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。

应用于供应链的区块链PBFT共识算法优化

目前,区块链在供应链领域中的应用越来越受到业界的广泛关注.但由于供应链中存在大量复杂性的事务,这给可信的主节点选取工作带来了挑战.因此,在机器学习分类算法与PBFT(practical Byzantine fault tolerance)共识算法的基础上,提出一种应用于供应链的区块链PBFT共识算法优化方法.对构建供应链与区块链的集成框架进行分析,根据供应链中参与共识的节点属性特征,运用K-近邻(K-nearest neighbors)来优化PBFT共识算法的主节点选取规则.实验结果表明,对共识节点进行信任评估分类可以较好地解决因视图切换所引发的效率问题,从而提升区块链的吞吐量、时延、容错性等共识性能,具有一定的实用性,也给区块链在其他行业的应用提供了思路.

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.

面向物联网的改进PBFT共识算法

随着物联网的发展,高效的共识算法是区块链技术应用于物联网的关键.针对实用拜占庭容错(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)算法在物联网场景中通信次数多、未考虑共识功耗、共识时延高等问题,本文提出了一种基于二分K均值算法的改进PBFT共识算法(binary K-means practical Byzantine fault tolerance algorithm,BK-PBFT).首先,获取节点地理坐标并计算节点综合评价值,通过二分K均值算法将节点划分为一个双层多中心聚类集群.然后,先在下层集群再在上层集群对区块进行PBFT共识.最后,集群验证执行并存储区块,完成共识.此外,本文证明了当节点均匀分布在每个簇时算法通信次数可以达到最少,以及通信次数最少时的最优聚类数.分析与仿真结果表明,本文算法可以有效减少通信次数、降低共识功耗和共识时延.

基于改进Raft共识算法和PBFT共识算法的双层共识算法

针对目前应用于联盟链中的实用拜占庭(PBFT)共识算法可扩展性不足、通信开销增长过大、难以适用于大规模网络节点环境等问题,提出了一种基于改进Raft共识算法和PBFT共识算法的双层共识算法(DL_RBFT)。首先将区块链中的节点分成若干小组,组成下层共识网络,然后小组的组长再构成上层共识网络,形成一个双层共识网络结构;在下层共识网络的小组内部引入监督机制和声誉机制来改进Raft共识算法,在初始组长的选举流程引入了蚁群算法,使选举效率始终维持在较高水平;在上层共识网络中,使用PBFT共识算法进行共识。改进后的Raft共识算法具备了抗拜占庭节点攻击的能力,提升了算法的安全性。实验结果分析表明,相较于传统的PBFT共识算法,在100个节点的情况下,DL_RBFT将共识时延降低了两个数量级,吞吐量也提升了一个数量级,与其余改进算法相比也有着明显优势。因此DL_RBFT共识算法拥有良好的可扩展性,可以广泛应用于联盟链的各种场景中。

提升区块链多轮PBFT验证效率的节点分配方案

为解决区块链分片技术导致的单个分片失效的问题,多轮PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance protocol)验证方案被提出,但其节点随机分配过程会导致交易验证有效性降低,通过对这一问题进行分析,同时对目前主要分片项目的节点分配方案进行研究比较,提出一种基于节点评价的节点分配方案。该方案通过对区块链系统内节点进行评分,可对疑似拜占庭节点进行标记,并根据身份标记实现加入和退出分片的操作,实现了分片内拜占庭节点比例的明显降低,提高了验证效率。通过四组对比实验,说明基于节点评价的节点分配方案有更高的验证效率,明显提升了系统吞吐量。

面向物联网多场景的PBFT共识算法改进方案

物联网与区块链融合过程中,实用拜占庭容错(PBFT)算法存在通信开销大、时延高且无法根据场景与设备差异进行合理划分的不足。为满足物联网多场景应用的问题,提出了一种基于综合评价的改进实用拜占庭容错算法。首先,对节点进行基于性能与信誉值加权的综合评价筛选出符合特定场景需求的节点;然后,进行基于节点综合评价的聚类,形成双层网络架构;最后,将共识过程分为子集群共识和主集群共识。实验结果表明,CE-PBFT拥有较高的容错性和场景适应性,且当场景节点数达到100时,在通信开销和共识时延方面较PBFT分别有着93.9%和87.8%的性能优化。

面向物联网系统的改进PBFT共识机制

针对复杂网络环境中,基于传统PBFT共识算法的物联网系统存在恶意伪装设备和共识响应延迟高的问题,提出一种基于位置和时间的可信双层PBFT共识机制(credible-location-and-time-based Byzantine fault tolerant algorithm, CBFT)。根据边缘服务器的位置信息对设备进行分组,使用GeoHash(geographical hash, GeoHash)协议创建设备的位置定时器,根据定时器的可信时间遴选出诚信设备;基于边缘服务器的信用值生成两层网络,并行开展共识,分解共识任务;引入基于Token的信用评价机制,激励边缘服务器规范共识行为。实验结果表明,改进的共识机制能够有效筛选出恶意设备,降低共识耗时并提高系统吞吐量。

