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.     

稳定度激励算法对移动区块链节点的共识优化研究

在基于移动节点的区块链系统中，节点速度与位置的变化以及节点本身的可信度会影响共识节点选取和区块验证时的稳定性，存在产生恶意节点选取和区块验证共谋．本文提出一种稳定度激励算法，在节点选取方面，根据节点可信度和质量因子计算各个节点的稳定度，并选取稳定度超过阈值的节点成为候选节点，再从中选取稳定度较高的节点生成区块；在区块验证方面，利用节点的稳定度关联节点收益，通过计算节点的验证延迟与收益，并迭代节点收益约束计算延时需求和激励奖励的最优解，激励其余高稳定度的候选节点加入区块验证．仿真结果表明，在基于移动节点的区块链系统中，与MWSL和TSL两种算法进行比较，稳定度激励算法能够提高恶意节点的检测成功率和验证区块的正确概率，提高了区块链共识的稳定性．     

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.     

基于模型准确率的链上去中心化联邦学习模型

现有的联邦学习存在恶意中央服务器和恶意参与者发布虚假数据毒害模型等问题。针对此情况,该文提出了一种去中心化的联邦学习模型,该模型将聚合工作由中央服务器移至参与者本地,各个参与者依据聚合算法将训练之后的模型参数写入交易,生成区块发布到区块链网络中。采用一种基于模型准确率的Byzantine容错共识算法构建共识小组,通过建立节点信息表实现节点动态加入。对所提的链上去中心化联邦学习模型的吞吐量、时延等性能进行了相关测试,结果表明：在相同条件下,基于模型准确率的高性能Byzantine容错共识算法相较于传统的Byzantine容错共识算法,吞吐量提升60%,系统平均时延从6 s减少到1 s。     

一种面向区块链的优化PBFT共识算法

区块链技术具有去中心化,数据不可篡改和数据透明等特点,使得该技术的应用领域不断扩展,但目前应用于区块链系统的共识算法存在着资源浪费和共识效率较低等问题,限制了区块链技术的发展.针对此问题,基于实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT),算法的基本思想,提出了一种优化的共识算法.该算法引入积分机制,根据节点积分挑选参与共识的节点,以降低网络中的通信开销;在不存在拜占庭节点的情况下,优化PBFT算法的一致性协议;引入升降级机制,动态更新参与共识的节点集合,以保证算法在大部分时间内都执行优化一致性协议.实验结果表明:与PBFT算法相比,本文提出的共识算法将共识过程的时间复杂度从O(N~2)下降到O(N),有效降低了网络中的通信开销,平均时延从55ms降到37ms,平均吞吐量从342TPS提升到677TPS.     

基于可信性评估的区块链共识机制的研究

共识算法是区块链的核心。为解决基于算力的共识算法存在的安全问题,一般采用基于历史行为的信任值代替算力,但该方法只根据特定的行为决定每个节点的信任值,太过于简单,不适用于复杂的应用场景。因此提出了一种基于可信性评估的区块链共识机制,利用区块链节点在整个区块链上的工作表现产生的信任值,来定义节点的力量,信任值由信任值评估算法产生,在算力和时间方面增加攻击成本。经过对提出的共识机制的性能测试和安全性分析,表明本文中的共识机制对于基于算力的攻击成本远超于其他共识算法。     

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...     

利用节点度的无线区块链转发机制

针对目前区块链系统中传播区块消耗大,难以适配无线环境下动态变化网络拓扑的问题,设计了一种基于节点度的无线区块链转发机制,通过复杂网络传播模型确定最低转发下限,在综合考虑能量消耗、吞吐量和安全性的条件下确定最优的转发比例。节点根据自身度指标与转发比例确定转发消息的邻居数量,通过节点邻居的度信息,分布式调整向邻居发送消息的概率,提高了网络中消息的递送效率。仿真结果表明,所提机制性能与洪泛机制相近,但消耗大大减小,各项性能均优于传统的Gossip机制。     

区块链多链防伪溯源模型设计与系统实现

为了解决烟草供应链各环节数据海量异构、企业间信息壁垒高筑、追溯数据可信度低、监管乏力等问题，运用超级账本（Hyperledger Fabric）构建烟草区块链多链追溯系统，设计多链数据存储与监管模型，利用多链结构实现追溯数据共享与隐私数据隔离；应用Raft共识算法，制定背书策略，并通过设计智能合约实现消费者追溯及监管部门精准监管；同时开发追溯系统去中心化应用（DAPP），便于用户使用.为验证追溯系统可行性，利用Caliper对区块链多链追溯系统进行性能测试.在网络性能方面，区块链网络吞吐量稳定维持在150 tps；在可信度方面，区块链交易成功率100%；在合约效率方面，写入吞吐量稳定在150 tps，查询最低延时稳定在0.01 s，平均延时0.026 s.结果表明：该系统满足实际应用性能要求，能实现消费者防伪溯源、监管部门精准监管的需求.     

