研究,提出基于博弈论抗共谋攻击的全局随机化共识算法,通过实现节点的随机化和解决相关安全问题提高区块链网络的安全性和吞吐量。在选择参与容错类共识算法的节点过程中,利用映射函数和加权随机函数实现发起者和验证者节点的全局随机化,从而保证发起者和验证者节点的身份匿名,提高区块链网络的安全性。利用信誉更新模型实现信誉动态更新的同时利用博弈论分析容错类共识算法的安全问题,构造更加正确和高效的算法模型以提高算法的吞吐量并分析发现这类算法中存在超过1/3节点的共谋攻击问题,利用精炼贝叶斯博弈构造共谋合约,分析求得共谋者之间的纳什均衡点,从而解决超过1/3节点的共谋攻击问题。通过安全性分析和实验表明,基于博弈论抗共谋攻击的全局随机化共识算法相对工作量证明（Po W,proof of work）、权益证明（Po S,proof of stake）和实用拜占庭容错（PBFT,...     

基于信任值的车联网分层共识优化协议

随着车联网、5G和人工智能技术的快速发展,智能交通成为交通技术发展趋势,车联网作为车-车、车-路信息交互平台,是智能交通信息共享和处理的基础。同时车联网安全备受关注,特别是数据安全问题,可能会造成用户隐私泄露。区块链技术的发展成为一种解决途径,但在效率、安全性等方面仍面临新挑战。随着车辆节点、信息增多,如何在车辆高速移动环境中高效完成信息共识也成为问题关键。针对上述问题,提出基于区块链及信任值的自下而上双层RSU(road side unit)链共识协议。对比几种典型的共识结构并依据实际车联网场景、符合速度、容错率以及减少通信量需求,选择自下而上双层共识结构。通过赋予每辆车信任值,并基于节点参与程度、工作完成情况及消息价值度提出组领导节点选举算法,以确保系统安全性。基于上述共识结构与算法工作,完整描述协议具体流程,分为区域划分、组领导节点选取、局部共识、领导主节点选取、全局共识、域内广播6个步骤。从安全性、通信复杂度、共识算法时延、容错率4个方面对实验进行分析。实验证明,与其他方案对比,本协议在可抵抗合谋攻击、女巫攻击等条件下,可以有效降低通信复杂度,缩短共识时延,并在安全前提下提高容...     

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.     

一种基于双链模型的分区共识协议

针对目前分区模型中区块链的存储容量不能随着分区的增加而同步扩展以及分区算法存在的安全性问题,提出一种基于双链模型的分区共识协议(dual blockchain-based sharding consensus protocol,DB-SCP)。首先通过基于哈希链和交易链的双链分区存储模型来设计验证信息共享机制和交易差异化存储机制,实现了区块链的存储容量随分区的增多而同步增加;其次,采用基于节点投票份额的分区方法将节点权益拆分到不同的分区,有效防止了分区中权益过多节点的出现;最后采用VRF函数改进分区内共识算法,保证了验证者选取的随机性,且使用密钥演变技术保证了交易的前向安全性。安全性分析表明,基于投票份额的分区方式既稳定又安全,实验结果表明该协议有着良好的性能优势,存储容量较传统区块链模型提升了30%~70%。     

基于贡献机制的奖惩算法

针对区块链中委托权益证明共识机制中恶意节点无法被快速剔除的问题,本文提出一种基于贡献机制的奖惩算法。在该算法中,通过对代理节点计算贡献值并调度反馈系统,实现了对优良节点的奖励和对恶意节点的惩罚,达到了对恶意节点的快速剔除。     

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。     

基于节点动态评分机制的分组共识算法

针对实用拜占庭容错（practical Byzantine fault tolerance,PBFT）共识算法三阶段流程通信开销大,主节点随机选取且缺乏奖惩机制等问题,提出基于节点动态评分机制的分组共识算法（dynamic scoring practical Byzantine fault tolerance,DS-PBFT）。首先,优化一致性协议,简化三阶段通信流程从而提高共识效率;其次,提出节点评分分组机制,通过节点在共识过程中的历史行为进行评分,并分为共识组和候选组,降低恶意节点参与共识过程的可能性;最后,提出动态过程选择参与共识的节点,优化视图切换协议和垃圾回收机制,减少参与共识的节点数量,从根本上提高共识效率。用Docker容器模拟多个节点的仿真实验表明,在网络稳定、可信节点较多的联盟链中,提出的DS-PBFT共识算法在共识时延、吞吐量、容错性和通信复杂度等方面比PBFT共识算法及其他改进算法相比具有更好的性能,能够快速达成共识,提高共识效率。