面向联盟链的共识算法研究

实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance)广泛用于理论研究和实际生产中,但存在着选取主节点随机、缺乏惩罚机制等缺点.针对以上问题,(1)提出一种基于复杂网络角度的区块链共识算法,通过引入时间感知PageRank算法,建立区块链网络节点的影响力评分机制,并建立共识群组;(2)为了减少共识攻击的发生,建立节点惩罚机制,增加节点作恶的成本,有效提高攻击代价,降低攻击概率;(3)实验表明,基于时间感知PageRank的共识算法在扩展性和可靠性上高于实用拜占庭容错算法和基于信用分级的拜占庭容错算法(Credit-Layered Byzantine Fault Tolerance);在公平性和在延迟性方面,均取得良好效果.

基于日志副本的Raft共识算法优化

在基于三副本策略的分布式存储系统中,当存储节点上的硬盘出现故障时,常见的处理方式是等待系统预设的时间.如果该故障硬盘超时未恢复,才开始恢复故障硬盘上的副本.这种处理方式存在的问题是,当三副本组中存在故障副本时,如果该副本组再有一个副本所在的硬盘发生故障,将导致系统无法继续提供服务,且不能自动恢复.本文提出一种基于日志副本的改进的Raft共识算法,即LR-Raft (log replica based Raft),日志副本没有完整状态机,可以快速加入集群,并参与投票与共识,提升了存在故障硬盘时系统的可用性;可以解决短时间内三副本中两个副本故障导致集群不可用和丢失数据的问题.实验结果表明,在副本组中引入日志副本后,与原Raft相比,LR-Raft在不同的工作负载下读写时延均明显降低,吞吐量显著提升.

基于节点识别的改进拜占庭容错共识算法

实用拜占庭容错(practical Byzantine fault tolerance, PBFT)算法应用于联盟链中,存在主节点选取随意、通信开销大等问题.为了解决这些问题,提出了基于节点识别的改进拜占庭容错共识算法(NR-PBFT).首先,通过引入BLS聚合签名优化一致性过程;其次,利用CatBoost算法识别节点,选择高信誉节点为主节点,并动态处理低信誉节点.实验结果显示NR-PBFT在安全性、吞吐量和时延等方面优于PBFT和ABFT算法.

基于联盟链微电网交易的改进Raft共识算法

针对联盟链微电网交易场景的高吞吐量与抵御拜占庭节点攻击的需求,提出了一种基于Raft的多领导者拜占庭容错共识算法MLB-Raft(multi-leader Byzantine fault tolerance-Raft)。首先使用可验证随机函数VRF选举领导者节点群,通过多领导者并行提交区块的方式提高算法的吞吐量;接着引入了协调者角色,负责领导者的选举、管理与系统共识;在领导者与跟随者进行区块复制的过程中,结合并简化了PBFT算法的共识流程,实现本算法的抗拜占庭特性。实验结果表明,在大规模网络节点环境下,相较于Raft算法,该算法提高了吞吐量与共识效率,但付出了部分通信开销代价;相较于PBFT算法,该算法提高了拜占庭容错能力,降低了通信开销。综上,该算法能有效保障联盟链微电网交易的时效性与安全性。

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。

面向分布式电力交易的实用拜占庭容错共识算法改进

针对实用拜占庭容错(Practical Byzantine fault tolerance,PBFT)共识算法在分布式电力交易场景下共识时存在的主节点选取策略简单、缺少奖惩措施以及通信资源消耗较大等问题,提出一种改进实用拜占庭容错共识算法。首先,明确分布式电力交易(Distributed power trading,DPT)参与方构成,制定参与方对应节点在共识过程中应承担的权责;其次,制定节点信誉值计算方法,根据节点在共识中的表现筛选不良行为节点,有效限制拜占庭节点参与共识;此外,基于信誉值与散列算法实现了一种可验证的主节点选取方法,使主节点选取难以预测;最后,引入多主节点改进一致性协议,提高算法对拜占庭主节点的容忍程度。实验结果表明,DPT-PBFT算法在通信开销、共识时延等方面相较于PBFT算法均有不同程度的提升,能够有效适用于分布式电力交易场景。

基于LG-PBFT共识算法的去中心化环境监测数据采集与真实性验证

为解决环境监测数据篡改问题,研究采用LG-PBFT共识算法,结合分组结构和高效的共识机制,引入区块链技术的去中心化设计,成功规避了传统验证机制的单点风险,并确保了环境监测数据的可信度。实验结果表明,相较未改进的PBFT算法,LG-PBFT算法在节点增加时保持较高吞吐量,并显著降低了共识延时。研究验证了LG-PBFT算法在提升系统性能和确保数据真实性方面的可行性,为环境监测技术的进一步发展提供了强有力的支持。