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。     

区块链研究综述

区块链技术伴随着数字货币比特币产生,是一个具有全网一致性共识、去中心化、可编程和安全防篡改等特点的分布式数据账本,目前在数字金融货币领域的应用最为广泛。区块链技术的不断发展和更新,为其与更多领域的融合提供了可能性,可构建不同的可编程行业区块链系统。面向未来区块链技术的发展,介绍区块链技术的背景和基本框架,详细讨论区块链的关键技术:共识机制、智能合约以及安全隐私问题,研究区块链技术与5G、物联网和边缘计算的融合。对区块链技术的研究进展进行概括,重点关注跨链技术和可扩展性问题,并分析未来区块链物联网系统的发展方向。     

采用拒绝服务的无线区块链网络区块传输策略

无线区块链网络中存在恶意分叉与非恶意分叉的安全问题,针对非恶意分叉问题,提出了一种新的区分优先级的区块传输策略.该策略决定区块和交易在信道中是立即传输还是排队等待,通过降低区块排队时延来减少非恶意分叉的发生.针对分叉区块造成的系统算力分化问题,提出了一种拒绝服务策略来协助区块传输.区块传输过程是一个排队等待通信节点服务...     

多群组“2+1”三链交易溯源系统

针对产品溯源痛点,如数据可信性、安全性等,基于区块链防篡改、去中心化、可信任等特性,提出了多群组“2+1”三链交易溯源系统,该系统通过群组对参与者、交易数据进行管控,将交易数据与摘要数据分别构链,为特定商品全流程交易构链,同时提出适用于本系统的激励机制．该系统能够保证溯源信息真实可信不可篡改．通过引入群组的概念,将交易数据分群组管理,摘要数据全网共同管理,有效提高系统的存储效率,通过相应的激励机制,解决参与节点积极性低的问题,有效调动节点参与系统的数据流通、共识的积极性．多群组“2+1”三链交易溯源系统为基于区块链的溯源技术提供了重要借鉴．     

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...     

一种基于投票权竞争的区块链共识机制

在区块链系统中的共识机制下,所有参与者就区块归属问题以及交易拟定的价值问题达成一致。基于锻造委员会和锻造组系统的新架构设计,提出了一种基于竞争的股权证明(CPoS)共识机制,可以在确保分权的前提下快速去除分叉。经原型机实验,可在较小的延迟内快速地完成出块和交易活动。     

基于区块链技术的供应链溯源模式创新

传统的物联网追溯系统依赖于集中式服务器 客户端模式，存在着信息采集困难、结构中心化以及信息不安全等问题。借助区块链技术的智能合约、分布式账本和共识机制等优势，提高供应链安全性和完全透明性，改善可追溯性。通过分析当下供应链溯源模式的局限性，结合区块链技术的特点和功能，确定基于区块链的解决方案来改善供应链可追溯性问题，提出基于区块链的溯源系统的体系结构设计框架和适用性应用分析流程，对提高供应链可持续性具有积极的作用。     

基于PoC共识的区块链可靠存储系统

针对互联网环境下,各行业大量重要数据、文档、视频等电子文件安全存储的问题,提出了基于PoC共识的区块链可靠存储方案。该方案利用区块链去中心化、不可篡改等特点,结合IPFS技术共同实现在公有链上的电子文件可靠存储。对于部分主流共识机制存在的资源浪费、中心化风险的情况,方案引入了容量证明(PoC)共识机制,通过采用PoC的方式,不但具有更低的计算成本和去中心化的特性,还能减少共识带来的能源消耗,实现区块链的有效共识。安全性分析和性能测试表明,本方案能够保证数据的安全、可靠存储及查询,具有较高的运行效率。     

基于区块链的数据版权保护与组合竞拍

基于区块链、数字水印以及密封递价拍卖的组合竞拍算法, 设计并实现了一套数据版权保护与组合竞拍系统. 首先, 采用去中心化的区块链技术, 结合智能合约来存储数据版权的上链记录、版权交易记录等, 通过共识机制使得网络中的各个节点在互不信任的情况下达成共识, 提升了版权管理系统的公信力. 其次, 数字水印作为一种特殊的编码, 能够将水印信息隐藏在数据中, 通过验证水印信息就可甄别版权归属. 结果表明, 所设计的数字水印模块对原始数据大小增加很少, 且可高效地实现数字水印的嵌入和提取. 最后, 设计了一种组合竞拍算法来自动化地为版权拥有者挑选出最优的出价组合, 实现数据版权的价值交换.     

基于区块链技术的物联网信息记录安全存储

针对物联网系统中存在的信息传输安全和信息记录保护问题,结合区块链和容器技术提出一个物联网节点接入、信息记录安全存储方案,该方案利用区块链技术来保护物联网节点接入、信息记录存储,使物联网节点间信息交互的记录的真实数据保存在链下存储结构中,有效的实现了物联网节点的安全性的提升和降低了恶意攻击后取证溯源的难度.     

CSMA/CA网络协议的无线区块链安全性研究

传统区块链的设计主要面向稳定且传输速率较高的有线通信环境,现有绝大部分的区块链研究都认为通信信道是完美的.随着无线接入网架构的不断演进,以数据验证为基础的区块链势必要考虑无线通信技术的影响.以基于CSMA/CA网络协议的无线局域网为例,节点在无线区块链中广播交易必须遵循MAC规则来竞争无线信道.尤为注意的是,无线信道的...