基于分组的实用拜占庭容错共识算法

通过实验发现,实用拜占庭容错共识算法PBFT(practical byzantine fault tolerance)在区块链共识算法中会导致大量的信息广播,从而浪费通信资源并降低效率。为了解决这些问题,引入了一种在没有拜占庭节点的情况下,通过对节点进行分组共识,对原始PBFT进行优化的新方案。这种改进后的方法主要由分组和达成共识两个步骤构成。首先,将全部节点进行归类划分各组,实现分组共识;然后,在每个组内达成共识;最后,每个组的负责人进行总体共识,大大提高了达成共识的效率。与PBFT算法相比,提出的共识算法可以将达成共识的时间复杂度从O(N^(2))降低到O((N/2)^(2)),有效地减少了网络的通信消耗,平均延迟从18 s降低到了9 s,平均吞吐量由758 tps提升到了1040 tps。

基于信誉模型的实用拜占庭容错共识算法

为提升实用拜占庭容错共识(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)算法在Mesh网中的性能与可扩展性,文章提出了基于分组信誉模型的改进算法(Reputation Practical Byzantine Fault Tolerance,R-PBFT)。通过引入信誉奖惩机制,该算法可降低错误节点带来的影响,同时根据节点信誉分组选举共识节点,从而解决节点信誉累积问题并优化一致性协议执行流程,不仅能有效降低通信复杂度,还能提高共识效率。实验结果显示,R-PBFT在安全性、通信成功率方面均优于传统PBFT算法,适用于大规模许可链系统。

GBFT:一种实用拜占庭容错算法改进方案

区块链技术近年来成为研究热点,在金融、物流等行业已经有联盟链的落地案例。共识算法作为区块链的核心技术,将对区块链的整体性能产生直接影响。应用于联盟链的实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)仍然存在着交易确认时间长、吞吐量低等问题。面向联盟链应用场景,基于PBFT算法,引入了非拜占庭容错协议,结合基于节点行为的选举机制,提出了三级共识机制的PBFT:GBFT。最后从吞吐量、交易确认时延、容错性等方面对GBFT方案和原始PBFT算法进行了对比实验与分析。实验结果表明,GBFT保持了PBFT算法1/3的容错性,有效提高了吞吐量,降低了交易确认时延。

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.

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Raft算法改进的实用拜占庭容错共识算法

针对应用于联盟链的实用拜占庭容错(PBFT)共识算法可扩展性不足、通信开销大等问题,提出了一种基于Raft算法改进的实用拜占庭容错共识算法K-RPBFT。首先,将区块链分片,使用K-medoids聚类算法将所有节点划分为多个节点簇,每个节点簇构成一个分片,从而将全局共识改进为分层次的多中心共识;然后,每个分片的聚类中心节点之间使用PBFT算法进行共识,而在分片内部使用基于监督节点改进的Raft算法进行共识。K-RPBFT算法的片内监督机制赋予了Raft算法一定的拜占庭容错能力,并提升了算法的安全性。实验分析表明,相较于PBFT算法,K-RPBFT算法在具备拜占庭容错能力的同时能够大幅降低共识的通信开销与共识时延,提升共识效率与吞吐量,并且具有良好的可扩展性与动态性,使联盟链能够应用于更广泛的场景中。

基于实用拜占庭容错算法的H-PBFT算法

在区块链技术与物联网领域结合的场景中存在着资源消耗高、吞吐量低、安全性差的问题。针对上述问题提出一种基于等级的实用拜占庭容错算法(Hierarchy-based Practical Byzantine Fault Tolerance,H-PBFT),通过引入信用分级协议对节点评分划分等级,降低了拜占庭节点在系统中作恶的可能性,提高共识节点的安全连接率;此外,本文改进了共识机制的结构,以减少系统通信消耗量为基础,优化了一致性协议和视图转换协议,解决了物联网系统中资源消耗随节点数增加呈现指数级增长的问题。通过搭建超级账本仿真平台进行实验分析,结果表明:在同等条件下H-PBFT比传统实用拜占庭容错算法的延迟性降低了21%,吞吐量性能提高了26%,具有较好的安全性和较低的资源消耗。