实用拜占庭容错共识算法的奖惩机制优化研究

联盟链是农业溯源行业的首选区块链方案,针对其核心共识机制实用拜占庭容错共识算法(PBFT)存在的共识安全性低、主节点出错概率大、通信开销大等问题,通过引入奖惩机制以及分组共识机制,提出了基于奖惩机制的改进实用拜占庭容错共识算法。把节点划分为4类,制定节点信誉规则,增强节点主动性,减少拜占庭节点的参与;剔除作恶节点参与共识资格,统计其余节点信誉值及票数,动态筛选信誉良好节点作为共识节点,并依据最高信誉值规则选取主节点,从而提升共识安全、降低拜占庭节点当选主节点概率;以PBFT共识为基础,将共识过程简化为组内共识及全局共识两个阶段,并基于最少广播消息数提出最优分组,缓解共识节点数目增多导致通信量过大的问题。实验结果表明,该方案能够有效抑制拜占庭节点,提升共识安全性能,降低共识成本。

面向工业物联网的区块链高效拜占庭容错共识算法

鉴于工业物联网多样性终端存在作恶风险,为满足共识过程中对高效率和安全可容错的需求,提出了基于信誉积分与双层动态的实用拜占庭容错(CD-PBFT)高效共识算法。信誉积分模型确保良好节点参与共识,移除故障节点;双层架构实现交易验证和读写操作的并行;自适应主节点算法随机选取信誉值高节点作为主节点并确保其安全性。实验结果表明,CD-PBFT在保持安全性与活性的基础上,相较于PBFT,网络交易时延平均降低34.8%,吞吐量平均提高25.2%,实现了对效率与安全容错性的双重要求。

基于改进共识算法的虚拟电厂主从多链交易匹配机制

在未来新型电力系统中,虚拟电厂(virtual power plant,VPP)内部多主体的可信交易和信息安全将更加复杂和具有挑战性。而区块链技术的信息安全、分布决策、智能合约及防篡改等特征,为VPP多元主体可信交易提供新思路。文中聚焦VPP内部多聚合商形成的利益最大化及可信交易匹配效率问题,首先,依据交易主体需求差异,建立区块链技术与多智能体系统融合的一主多从分层互动控制架构;其次,设计一种面向多聚合商对等交易需求下的可信交易匹配机制,引入非合作博弈模型,保证了多聚合商主体的利益;然后,基于区块链的分布式粒子群优化算法提出了改进的委托权威证明机制(delegated proof-of-authority,DPoA)共识算法,提高交易的安全性;最后,通过算例分析验证文中所提策略的合理性和可行性,该策略能有效增强多主体交易的匹配效率和安全性。

基于信誉分类的拜占庭容错共识算法

针对许可区块链场景下实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)共识算法通信开销大、主节点选取随意以及吞吐量低等问题,通过引入并优化信誉评分模型(Reputation Scoring Model,RSM)。提出了一种基于信誉分类的拜占庭容错(Byzantine Fault Tolerance Based on Reputation Classification,RCBFT)共识算法。定义RSM,依据节点的历史共识行为所获得的信誉评分排序对参与节点进行动态分类以及分级管理,提出基于信誉分类的多层次节点架构;在可信节点层中随机选取节点来担任主节点,优化主节点选取机制;设计了缓冲节点层类型转换策略(Type Conversion Strategy for Nodes,TCSN),兼顾了环境等非主观因素导致低信誉评分的诚实节点不能参与共识的问题,使得诚实节点尽可能多地参与共识,而拜占庭节点快速下降到最差类型中限制共识权限;RCBFT共识算法还对传统三阶段共识协议进行优化,减少通信开销,在确保容错性的同时能够提高算法性能。实验分析表明,相较于PBFT共识算法,RCBFT共识算法能够提升交易吞吐量,降低通信开销与共识时延。

CS-Raft:适用于联盟链的拜占庭容错共识算法

针对目前联盟链共识算法的性能不足,提出了一种基于信用评分的可拜占庭容错联盟链共识算法CS-Raft。首先,为所有节点赋予信用评分属性,节点的信用评分根据节点的共识行为、活跃度、加入集群时间等指标进行更新,信用评分越高代表节点可信度越高;其次,根据节点信用评分选取监督节点,监督节点具有检验权,可以参与领导人选举,监督节点的设置可以有效抵抗拜占庭恶意节点的攻击;最后,改善了领导人选举中选票分裂问题,对领导人选举的速度进行提升。经实验分析,CS-Raft算法相较于PBFT算法在实现拜占庭容错的同时,有效地减少了共识时间延迟、提高了系统吞吐量,并加快了其领导人选举速度。

