Excellent Practical Byzantine Fault Tolerance

With the rapid development of blockchain technology,more and more people are paying attention to the consensus mechanism of blockchain.Practical Byzantine Fault Tolerance(PBFT),as the first efficient consensus algorithm solving the Byzantine Generals Problem,plays an important role.But PBFT also has its problems.First,it runs in a completely closed environment,and any node can't join or exit without rebooting the system.Second,the communication complexity in the network is as high as O(n2),which makes the algorithm only applicable to small-scale networks.For these problems,this paper proposes an Optimized consensus algorithm,Excellent Practical Byzantine Fault Tolerance(EPBFT),in which nodes can dynamically participate in the network by combining a view change protocol with a node's add or quit request.Besides,in each round of consensus,the algorithm will randomly select a coordination node.Through the cooperation of the primary and the coordination node,we reduce the network communication complexity to O(n).Besides,we have added a reputation credit mechanism and a wrong node removal protocol to the algorithm for clearing the faulty nodes in time and improving the robustness of the system.Finally,we design experiments to compare the performance of the PBFT and EPBFT algorithms.Through experimental,we found that compared with the PBFT algorithm,the EPBFT algorithm has a lower delay,communication complexity,better scalability,and more practical.

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.

基于改进PBFT的车联网抗攻击信誉管理方案

为了提高车联网中车辆数据共享的安全性和效率,提出了一种基于改进实用拜占庭容错(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)的抗攻击信誉管理方案,包括用于检测虚假信息的信誉模型和存储车辆信誉值的管理机制。基于贝叶斯推理的信誉模型,采用广义极端学生化偏差(generalized extreme studentized deviate,GESD)设计异常值过滤算法,过滤恶意车辆发送的异常间接信任,提高模型准确率;在基于区块链的管理机制中,采用优劣解距离法(technique for order preference by similarity to an ideal solution,TOPSIS)改进PBFT共识算法,减少共识节点的数量,并降低拜占庭节点成为主节点的概率,以保证共识效率。仿真实验表明,在混合恶意车辆占比50%的情况下,信誉方案仍具有0.74的准确率,且对开关攻击和诽谤攻击的防御效果更好;共识算法具有更高的吞吐量和更低的交易确认时延。

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。

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%。

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。

基于联盟链微电网交易的PBFT共识算法改进

针对联盟链微电网电力交易场景的高吞吐量、高数据安全性及数据透明性的需求,提出一种在贡献值模型下的基于可验证随机函数(Verifiable Random Function,VRF)与基于BLS(Boneh-Lynn-Shacham Threshold Signatures,BLS)门限签名的改进实用拜占庭容错共识算法(Contribution Value Model,Verifiable Random Function and Boneh-Lynn-Shacham Threshold Signatures Practical ByzantineFault Tolerance,CVB-PBFT)。CVB-PBFT算法通过贡献值模型筛选高贡献节点参与共识,采用VRF和安全随机函数选举不可预测的主节点,结合节点轮换和检测机制以及BLS签名优化通信流程,显著提高算法的性能和安全性。经实验证明,该算法能够有效防御恶意攻击,降低通信开销,并提升共识效率,满足微电网电力交易对时效性和安全性的要求。

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.

基于PBFT的猕猴桃溯源联盟链应用访问控制方案

针对基于属性的联盟链应用访问控制模型可能存在拜占庭节点而导致属性信息、访问控制策略查询结果不可信的问题,结合猕猴桃溯源场景的实际需求,提出了一种基于PBFT的联盟链应用访问控制方案。该方案使用属性权威作为联盟链实体组织的属性证书颁发机构以及PBFT的查询验证节点,对访问请求内容生成签名并验证;属性证书中存储主体与权限相关的属性信息;基于PBFT对用户属性、数据属性、访问控制策略查询验证,确保访问控制过程的可信性。基于Hyperledger Fabric原型系统测试表明,当记账节点中的拜占庭节点少于节点总数1/3时系统能够正常运行;当交易发送率在100~1 500 TPS之间变化时,交易吞吐量在交易发送率达到300 TPS后趋于稳定,平均时延在交易发送率达到400 TPS后趋于稳定,满足联盟链猕猴桃溯源的应用需求。

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。

基于信誉投票的PBFT改进方案

区块链作为一种去中心化、防篡改的分布式账本,其性能从根本上受共识机制效率的影响。实用拜占庭容错算法以视图切换随机选取主节点的方式会导致安全问题,且在节点较多时共识效率变低。针对这两个问题,提出了基于信誉投票的PBFT改进方案。根据节点划分机制评估节点的可靠性,动态地选取高信誉值节点来参与共识,降低恶意节点成为共识节点的概率,增加系统的安全性;根据节点状态转移机制转换节点的角色,维持系统的正确运行,提高系统的稳定性。将所提方案与PBFT方案进行对比实验的结果表明:在系统长期运行中,所提方案能减少共识过程中的拜占庭节点和通信开销,提高容错率和吞吐量。

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。

A hierarchical byzantine fault tolerance consensus protocol for the Internet of Things

The inefficiency of Consensus protocols is a significant impediment to blockchain and IoT convergence development.To solve the problems like inefficiency and poor dynamics of the Practical Byzantine Fault Tolerance(PBFT)in IoT scenarios,a hierarchical consensus protocol called DCBFT is proposed.Above all,we propose an improved k-sums algorithm to build a two-level consensus cluster,achieving an hierarchical management for IoT devices.Next,A scalable two-level consensus protocol is proposed,which uses a multi-primary node mechanism to solve the single-point-of-failure problem.In addition,a data synchronization process is introduced to ensure the consistency of block data after view changes.Finally,A dynamic reputation evaluation model is introduced to update the nodes’reputation values and complete the rotation of consensus nodes at the end of each consensus round.The experimental results show that DCBFT has a more robust dynamic and higher consensus efficiency.Moreover,After running for some time,the performance of DCBFT shows some improvement.

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。