基于通信时延分组的改进实用拜占庭容错算法

【目的】为解决实用拜占庭容错算法(practical Byzantine fault-tolerant algorithm, PBFT)通信复杂度高、共识时延高等不足,提出节点间通信时延分组的改进实用拜占庭容错算法(grouping PBFT,GPBFT)。【方法】首先将区块链系统节点进行分组,依据最少网络通信次数确定分组数;然后计算各组节点间平均通信时延进行组内节点筛选,确定组内节点数;最后以共识成功率、失败率和节点历史行为评估参数为变量计算节点信誉值,监督节点共识行为,减少异常节点的参与。【结果】通过基于Hyperledger Fabric平台的区块链系统进行仿真试验,结果表明：与PBFT相比,GPBFT平均时延降低57.86%、平均吞吐量提高55.04%,通信复杂度数量级由平方级降低为对数级。【结论】GPBFT可满足多节点场景下区块链复杂通信的高时效性需求,解决了行业区块链系统大规模节点的需求问题。     

基于奖励积分机制的高效拜占庭容错算法DIG-PBFT

实用拜占庭容错共识算法（PBFT）作为联盟链中最常见的共识算法,可以在恶意节点少于三分之一的情况下,保证系统的正确性.然而,PBFT算法在建立信任与共识过程中存在高时延、低吞吐量、主节点选取安全性、恶意节点未处理等问题.为了解决这些问题,引入奖励积分机制来对共识节点进行分组并设定候选节点集,提出了一种高效快速的拜占庭容错算法（DIG-PBFT）.在共识过程中,DIG-PBFT通过动态地调整实际参与共识的节点,增加了安全性更高节点的参与度.仿真实验结果表明：与PBFT算法及其同类工作相比,DIG-PBFT算法的吞吐量更大、时延更低,且安全性更高.     

基于信任评估模型的PBFT共识算法

实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)共识算法是确保区块链等分布式系统达成一致性的重要算法，但其仍难以应用到节点数量规模较大的网络环境，且共识过程中主节点的错误选取会导致系统通信资源的浪费。针对以上问题，文章提出基于信任评估模型的PBFT共识算法(Trust-based Practical Byzantine Fault Tolerance,T-PBFT)，首先采用聚类的方法对系统中的共识节点进行分组共识，降低通信复杂度；然后根据网络中节点历史行为进行信任度评估，选取可靠的节点作为共识小组中的主节点；组内实现共识后，再进行组间共识，确保系统中共识节点存储的数据信息达成一致。所提出的改进算法能够更好地应用于大规模区块链网络系统，并能够选择更可靠的主节点。通过仿真实验和分析得出，改进算法通信复杂度小于原算法的O(N²)，系统的吞吐量与原算法相比最高增加了17%，共识时间节省了25%。     

基于可验证随机函数和BLS签名的拜占庭容错共识算法

实用拜占庭容错(PBFT)算法可以容忍网络存在不超过节点总数三分之一的拜占庭节点,常被作为联盟链的共识算法。针对PBFT存在主节点选取规则简单、通信复杂度较高等问题,提出一种基于可验证随机函数(VRF)和BLS签名的拜占庭容错(VBBFT)共识算法。在VBBFT共识算法,VRF在共识节点中选取主节点,主节点作为消息收集和发送的协调者,并将节点间的信息交互过程转化为BLS签名过程,降低了节点间的通信复杂度,并保证了节点间的信息交互是安全的。仿真实验结果表明,VBBFT共识算法与PBFT算法相比,交易吞吐率提高了62.3%,时延降低了12%。     