基于PBFT算法的分片技术的研究

区块链作为分布式共识领域的一种集成创新,备受技术人员和研究者的关注,但目前区块链仍面临扩展性问题亟待解决,分片技术是迄今为止被认为最能够解决区块链系统扩展性的最实用的解决方案,但目前分片技术也存在一些问题,当节点被分配到分片时,拜占庭节点也会被分配到各个分片中,当采用实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)后可能无法保证分片数据的可信性。针对以上问题,提出了基于PBFT共识算法通过动态权重(Dynamic weight)和聚合签名改进的动态实用拜占庭容错算法(Dynamic Practical Byzantine Fault Tolerance,DPBFT),通过给节点增加动态权重进行节点随机分配以及对节点达成共识算法进行改进确保分片数据的可信性,并通过实验验证了改进后的算法可有效地提高系统容错性、交易吞吐量并降低了交易延迟。

基于Raft投票机制的PBFT改进共识算法RBFT

PBFT算法存在着时延长、效率不高、动态性不高的问题,论文提出一种基于Raft投票机制共识算法RBFT(Raft Byzantine Fault Tolerant)。由于PBFT算法中主节点选取过于随意,易恶意节点易重新当选,该算法将节点进行分层,分为共识域和备份域,主节点选取改为Raft中Leader的投票选举,在共识域R1共识的过程中,同时进行备选域R2备选主节点(Leader)的选举,实现了备份域节点的动态增减,同时优化视图切换协议。减少了通信消耗并进一步降低时延。经实验后得出,改进后算法与原有算法相比,时延有了进一步的降低,吞吐量得到更大的提升。

基于联盟链PBFT的BRaft共识算法

针对联盟链共识算法不能同时实现低时延、高吞吐量、高安全性的问题,提出适用于联盟链的可容错Raft共识算法——BRaft(PBFT-Raft)。BRaft利用RSA签名解决拜占庭Leader节点篡改日志的问题,并在PBFT算法三段协议的基础上,引入标识位W,解决拜占庭Follower节点恶意响应Leader节点的问题,确保在拜占庭节点发送错误消息的情况下日志项依然能够被正确提交。实验结果表明,BRaft在保证算法可理解性和共识效率的同时,提高了算法安全性。

基于改进PBFT的区块链工程监理数据共享模型

为有效地解决云环境下工程监理数据流转中存在的数据安全得不到保障、各项目参建方间信任成本高等问题,提出一种基于改进实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT)的工程监理数据共享模型,结合星际文件系统(InterPlanetary File System, IPFS)实现监理数据的分布式安全存储,并通过智能合约保障数据上链、查询过程的高效性、透明性。针对PBFT算法存在的通信复杂度高、算法本身无法避免拜占庭节点担任主节点等问题,引入节点信任度评价模型对PBFT算法进行改进。进行仿真实验分析评估模型的安全性及算法性能,所得结果满足工程监理场景下对于数据共享的要求。通过对比分析得出,模型在共识效率、吞吐量和算力需求等方面相较于其他模型更有优势。

基于节点分组信誉模型的改进PBFT共识算法

针对实用拜占庭容错共识算法(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)中存在通信开销大、缺少奖惩机制、节点缺乏积极性的问题,提出了一种基于节点分组信誉模型的改进PBFT共识算法(grouping reputation practical Byzantine fault tolerance,GR-PBFT)。首先,引入信誉奖惩机制来确保系统的安全性,再根据节点信誉进行分组以选取共识节点,解决信誉机制类共识算法产生节点信誉累计问题,降低系统中心化程度,提升了节点成为共识节点的积极性;然后,改进主节点的选举方式保证主节点的可靠性,并优化一致性协议执行流程,减少准备、确认与响应阶段的通信复杂度,提高了共识效率。仿真实验表明,GR-PBFT共识算法在共识时延、通信开销、吞吐量、安全性等方面比PBFT共识算法具有更好的性能。

基于分组和信用分级的PBFT共识算法改进方案

针对联盟链的实用拜占庭容错(PBFT)共识算法通信复杂度高、主节点选择随机、支持的网络规模有限等问题,提出一种基于分组和信用分级的改进拜占庭容错(CBFT)算法优化大规模联盟链的节点结构。优化一致性过程,将网络节点按照对管理节点的响应速度划分为不同的共识集分别进行共识集内外共识,各共识集的管理节点携带共识集内的共识结果参与共识集外的全局共识,从而减少节点间的通信频率。在此基础上,提出信用分级机制,将节点划分为管理节点、候选节点、普通节点等3种类型,使信用值高的节点成为主节点的概率较高,减少恶意节点对系统的破坏,提高整个网络的效率。搭建基于该改进方案的仿真模拟与性能测试系统.实验结果表明,当网络节点数量为30个(4个分组)时,CBFT算法的吞吐量为PBFT的3.2倍,共识时延降低90.6%,通信开销减少53.2%,能够容忍的最大恶意节点数为PBFT算法的1.9倍,且随着节点数的增加提升更明显,符合大型联盟链的需求。

