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。

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。

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.

基于k-means的动态多组织PBFT算法

联盟区块链系统被广泛用于金融和物流等场景。现有应用于区块链系统的实用拜占庭算法(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)存在可扩展性较低及通信成本较高等问题,阻碍了区块链系统在大规模场景中的应用。针对上述问题,提出了一种动态多组织实用拜占庭容错算法(k-means-practical Byzantine fault tolerance,k-PBFT)。通过改进k-means算法,根据节点的时延以及节点间通信距离将节点分为多个自治组织,各组织之间通过组织代表节点进行通信。当新节点加入时,根据其特点将其分配到最合理的组织。同时,引入信誉机制以辨别系统中的诚实节点与恶意节点,从而提高系统的安全性。此外,该算法还引入节点任期机制,使区块链中每个诚实节点都有机会充当组织代表节点或主节点。实验结果表明,与PBFT算法相比,k-PBFT算法通信复杂度降低了75%;当节点数为100时,相比于PBFT算法,时延降低了210 ms,吞吐量提高了100%。在高延迟环境下,相较于基于信誉分组的PBFT改进算法,当节点数为100时,时延降低了20%,吞吐量提高了17%。

基于一致性哈希和随机选取的PBFT算法改进

针对实用拜占庭容错算法PBFT存在的系统动态性不足以及主节点选取随意导致的共识效率较低、系统稳健性较差等问题,提出一种基于一致性哈希和随机选取的CRPBFT共识算法。采用一致性哈希对节点进行分组,在分组的基础上增加节点动态变化机制,为系统提供动态的网络结构。根据节点在共识中的表现动态计算各节点的信誉值,同时定义主节点候选列表、普通节点和恶意节点这三种节点信誉层次,从高信誉值的主节点候选列表中使用可验证随机函数选取可靠且身份难以被恶意预测的主节点,并将符合信誉值要求的节点组成较稳定的共识集群。实验结果表明CRPBFT算法较PBFT算法中共识节点集群的可靠程度更高,在共识时延、吞吐量以及系统稳健性方面的性能优于PBFT算法。

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。

Improved PBFT Consensus Algorithm Based on Node Role Division

The PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT) consensus algorithm, which addressed the issue of malicious nodes sending error messages to disrupt the system operation in distributed systems, was challenging to support massive network nodes, the common participation over all nodes in the consensus mechanism would lead to increased communication complexity, and the arbitrary selection of master nodes would also lead to inefficient consensus. This paper offered a PBFT consensus method (Role Division-based Practical Byzantine Fault Tolerance, RD-PBFT) to address the above problems based on node role division. First, the nodes in the system voted with each other to divide the high reputation group and low reputation group, and determined the starting reputation value of the nodes. Then, the mobile node in the group was divided into roles according to the high reputation value, and a total of three roles were divided into consensus node, backup node, and supervisory node to reduce the number of nodes involved in the consensus process and reduced the complexity of communication. In addition, an adaptive method was used to select the master nodes in the consensus process, and an integer value was introduced to ensure the unpredictability and equality of the master node selection. Experimentally, it was verified that the algorithm has lower communication complexity and better decentralization characteristics compared with the PBFT consensus algorithm, which improved the efficiency of consensus.

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。

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.

一种面向供应链溯源应用的改进PBFT算法

针对供应链溯源存在数据造假、运力不透明等问题,将区块链技术的去中心化、数据不可篡改等特性与供应链溯源结合,提出一种改进的动态实用拜占庭容错算法(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)。引入计分机制选取主节点,以保证网络能够识别并标记出分值较高的节点;根据区块链基础结构将供应链溯源模型架构设计为数据层、合约层、应用层3层,合约层中使用改进的动态实用拜占庭容错算法动态更新主节点,减少主节点为拜占庭节点的概率,降低网络中交易延迟;以通讯开销、交易延迟作为衡量指标,对改进算法的有效性进行实验验证。结果表明,与实用拜占庭容错算法相比,随着节点数目逐渐增多,改进算法可明显降低通讯开销与交易延迟。

基于改进PBFT算法的区块链技术在供应链溯源中的应用

近些年区块链的迅速发展使得人们开始构建基于信任的互联网,对各项交易的供应链溯源关注度日益增加。为了使区块链技术更好地应用到供应链溯源中去,本文结合区块链的基本架构设计了符合供应链的5层模型架构,包括数据层、网络层、共识层、合约层、视图层,并采用信用分级协议和节点分层共识协议对PBFT算法加以改进,降低算法的通信开销中心化、公开透明以及交易可追溯。整个构架对供应链中产品从生产商到消费者全过程数据记录,保证了交易过程中产品的安全性。

区块链BFT共识算法研究进展

自2008年比特币问世后,区块链逐渐成为学术界的研究热点,共识算法作为区块链的关键技术,受到了越来越多研究者的重视。由于区块链运行环境复杂多变,容易在系统中引入拜占庭节点,因此区块链拜占庭容错共识算法是必须要攻克的难关。文中系统地总结了区块链拜占庭容错共识算法的研究进展,以期为未来共识算法的创新提供参考。首先,梳理了现有的区块链拜占庭容错共识算法的四大派别,引出了BFT共识算法;其次,回顾了经典BFT共识算法PBFT中的几个重要临界值及其正确性证明;再次,提出了BFT共识算法具有去中心化、效能、安全性和容错率ntg四大优化目标;然后,基于共识轮次、共识节点个数、底层硬件、通信模式或加密算法、出错概率等维度,归纳出BFT共识算法的5种优化思路;最后,对10种经典BFT共识算法进行了详细分析与性能对比。

