一种基于QKD的多方拜占庭共识协议

经典拜占庭共识协议使用的数字签名在量子计算的攻击下暴露出了脆弱性。现有的很多量子安全拜占庭共识协议使用量子纠缠等技术,建设成本高,难以普及推广,而使用量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)等较为成熟的无纠缠量子技术保障抗量子攻击更具实用性。因此,文章在无纠缠多方量子拜占庭协议基础上,通过加入公告板、改变共识流程和使用无条件安全的MAC等手段,提出一种基于QKD的多方拜占庭共识协议。该协议修复了无纠缠多方量子拜占庭协议的3个安全风险,减少了对QKD生成密钥的使用量,将共识目标由可检测拜占庭共识协议(Detectable Byzantine Agreement,DBA)提升到拜占庭共识协议(Byzantine Agreement,BA),并保持了容忍任意多拜占庭节点的特点,在安全性、可扩展性和运行效率等方面均有提升。

基于HotStuff的高效量子安全拜占庭容错共识机制

经典区块链中拜占庭容错共识机制使用的公钥数字签名在量子计算机的指数级加速下暴露出脆弱性,存在一定的安全风险。针对拜占庭容错共识机制不具有量子安全性的问题,提出了基于HotStuff的高效量子安全拜占庭容错共识机制EQSH(Efficient Quantum-Secured HotStuff)。首先,为解决现有无条件安全签名(Unconditionally Secure Signatures,USS)通信复杂度高的问题,提出了一种高效的多方环形量子数字签名(Efficient Multi-party Ring Quantum Digital Signatures,EMRQDSs)方案,该方案基于一种环形量子网络,在保证量子安全性、不可伪造性、不可抵赖性以及可转移性的同时,通信复杂度为O(n)。其次,为了消除量子敌手对门限签名的安全威胁,对HotStuff中使用的门限签名进行替换,提出了一种基于密钥分发中心的签名收集方案,该方案可以实现与门限签名同样的效果,通信复杂度为O(n),同时保证了量子安全性。最后,将上述两个方案相结合,应用于HotStuff中,提供了量子安全性;设计了一个起搏器保证了活性;简化了共识信息格式,使用流水线共识流程提高了共识效率。EQSH中没有使用量子纠缠等成本较高的技术,可在现有技术条件下实现,实用价值较高。相较于HotStuff,EQSH具有量子安全性。相较于其他非纠缠型量子安全拜占庭容错共识机制,EQSH首次将通信复杂度降为O(n),具有更佳的性能表现,且对于客户端量子线路数量的需求更低,有利于降低量子网络的架设成本。

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。

量子区块链共识协议、应用与展望

区块链技术通过去中心化和分布式数据库确保数据的安全性、完整性和可追溯性,其核心包括分布式账本、加密技术和共识机制。拜占庭共识协议作为核心组件,在保障去中心化网络的安全和一致性方面至关重要。然而,经典共识协议的安全性受到快速发展的量子计算威胁,并且无法突破1/3容错极限。因此,研究量子拜占庭共识协议变得必要。基于此,讨论了量子计算时代经典拜占庭共识协议面临的挑战,并介绍了检测量子拜占庭共识协议的发展历程和实用困境;重点介绍了基于量子数字签名的新型量子拜占庭共识协议,其突破了1/3容错极限,提供了信息理论安全性且易于实现;最后,讨论了区块链不可能三角对共识协议的约束,并展望了量子区块链共识协议的发展及其在未来量子网络中去中心化通信和计算的前景。

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。

基于分片DAG区块链的拜占庭容错共识改进算法

物联网场景下,传统区块链存在扩展性不足、开销大、出块效率低等问题,引入有向无环图(DAG)的结构能够有效地提高区块链系统的并发程度,但也带来了网络负载严重和一致性难以达成等问题。针对以上问题,设计了一种结合网络分片方案的DAG区块链模型,基于此,提出了一种改进的拜占庭容错共识算法。所提算法通过社区机制发现将网络中的节点划分为多个小组,每个小组中由信任积分机制筛选出候选节点,然后使用可验证随机函数筛选出主节点,并根据聚合签名方案改进共识流程。仿真实验结果表明,所提算法能够缩短交易延迟并有效地提高系统的吞吐量。