基于信誉机制分组的改进PBFT算法

为解决目前实用的拜占庭容错算法(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)工作中面临的节点通信次数高、存储负担重以及共识时间较长的问题,提出1种基于信誉机制分组的改进实用拜占庭容错算法(reputation group practical Byzantine fault tolerance,RG-PBFT)。首先引入节点的自身状态和投票数,得到节点信誉值并对节点排序;其次根据节点信誉值选择部分节点作为聚类中心运行K-means聚类运算,将网络中的参与节点划分到不同分组中;最后简化PBFT算法共识流程,实行组内、组间分开的方式进行共识以减轻节点存储负担。研究表明RG-PBFT算法平均通信次数降低为PBFT算法的1/5,平均共识时延降为PBFT的1/2,且吞吐量提高将近1/3。

基于改进PBFT算法的雾节点信任评估研究

针对目前雾计算中雾节点与底层节点之间通信安全性低以及效率低的问题,提出了一种基于改进实用拜占庭容错(PBFT)算法的雾节点信任评估机制。首先通过改进PBFT算法的共识机制为雾层建立信任模型,得到节点的信任值,判断节点信任状态。然后根据雾节点的信任值大小选取主节点并组建共识群组。最后主节点对节点信任值、通信距离和节点负载率三个信任指标进行加权平均并归一化处理,为底层节点的任务请求选取出最优雾节点。仿真结果表明,该方法中恶意节点的占比降低了23.6%,吞吐率提高了90%,平均处理时延降低了1000 ms,有效提升了底层节点与雾节点之间的通信安全性以及效率。

基于组播通信的PBFT算法改进

PBFT算法存在通信复杂度高、性能受节点增加而下降等问题,引入组播通信应用于RPBFT(基于角色的拜占庭共识机制),提出了一种通信复杂度低、可以动态分配共识节点、不因节点数增加而性能下降的WRPBFT共识算法。WRPBFT将节点划分为共识节点和候选节点两类节点,动态地选取参与共识的共识节点进行组播通信。实验与分析表明,WRPBFT共识算法可以动态地实现节点的划分与选取,并且相较传统PBFT算法,WRPBFT算法具备更高吞吐量、更低的时延和更低的通信复杂度。

PBFT共识算法性能分析

众所周知,共识机制是区块链的核心,是区块链实现分布式存储的关键。随着各种区块链共识机制地出现,基于共识机制的优化方法也相继被提出,主要从优化共识过程以及控制共识节点的数量入手,解决共识机制吞吐量低、高时延、高资源等问题。然而,许多基于共识机制的优化缺乏理论的分析,也没有提及关键参数会影响共识机制的性能。为此,文中将以实用拜占庭算法(Practical Byzantine Fault Tolerance Algorithm,PBFT)、基于分组的实用拜占庭算法(Practical Byzantine Fault Tolerant Algorithm Based on Group,G-PBFT)以及基于分组和信誉的实用拜占庭算法(Practical Byzantine Fault Tolerant Algorithm Based on Clustering and Reputation,GR-PBFT)为例,构建三者的数学模型,进行性能分析。根据交易吞吐量、交易失败概率、区块认证失败概率和通信复杂度等性能指标进行对比。仿真结果表明:在同等节点数量下,G-PBFTD、GR-PBFT算法的吞吐量为PBFT的1.57倍、2.38倍;G-PBFTD、GR-PBFT算法的交易认证失败概率比PBFT下降了16%、39%;G-PBFTD、GR-PBFT算法的通信复杂度比PBFT下降了3.1倍、4.0倍,优化效果显著。

结合信誉积分的PBFT改进方案

为解决目前PBFT算法中主节点作恶和一次共识时间较长的问题,提出一种基于双重信誉机制的实用拜占庭容错算法(DB-PBFT)。首先引入节点的动态信誉值和静态信誉值得到节点的总信誉值,以此来标记节点状态,对节点进行划分;其次根据划分后的结果选择主节点并建立共识群组,减少参与共识的节点数目;最后对引入奖惩机制,对活跃度低的节点降低其信誉度,对于作恶节点直接将其踢出共识群组以此来维护网络的安全。实验表明,DB-PBFT算法比起PBFT算法拥有更高的效率、吞吐量和低能耗性。

基于PBFT共识算法的物联网信息安全系统设计

物联网技术在医疗、金融、智能城市建设等领域中有着重要应用,是各个行业的现代化建设必不可少的技术。但物联网的安全性较差,无法有效保护用户的隐私安全。研究利用区块链技术提升物联网的安全性与保密性,利用实用拜占庭容错共识算法提升物联网的容错性能,构建物联网信息安全系统。研究结果表明,该系统对异常节点的检测准确率超过了90%,证明物联网信息安全系统有较好的抗攻击性和容错能力,能够有效保护物联网用户的隐私安全,具有较高的实用性。