适用于风电场群能量管理的区块链PBFT共识算法改进研究

随着新型电力系统的不断发展，新的能量管理方式变得越发迫切，区块链技术被广泛视为能够让能量管理的效率得到提高的关键技术。针对风电场群能量管理中场群间信息交互共享困难等问题，基于区块链理论引入信誉度机制，提出一种基于信誉度分级的实用拜占庭容错（CR-PBFT）共识算法，基于信誉度值划分节点类型，优化主节点选取方式；引入超级节点机制，以解决网络中节点动态增减和节点监督管理问题，通过优化视图切换与垃圾回收机制，减少视图切换频率和系统资源浪费。基于Hyperledger Fabric框架，对改进的CR-PBFT与传统PBFT共识算法进行吞吐量、共识时延、容错性、可扩展性等对比测试，改进的CR-PBFT算法吞吐量提升42.6%，共识时延降低51.5%，时间复杂度降低50%，在容错性和可扩展性方面具有明显优势，能更好地应用于发展更高效安全的风电场群能量管理技术。     

基于CITA区块链的纠删码分片存储实现

O (n) O (1)摘要:区块链系统采用全复制的数据存储机制,为每个节点保留整个区块链的完整副本,系统扩展性差.同时由于区块链系统中拜占庭节点的存在,导致传统分布式系统中使用的分片方案不能被直接应用于区块链系统中.本文结合纠删码和拜占庭容错算法,使每个区块的存储消耗由降到,增强了系统的可扩展性.本文还提出了对区块数据进行划分的方法,在降低存储冗余的同时减小对查询效率的影响.提出了无需网络通信的编码块存储方法,降低了系统存储和通信开销.还提出了区块链节点加入和退出的动态重编码方法,既保证系统的稳定性,又降低了系统重编码开销.最后,在开源区块链系统CITA上实现,并通过充分的实验,证明系统可扩展性、可用性和存储效率提升.     

GVGBC:全视图情形下基于Gossip协议的拜占庭共识算法

共识算法是区块链技术的一个核心组成部分,但现有的共识算法还存在某些不足.针对基于Gossip协议的拜占庭共识算法(GBC算法)的局限性,提出了一种基于全视图通信情形下的GBC算法——GVGBC算法.通过改进通信方式、数据结构和内部算法,使系统快速实现分布式节点间的数据更新和共识达成.通过实例依次证明了GVGBC算法的3个优点:节点间通信的轮数降为一轮;单节点对错误信息不会多次叠加;减少了系统承担的数据量.总之,在通信可靠的情况下,GVGBC算法减少了节点数据更新所需要的通信轮数,减少了系统承担的数据量,从而提高了算法的性能.     

基于工业互联网的产品全生命周期信息追溯研究

针对工业互联网产品信息追溯问题,提出一种基于区块链的工业互联网产品追溯系统.首先引入可拓学原理中的转换桥方法解决低层区块链数据采集的表示异构问题;其次采用改进的拜占庭算法建立共识,以此保证区块链节点的一致性;最后以C语言和以太坊geth区块链作为基础,对该区块链追溯系统进行开发,并给出部分信息追溯展示和区块链数据防伪验证界面.创新点在于从宏观监管的角度实现了工业产品的信息追溯,并引入防篡改的区块链技术,从而保证了工业产品的质量安全.     

一种基于可验证秘密共享的区块链共识算法

共识算法对保证区块链的安全性和效率起着至关重要的作用,Raft算法作为一种强一致性、去中心化、高可用的分布式共识算法,被广泛应用在联盟链及私有链中.针对Raft算法在Leader节点选举过程中存在虚假投票及缺少拜占庭容错的问题,利用可验证秘密共享提出了一种基于可验证秘密共享的Raft共识算法,该算法通过可验证秘密共享的...     