基于树形结构构造的联盟链主从多链共识算法

区块链构建了一种价值互联的去中心化网络,是继互联网之后的最具革命性和颠覆性的创新技术.但现有区块链存在性能低下,隐私保护不足,单层链式结构难以支持多种场景下数字资产的分类并发处理,单链共识算法难以实现多链乃至全局的一致性等问题.为解决上述问题,本文基于树形结构设计一种适用于联盟链场景的主从多链架构,可实现不同数字资产的分类、并发处理和达到数据隔离的隐私需求.针对该树形主从多链架构,进一步提出一个基于门限签名的改进拜占庭容错共识算法,可解决多样化数字资产分类并发处理带来的一致性问题.性能分析和仿真结果表明:所提方案在实现隐私数据隔离保护的同时,兼具高并发交易性能,通信复杂度由O(n^(2))降为O(n),可满足企业多样化业务需求.

实用拜占庭容错算法的改进研究

针对实用拜占庭容错算法(PBFT)存在的通信复杂度高、主节点选取简单、对拜占庭节点缺乏惩罚机制的不足,提出了一种基于节点可靠性评估的改进拜占庭容错算法(reliability-based Byzantine fault tolerant algorithm,RB-PBFT),引入节点基础配置评分机制及信誉评分机制,得到各节点的可靠性评分,评估节点的可靠性并将各节点标记为诚实、故障、恶意三种不同信任状态。根据节点的可靠性评分选取主节点并组建共识群组参与共识,以减少参与共识过程的节点数目,降低通信复杂度,提高系统效率。根据节点的不同信任状态设置节点管控机制,对节点进行分类处理,解决缺乏恶意节点惩罚机制的问题。实验表明,RB-PBFT算法较于PBFT算法,在算法通信复杂度、安全性、公平性及容错性等方面均有一定提升。

一种软件定义网络(SDN)的拜占庭容差控制器

软件定义网络SDN是未来的一种全新网络体系,其采用数据转发平面与控制平面分离的原理,可以实现高层的路由和流量工程管理的更灵活和高效,且接入控制更快捷、可靠,终端成本降低。但是,控制器的单点故障是SDN技术成熟应用需要面对的问题。因此,分析了软件定义网络SDN的技术体系和特征,论述了数据转发平面与控制平面分离的原理,并基于OpenFlow协议研究了一种拜占庭共识机制,进而提出了一种通信流模型的拜占庭容错控制器,以期为今后的实验验证奠定基础。

检测型的联盟区块链共识算法d-PBFT

联盟区块链通常都会采用严格的身份准入机制,但然而该机制不能完全保证联盟网络中不会混入拜占庭恶意节点,也不能担保现有的联盟成员节点一定不会被第三方敌手劫持利用。针对这类问题,提出了一种能够监控节点状态的检测型实用拜占庭容错(d-PBFT)共识算法。首先,选举主节点并校验主节点的其状态,以保证选举出来的主节点从未有过作恶历史;然后,经历"预准备—准备—提交"的共识三阶段过程,尝试来完成客户端提交的共识请求;最后,会根据三阶段完成的情况对主节点的状态进行评估,将有故障或作恶行为的主节点标记出来,并将作恶的主节点加入到隔离区等待处理。该算法在容忍一定数量拜占庭节点的基础上还能随时监控各个节点的状态,并对恶意节点能够进行隔离,从而降低恶意节点对整个联盟系统的不良影响。实验结果表明,采用d-PBFT算法的网络拥有较高的吞吐量和较低的共识时延,并且在联盟网络中有拜占庭节点的情况下相较原实用拜占庭容错(PBFT)算法的共识生成量提升了26.1%。d-PBFT算法不仅提高了联盟网络的健壮性,还进一步提升了网络的吞吐量。