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。

基于Raft的多主节点拜占庭容错共识机制

为了解决联盟链中实用拜占庭容错(PBFT)共识机制在区块链网络中节点数量增多的情况下,通信复杂度高、共识效率低下等问题,本文提出一种基于Raft的多主节点拜占庭容错共识机制IMRBFT。IMRBFT通过Maglev一致性哈希算法对区块链网络节点均匀分组,将这个共识流程分成组外共识和组内共识2部分。组内先选出领导者节点,通过信用机制将节点分为3个等级:可信节点、普通节点和不可信节点。与投票机制共同降低恶意节点成为领导者节点的概率,并与其他组的领导者节点组成委员会,委员会再经过组外信用值机制选出信用值最高的多个主节点进行组外PBFT共识。组内共识在Raft共识的基础上引入监管节点与中继节点,进一步提升安全性与共识效率,减少恶意节点的作恶行为。实验结果表明:IMRBFT的通信开销为线性增长,通信量为PBFT的41.6%,吞吐量为PBFT的4.2倍,共识延时降低76.4%。随着节点增多,优化更加明显,完全满足大型区块链网络的通信复杂度小、吞吐量高、共识延时短、安全性与共识效率高的要求。

基于信用模型的实用拜占庭容错共识算法

针对实用拜占庭容错(PBFT)算法主节点选取随机、存在频繁视图切换的问题,文章提出基于信用模型的拜占庭容错共识机制。根据节点行为奖惩信用值,划分节点等级,按照等级选取主节点,引入信用值回收机制,避免节点信用值过高产生马太效应。通过对比仿真实验分析,改进后的算法能够减少视图切换概率,降低时延,提高共识效率。

分布式电能交易的智简拜占庭容错共识算法

为了解决基于区块链的分布式电能交易中存在的共识效率低、资源开销大、交易失效率高等问题,提出了一种面向分布式电能交易的智简拜占庭容错共识算法(simplified Byzantine fault tolerant consensus, SBFC)。通过引入门限签名机制,共识节点只需和领导节点交互即可达成共识,从而将通信复杂度从O(n2)优化到了O(n),极大地减少了共识所需的通信量。同时设计了一种拜占庭节点过滤机制,通过设置委员会对共识消息进行四阶段的交叉校验,将检测发现的拜占庭节点加入黑名单,阻止其继续参与共识,从而在降低通信量的同时保证了共识的安全性。仿真结果表明,SBFC在大规模分布式电能交易场景下能够显著缩短共识时延。

RG-BFT:基于随机分组的拜占庭容错算法

随着网络环境的复杂性和网络用户数量的不断增长,区块链的发展逐渐受到共识算法的效率、安全性和可靠性的制约。针对此类问题,提出一种基于随机分组的拜占庭容错算法(random grouping-based Byzantine fault tolerant algorithm, RG-BFT),提高共识算法的效率和可靠性。使用随机选择算法与投票机制相配合,减少共识过程中的节点数量和消息数。此方案具有随机性和公正性,在保证系统活性的前提下,提高了达成共识的效率。实验结果表明,RG-BFT算法能实现较低的共识时延和通信开销及高交易吞吐量。

基于门限和环签名的抗自适应攻击拜占庭容错共识算法

共识算法作为区块链底层关键技术,可解决决策权分散的分布式系统中的一致性难题.良好的共识算法可提升系统健壮性,但大多数方案在网络故障或主动攻击下存在鲁棒性不可控、活性表现差、可扩展性不足等问题.针对上述问题,提出一种抗自适应攻击的健壮拜占庭容错共识算法(Robust Byzantine fault tolerance,RBFT).该算法利用环签名的无条件强匿名性构造排序选主算法,隐匿选举每一轮共识中的提案者,进而达到模糊敌手攻击对象、有效抵抗自适应攻击的目的.同时,通过在多轮投票中合成代表法定人数投票意愿的门限签名,将网络划分为众多最小连通性网络,以保证在最小连通性网络环境中实现低延迟、高鲁棒性的拜占庭容错共识算法.分析表明,系统在提升可扩展性、减少视图更换、降低签名验证开销的同时,能够有效保证系统活性.