基于信任度匹配的改进PBFT共识算法

共识算法是去中心化的区块链系统实现数据状态一致的关键。针对传统的实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)共识算法在可扩展性和安全性方面存在的不足,提出一种基于信任度的匹配拜占庭共识算法(Trust-based Matching Byzantine Fault Tolerance,TMBFT)。首先,通过基于信任度的邻居匹配模型来选取部分节点进行投票共识,以降低区块链网络的通信量;其次,引入信任度评价机制来监督邻居节点的行为,确保有效检测出拜占庭节点,保证节点投票的安全性;最后,设计投票计数机制保证了共识结果的一致性,并提高了共识效率。与PBFT相比,TMBFT将通信复杂度从O(N^2)降到O(Nlog2N),有效降低了网络中的通信开销。安全性分析表明,信任度评价机制可降低节点作恶的概率,并有效提高系统安全性。实验结果表明,TMBFT较传统拜占庭算法具有更好的性能优势。

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。

DS-PBFT:一种基于距离的面向区块链的共识算法

共识算法作为区块链的核心技术,决定了区块链系统的性能.其中,PBFT是最具有代表性的一种共识算法,但它存在以下缺点:通信代价大、共识时延长.由此诞生了许多通过各种方法减小共识节点规模来提升PBFT效率的一类算法,但是它们都不是基于距离因素的,并且具有与PBFT类似的缺点.基于此,本文提出了一种基于距离的面向区块链的共识算法.首先通过Grouping算法对节点进行分组,将距离较近的节点分成一组进行共识,从而在缩短共识节点之间距离的基础上减少共识时延.同时结合speculation技术,降低节点间通信的时间复杂度,从而减少了系统的通信代价.最后理论分析了影响共识时延和通信代价的两个指标:节点间的平均延迟、通信次数,证明了DS-PBFT在共识时延以及通信代价这两个方面均要优于PBFT和现有的这一类算法;通过实验验证了DS-PBFT相比PBFT和现有的这一类算法,降低了共识时延.

云制造服务场景下基于QoS值的改进PBFT算法

区块链技术为云制造服务场景下建立供需方信任桥梁的有效工具,共识算法是区块链的核心技术,鉴于现有共识算法存在消耗大、延时高等缺点,提出一种基于服务质量(QoS)值的改进实用拜占庭容错(PBFT)算法。首先根据QoS值筛选共识节点,然后将PBFT算法的三阶段协议优化为二阶段协议,从而在满足安全性的前提下提高通信效率。通过一系列理论和实验分析证明了所提算法的有效性。

面向食品溯源场景的PBFT优化算法应用研究

区块链不可篡改、可追溯等特性能较好地支撑食品溯源系统,在食品溯源与区块链技术相结合的应用中存在着延时长、节点多、系统开销大等问题。针对上述问题,基于实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT),提出一种适用于食品溯源场景的优化PBFT算法trace-PBFT(t-PBFT)。首先,将供应链中节点划分为3个等级,根据节点在共识中的实际通信量动态更新节点状态,并以此来评价节点的可靠性,作为选举主节点的依据;其次,结合食品供应链的特点,优化原算法中的一致性协议,减少节点通信次数。实验结果表明,相比PBFT算法,t-PBFT算法在通信开销、请求延时、吞吐量等方面表现更优;最后,基于t-PBFT算法且结合联盟链提出一种满足食品溯源需求的架构模型,对食品供应链中各环节进行数据记录,保证数据可追溯,确保食品流通过程的安全性。

主节点随机选取的改进PBFT共识算法

针对区块链中的实用拜占庭容错(PBFT)共识算法存在的主节点选取随意、三阶段流程通信开销大、节点不能动态加入、退出等问题,提出一种主节点随机选取的改进拜占庭容错(RPBFT)共识算法。提出一种随机数生成方案,根据随机数选取主节点,提高系统的安全性;引入聚合签名方案对PBFT共识算法中的三段式流程进行改进,降低通信开销,提高系统共识阶段的效率;给节点加入一个待同步状态,使节点可以动态加入、退出,提高系统的可用性。通过实验表明,RPBFT共识算法较PBFT共识算法和AlgoRand共识算法有更高的性能和可用性,可以达到改进的目的。

基于K-medoids的改进PBFT共识机制

随着数字货币的普及与发展,区块链技术进入了大众的视野,并被誉为信用历史上第四个里程碑,是未来信用的基石[1]。但与此同时,区块链技术也面临着共识效率低、算力浪费等问题。文中利用K-medoids聚类算法对参与区块链共识的大规模网络节点根据特征进行聚类与层次划分,再将改进的多中心化实用拜占庭容错算法应用于这种聚类后的分层模型中。另外,为了提升聚类算法在多种场景下对区块链模型中共识节点进行聚类的可控性,对K-medoids算法进行了改进。网络拓扑仿真环境实验表明,当选择了适当的聚类特征评判节点间的相似度时,改进后的算法K-PBFT在1000个网络节点参与共识的场景中相较于传统实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)算法,单次共识耗时缩短了20%,共识过程的通信次数最佳能够降低3个数量级。结果证明K-PBFT算法优化了较大规模共识节点参与的共识过程,使区块链模型能够适用于更广泛的场景中。