基于并行验证的IBFT共识算法电商物流信息管理系统中的应用研究

为了提升共识过程中节点验证效率,提出一种基于并行验证的改进IBFT共识算法。一方面在传统拜占庭共识中引入并行验证策略,通过任务分解和同步线程,实现节点的高效并行验证;另一方面与IBFT共识算法结合,通过投票机制、恢复机制、并行验证和共识参数调整等机制保障共识过程中交易验证的高效率、安全性和高容错率,进而提升系统性能。结果表明,在固定发送事务大小为2 kB的情况下,随着交易发送率提高,所提改进IBFT共识算法的事务吞吐和事务延迟性上都始终保持较好的性能,尤其在当交易发送率超过1 600 Tx/s后,算法的事务吞吐量反超Raft共识算法,在三种算法中表现最佳,更适合处理规模较大的事务。在固定交易发送率为1 600 Tx/s的情况下,所提改进IBFT共识算法无论是在处理较大事务还是较小事务时,都具有较好的事务吞吐与延时性能,相较于未改进IBFT共识算法与Raft共识算法整体更优越,证明所提并行验证改进方法的有效性。

结合BLS签名的Raft集群实用拜占庭容错算法

针对联盟链中运用的实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Algorithm, PBFT)共识算法通信复杂度高,无法支持大规模网络问题,提出一种结合BLS (Boneh-Lynn-Shacham)聚合签名的Raft集群实用拜占庭容错共识(Aggregate-Signature Raft Byzantine Fault Tolerance, ARBFT)算法。首先,对网络节点进行分组,组内采用Raft共识机制选出领导者,每个组内的领导者组成网络委员会;其次网络委员会内部采用改进的PBFT机制进行共识,改进了节点之间的交互方式,在prepare阶段各个副本节点单点发送信息及签名给主节点验证,在Commit阶段由主节点收集签名并验证,结合BLS签名将验证通过的多个签名聚合成一个聚合签名,将该聚合签名以及其它必要信息广播给其他所有副本节点验证,在验证通过后主节点和副本节点再进行组内共识。ARBFT共识算法将网络的通信复杂度降低为O(N/K)+O(K) ,在多节点的情况下,通过实验对比经典PBFT和RBFT (Raft cluster Byzantine fault tolerance)共识算法,ARBFT共识算法在共识时延、通信开销、吞吐量等方面具有更好的性能。

基于区块链的配电物联网数据安全防护方法

针对配电物联网中海量数据易受网络攻击的问题,提出一种基于区块链的配电物联网数据安全防护方法。首先,构建一种协作式安全防护架构,通过自适应流量监测设计异常流量识别机制。其次,采用改进实用拜占庭共识(PBFT)算法建立信任机制,实现配电云主站与每个配电边缘代理装置攻击检测模型共享。然后,基于区块链智能合约实现攻击检测模型动态更新,采用深度强化学习训练各攻击检测模型并进行融合,得到攻击检测融合模型。最后,基于Mininet搭建仿真平台并对所提方法进行实验论证,结果表明,所提攻击检测模型综合性能优于集中式和分布式模型。

基于区块链的智能矿山数据共享方案研究

从传统矿山数据共享手段存在的问题入手,设计了一种基于区块链的数据共享方案,有效解决了数据共享难题。利用分布式账本实现数据的高效共享,利用授权访问机制、业务数据加密机制和安全计算机制解决数据隐私保护问题,采用混合云部署模式满足内外部接入需要,实现了安全、可靠、及时的数据共享。

基于双链区块链的电力数据资产交易系统架构

为解决当今电力数据资产管理在数据共享、数据交易、数据安全等方面存在的问题,实现电力数据资产的智能管理,充分挖掘电力系统数据资源价值。首先结合电力企业现有数据采集和应用方式,分析了电力系统数据资产管理的问题;总结分析以往区块链数据交易的应用,提出交互式双链区块链的概念,并结合生物遗传学原理提出其运行机理和控制策略。交互式双链区块链将两条链之间的交互过程类比为遗传学中转录、翻译、表达调控和逆转录的过程。该平台架构能较好地解决电力数据资产交易中的安全性和复杂度问题,为电力数据资产交易平台架构提供了解决方案。