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。

基于路径存储表的Hashgraph共识算法优化与实现

Hashgraph是一种数据采用有向无环图(DAG)结构的区块链共识算法,Hashgraph引入了虚拟投票的概念,允许节点在无额外通信开销的情况下并发出块,实现异步场景下的拜占庭容错。然而,Hashgraph提出的虚拟投票算法存在算法时间复杂度较高、共识运行逻辑过于复杂等问题。为此,提出一种基于路径存储表的Hashgraph优化方案。首先,提出一种基于顶点可达表的见证人判定方法,通过存储路径的方式实时记录生成事件与历史事件的可达关系,在轮次划分阶段,通过查询顶点事件的可达信息取代回溯算法,降低见证人判断算法的时间复杂度;其次,针对顶点可达表无法跨轮次判断事件关系的问题,提出一种基于历史可达表的知名见证人判定方法,历史可达表将存储见证人与历史事件之间的可达关系,通过查询历史可达表解决知名见证人判定阶段需要反复回溯视图的问题;最后,根据顶点可达表和历史可达表改进Hashgraph中复杂的共识计算,提升算法效率,加快事件确认速度。实验结果表明,所提优化方案与Hashgraph原共识算法相比,算法运行效率提升65.76%,在吞吐量方面平均提升41.27%。

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。

区块链共识算法研究综述

区块链已广泛应用于货币金融、通信网络、信息安全、物联网、电力运行管理和社会职能管理等多个领域,但依然存在许多急需解决的问题。共识算法是区块链的核心技术之一,是区块链各节点达成一致性最为重要的底层技术,是解决区块链吞吐量太小、通信存在延迟等一系列问题的关键技术,是区块链安全运行的重要保证。文中基于区块链共识算法的设计原理,主要介绍了区块链的构成、分类、架构、上链、节点处理流程及存在的问题,重点阐述了现有PoW、PoS、DPoS、PBFT、Raft、Paxos、Ripple等共识算法设计思路、共识理论及流程,对共识算法中的共性问题,即算法优化、算法效果进行了综合概述和分析,并对区块链共识算法研究进行了展望,希望开发出更加高效、安全的共识算法。

区块链共识算法综述

区块链是计算机金融领域的一项重要技术创新。它通过去中心化和去信任的方式集体维护一个可靠数据库的技术方案。共识算法解决了节点间相互信任的问题,是保障区块链系统不断运行的关键。文章主要基于共识过程提出共识算法的分类模型,并对各类型中具有代表性的共识算法进行详细分析,为共识算法的可能优化方向提出建议。

基于声誉的动态储备证明机制+SPBFT混合共识算法的冷链药品追溯系统设计

旨在设计一个高效、安全的冷链药品追溯系统,以提高药品供应链的透明度和可信度.研究基于声誉机制与基于Schnorr的拜占庭容错聚合签名共识算法设计了一个冷链药品追溯系统,通过结合区块链技术与物联网技术,采用基于Schnorr的拜占庭容错聚合签名共识算法以提高共识效率和安全性,同时引入声誉机制以激励节点参与和维护系统安全.实验结果表明,该系统在节点数量增加时,吞吐量下降趋势较为平坦,最终平均吞吐量可达516 TPS,该系统在保证药品追溯信息不可篡改和高效共识方面具有优越性.

一种面向区块链可信共享安全交易平台的PBFT共识算法改进方案

本文基于PBFT共识算法,针对区块链可信共享安全交易平台进行了优化算法研究。通过对PBFT共识算法的改进和优化,实现了对共识流程的优化,提高了系统的性能和吞吐量,加强了系统的安全性和可靠性。结合社区结构,优化了一致性协议,提高了共识流程的效率和稳定性。该研究为区块链技术在安全交易平台上的应用提供了新的思路和方法,为构建可信的区块链共享经济生态系统提供了重要参考。

专利申请中共识算法的分类与分析

共识机制是区块链的关键技术之一,为梳理涉及区块链共识机制的专利申请文件,具体介绍了4类典型共识算法及相关的典型专利申请文件涉及的内容,通过分析该领域的专利申请文件,帮助专利相关从业者快速了解该领域的典型共识算法。