基于一致性哈希环多主节点的改进实用拜占庭容错算法

联盟链技术作为一种建立供需双方的可信交易的工具,促进了云制造平台的发展。实用拜占庭容错(PBFT)共识算法是联盟链最受欢迎的共识协议,得到了广泛的研究和应用,但是还存在节点较多导致PBFT算法扩展性较差、重播攻击降低了共识算法的性能、网络结构静态难以维持高效的运行状态3个问题。为此,提出一种改进的实用拜占庭容错(IPBFT)算法。首先,通过优化主节点的选取方式将单个主节点扩展为多个主节点,使得多个主节点在一致性哈希环的桶中实现数据均匀分布和任务均匀调度;然后,通过多线程并行执行共识算法以最大程度地减少时延并提高算法的吞吐量,从而提高了算法的可扩展性;其次,在重播攻击算法中通过定期旋转桶来分配正确的主节点,然后通过分配的主节点来接收客户端的请求,以防止客户端的重播攻击;最后,设计了一套节点移除机制来加入可靠的节点或者移除拜占庭节点,减少视图切换操作,从而使系统维持较高的运行状态。实验结果表明,IPBFT明显优于PBFT共识算法,很好地解决了以上3个问题。

基于实用拜占庭容错算法的多能源交互主体共识机制

为充分利用可再生能源,实现局部消纳,多能源系统需要紧密融合与协同运行,形成有机整体。分析了能源供应侧、传输侧及需求侧三个层面多能源系统优化目标,指出了多能源系统协同优化中存在难以鉴别多元数据真伪及多能源主体信誉等问题。提出了一种基于实用拜占庭容错(PBFT)算法的多能源交互主体共识方法,分别针对能源监管主体下和能源对等主体下的能源区块链网络,使多能源主体在不诚实和互不信任的情况下,均可达成有效共识。设计模拟了一个由多能源主体构成的区块链网络,实验测试结果表明,上述方法可保证多能源主体间的有效共识,多能源主体处理单请求的平均共识时间随着主体数量的增多而增加。另外,对共识吞吐量的测试结果表明,能源对等主体下的共识吞吐量大于能源监管主体下的共识吞吐量。

基于角色管理的实用拜占庭容错共识算法

针对目前存在的应用于联盟链的实用拜占庭容错(PBFT)共识算法扩展性差、能耗高、效率低和主节点选取方式简单的问题,提出一种基于角色管理的拜占庭容错(RPBFT)共识算法。首先,将系统中的节点划分为管理者、候选者和普通节点3类具有不同职责的角色节点。其次,候选节点具有投票权,投票选举相应的候选节点为管理者;普通节点在满足条件后可以转化为候选节点。最后,通过奖励机制管理不同类型的角色节点之间的转化;不同角色节点的数量能够在网络节点总数发生变化时动态调整,使得算法可以适应动态网络。通过实验得出RPBFT共识算法具有高可靠性、低时延、低能耗和较好的扩展性。

引入秘密共享的改进实用拜占庭容错算法

共识算法作为区块链底层的核心技术之一,对区块链系统的性能优劣有至关重要的影响.文中选取实用拜占庭容错算法作为研究对象,针对实用拜占庭容错算法中通信复杂度高、可扩展性差、安全性不足等问题,提出了一种引入秘密共享的改进实用拜占庭容错算法.该算法利用秘密共享方案将共享的密文碎片在主节点集合里进行合理分配,使得每个参与共识的节点在不知晓完整信息的情况下通过合作共同保管数据信息,从而防止信息被丢失、破坏、篡改.其次,方案中阈值的设定还能够消除单点漏洞,优化了一致性协议,对共识确认阶段进行简化,不再需要客户端参与回复,从而减少通信开销.本文通过理论分析了改进算法的安全性能与通信复杂度,并用实验证明该算法比实用拜占庭容错算法有更好的共识时延与可扩展性.

基于可跟踪环签名的拜占庭容错共识算法

针对联盟链的实用拜占庭容错(PBFT)共识算法在共识过程中节点间的隐私保护弱、网络结构静态、选取主节点不可靠和通信开销大的问题,提出一种基于可跟踪环签名的拜占庭容错共识算法(tracePBFT)。首先,随机将节点分为主域节点和副域节点并且赋予其不同的权量,选择权重高的主域节点为主节点;然后在准备阶段引入可追踪环签名对节点进行隐私保护,并且节点可以通过权重选择可靠节点,在确认阶段验证签名和跟踪拜占庭节点;最后适当惩罚拜占庭节点。这样选择的主节点更加可靠,减少因主节点出错而更换视图导致的通信开销。实验结果表明,相比传统的PBFT算法,tracePBFT算法在通信复杂度、安全性、吞吐量等方面均有一定的提高。

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。