基于多区块链结构的综合能源系统调度构架

综合能源系统(IES)调度中存在难以维护供能主体隐私、难以辨别数据真伪、安全性和可靠性低等问题。文中利用分散式调度方法和区块链中分布式数据存储、智能合约、共识机制、多链扩容和加密技术,提出了包括迭代链、终值链以及数据层、网络层、合约层、共识层、应用层的IES调度构架。该构架以数据层为基础,采用无向联通结构建立主体间的通信网络;在合约层封装基于拉格朗日乘子法的分散式调度模型;在共识层,针对分散式调度的数据一致性,迭代链和终值链分别应用一致性协议算法和拜占庭容错共识机制。算例验证结果表明,所提IES调度构架基于少量通信数据可有效运行,能够防止主体背叛、削弱服务器宕机的影响,提高了IES调度的隐私性、安全性和可靠性。

基于区块链的食品溯源技术研究

区块链由于其可信及不可篡改等技术特性天然适用于食品溯源系统,区块链技术在食品溯源领域的落地应用也越来越多。然而区块链在现有食品溯源系统的应用中,存在着食品溯源场景节点众多、区块链网络负载大、网络延时较长等问题。针对以上存在的问题,引入解释结构模型(Interpretative Structural Modeling,ISM)分层思想,对联盟区块链中常用的传统实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)共识机制进行优化,以提升现有追溯系统性能。即通过区块链节点间的交易关系构建解释结构模型,对区块链共识节点进行分层,建立区块链共识节点分层体系,然后对分层后的区块链共识节点进一步进行分块,划分多个参与网络共识的子节点集群,再以多中心子节点集群分块进行PBFT共识。最后,共识中心节点将共识结果提交区块,实现总体共识。在来自于北京市农业农村局与北京市畜牧总站合作建立的智能禽舍及基于联盟区块链的智能鸡舍监控管理平台采集得到的食品追溯数据集上,经吞吐量和共识耗时实验验证,优化后的实用拜占庭容错共识算法实现了多中心子节点集群分层分块共识,解决了传统实用拜占庭容错算法中网络堵塞问题,减少了区块链网络广播资源浪费、降低了区块链共识通信成本,在保证了区块链共识安全的同时提升了食品溯源区块链网络通信和共识效率。

基于区块链的销售佣金结算方法

针对运营商销售佣金结算领域计算过程不透明、结算流程难以追溯、历史信息存证困难等问题,基于区块链技术提出一种销售佣金结算方法,设计区块数据模型,将结算全流程、全要素数据上链存证。设计基于区块链的结算流程,实现智能合约批价、历史结算轨迹追溯查询功能;在实用拜占庭容错算法(PBFT)的基础上,对其鲁棒性进行改进,提出鲁棒拜占庭共识算法(RBFT),提升系统可用性。该方法在"江苏电信区块链一线激励结算平台"上实践应用,解决了"结算流程不清晰"、"不结算原因看不懂"等业务痛点,此外在加强佣金数据存证监管方面也起到了积极作用。

基于关联规则分析的车联网大数据加密传输模型

在车联网中,由于网络拓扑的动态变化,短时间内形成的数据较多,导致大数据加密效果不佳。针对这一问题,提出基于关联规则分析的车联网大数据加密传输模型。以车联网服务为基础,借助关联规则挖掘车联网大数据。充分考虑车联网环境复杂的情况,将关联规则与加密算法混合使用。采用安全协议数据单元封装源目标地址,达到数据传输保护的目的。通过DES密钥加密数据,获得明文信息。采用基于动态实用拜占庭容错共识机制,对恶意节点的攻击有很好的容错性,实现大数据安全加密传输。实验结果表明,该模型时延高于5 s的节点数量少,最高吞吐量为480 Kb/s,证明选出的簇头能够维持与簇内车辆之间通信的稳定性,也说明了数据加密传输效果较好。

基于区块链技术的游戏生态系统框架研究与设计

笔者简单介绍了区块链技术的原理和4项核心技术,在比较去中心化、智能合约、可追溯防篡改和市场化等需求场景基础上,针对当前游戏生态产业的痛点,提出了一种基于改进型PBFT算法的区块链游戏生态系统框架。该框架涉及研发、运营、发行、交易和社区等功能,笔者对PBFT算法进行了概要的说明和论证。