基于信誉度的主从多链区块链共识机制

针对单一区块链系统的性能局限性、多链系统跨链共识困境以及数据分布挑战问题,该文提出了一种主从多链的共识机制。设计了2层区块链结构以构建主从多链。通过主区块链链接多条从区块链,保证了数字化资产的全局一致性,提高了区块链的性能。将信誉度评估引入基于权益证明的共识机制中,提高了交易的吞吐量。设计了多共识机制融合的联合共识机制,确保数据的一致性和不可篡改性。通过生成动态验证节点,确保节点的去中心化和防止恶意攻击。相比传统的以太坊(ETH)区块链,仿真实验结果表明每秒事务处理量(TPS)提升了约48%,拥有高权益节点的恶意行为将受到更严重的惩罚,证明了主从多链设计在应对权益粉碎攻击、贿赂攻击等方面具有安全性高、事务处理快的优势。     

可信激励算法对区块链移动节点共识优化研究

节点可移动的物联网应用区块链时将节点称为区块链移动节点,区块链移动节点存在通信连通时间较短、算力和存储能力不足等问题导致网络达成共识时安全性和吞吐量较低.提出一种可信激励算法对共识过程进行优化,首先区块链移动节点接收共识所需信息完成初始化;其次每个区块链移动节点生成判决块,判决块包含对验证消息的投票结果、自身的可信因子和判决块的生成时间,根据判决块中在相邻区块链移动节点组成的集群中选出中继节点,中继节点传播验证消息到下一个集群,并产生区块存储在边缘服务器,一个中继为一跳,当跳数大于网络阈值跳数时完成共识;最后根据激励机制对节点奖励或惩罚,并按激励情况更新节点的行为标识反馈到共识.仿真结果表明,与应用在同样网络情况的PoET和PoS算法相比,可信激励算法在保证了一定的吞吐量情况下,有效降低验证消息验证失败率提高了共识安全性,更适合节点可移动的物联网网络.     

基于区块链技术的财政预算执行审计框架研究

随着区块链技术的发展,得益于其去中心化、不可篡改、可追溯等优势.针对上述问题,此次研究围绕执行审计框架与共识机制进行探讨.针对对如何保证可审计性质的同时又可以约束审计方权力的问题,提出了让用户事后感知的可审计Zerocoin方案.同时针对区块链技术中的吞吐量低以及分叉现象等问题,此次研究提出基于信用值的共识协议CPC,并通过模拟实验与PBFT对比研究,研究结果表明该协议在节点数增加时吞吐量与时延性能均有提升.     

区块链共识算法综述

区块链技术作为核心技术自主创新的重要突破口,在越来越多的领域带来了深刻的变革.区块链的三大核心技术分别是:密码学、共识机制和分布式网络.共识算法作为区块链技术的核心之一,对维护系统稳定运行,以及节点间的相互信任有着重要的作用.本文主要介绍了区块链共识机制发展至今的一些代表性算法,包括分布式共识、工作量证明、权益证明等共识算法,并对这些算法中存在的一些安全隐患进行了概述.     

基于改进拜占庭容错算法的区块链气象数据共享系统

针对气象数据共享程度低、数据获取途径少、中心化程度高等问题,提出一种基于改进拜占庭容错算法的区块链气象数据共享系统(BDMSS)。首先建立了BMDSS的系统框架,并基于该框架设计了系统的智能合约架构和基于共享度的区块链共识机制;其次,为规范BDMSS中的节点行为规范,提出了改进拜占庭容错算法(SD-PBFT)。仿真结果表明,SD-PBFT相对于拜占庭容错算法在带宽开销、吞吐量和时延的系统性能指标上具有更好的表现;最后,作为系统演示,考虑气象数据中的地面观探测资料共享场景,基于以太坊平台,并结合星际文件系统(IPFS)开发BMDSS,并进行初步实现与测试。     

选择性压缩算法对区块链轻量级节点的优化研究

区块链中的轻量级节点存在因不能存储完整区块链副本而无法参与区块链验证过程的局限,削弱了区块链分布式特性,可以通过压缩轻量级节点中存储的区块链副本以降低存储开销进而增强其区块链验证能力。提出区块链选择性压缩(BSC) 算法,基于Hyperledger Fabric区块链架构,首先针对区块链主链生成检查链,通过哈希指针链接检查链和主链并在检查链中存储用于验证主链区块完整性的哈希根路径;其次对检查链中的检查点进行合并更新,降低检查链的存储开销;最后选择性保留主链中的区块并计算验证主链完整性所需的哈希路径,降低主链的存储开销。仿真结果表明,对比EPBC算法和Snapshot算法,BSC算法在存储开销和验证能力方面有较好的表现。     

基于单向哈希链的Ad Hoc网络密钥协商协议

针对Ad Hoc网络节点计算能力有限的特点,提出一种新的基于单向哈希链技术的双向认证密钥协商协议.主要优势是采用单向哈希链技术进行身份认证,避免了传统公钥算法的复杂运算,只需进行简单的哈希函数运算,从而大大减少了通信节点的计算开销,与类似方案相比,具有较高的执行效率.同时,本文提出的协议还具有较高的安全性,能够满足普遍...     

一种基于区块链PoS共识算法的改进研究

区块链共识算法保证了区块链中的区块按时间戳有序生成,算法优劣直接影响区块链系统性能。PoS共识算法是一种区块链公有链采用的主流共识算法,但生成区块的时间具有随机性,有些情况下区块间隔时间过长,不能满足商业应用场景需要;针对PoS共识算法生成区块的速度存在的性能局限,改进设计的Silkworm算法,通过智能合约对最快生成区块时间和最慢生成区块时间进行定义,结合Raft算法进行主节点选举;在有交易的情况下,当PoS共识算法未在定义的最快时间内生成区块时,Silkworm算法确保由主节点自动快速生成区块;在无交易情况下,当PoS共识算法未在定义的最慢时间内生成区块时,Silkworm算法也由主节点生成区块。而当主节点关闭或出故障时,PoS共识算法仍然生效正常生成区块。通过实验验证:Silkworm算法能较大提升基于PoS共识算法的区块链的性能,保证了区块链的安全性和健壮性,更能满足商业应用场景的需要。     

基于区块链技术的钢铁企业全流程数据管理

钢铁企业全流程数据的有效管理是实现实时决策的保障.现有全流程数据管理系统中心化严重，导致容灾性和安全性弱、效率低.本文利用区块链技术，对其账户机制进行改进，设计了钢铁全流程数据管理方案.首先，描述了全流程数据管理的业务需求和难点；其次，采用实用拜占庭容错(practical Byzantine fault tolerance，PBFT)共识机制和智能合约技术，设计了基于联盟链的全流程数据管理系统结构模型；然后，针对传统区块链账户只有一种资产的弊端，提出了一种新的资产账户管理机制——多种资产账户，进而提出了相应的账户内资产转化算法和账户间资产交易算法；最后，对系统特征和效率进行了对比分析.结果表明，该系统与传统的中心化系统相比，安全性和容灾性较强，效率较高.     

基于有向无环图的高效并行区块链

区块链系统的性能制约了它的推广应用,主要表现为交易吞吐量低、交易确认时间长和算力浪费等.针对这些问题,提出一种基于有向无环图（DAG）的区块链及其共识协议,提供区块链的并行工作模式.通过3个指针提供DAG区块的连通性;根据工作量证明（PoW）机制,将较难的区块组成一条谜题链,保证区块的有序性和系统的安全性;按照最长链原则和最难链原则,制定谜题链的共识协议.本方案充分利用了网络节点的计算资源,提高了区块链系统性能,减小了计算冗余度,节省了算力.     

基于不确定度量化加权的CKF算法

针对传感器网络中每个传感器节点的邻接节点状态估计值不确定度不同的问题,提出一种基于不确定度量化加权的一致性卡尔曼滤波算法(CKF).该算法通过考虑节点度数对于传感器网络估计精度的影响,结合节点度数提出了一种衡量邻接节点状态估计值不确定度的量化函数,并把量化值作为该邻接节点与当前节点的状态估计值偏差的融合权重引入一致性协议中,利用优化后的一致性协议对传感器节点先验估计值进行更新,可提高一致性卡尔曼滤波算法的估计精度;算法同时具有非一致性误差小和鲁棒性强等特点.最后在3种不同网络类型下,通过动态目标跟踪实验仿真验证了算法的有效性.