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RAFT算法的数字医联体医疗信息跨平台共享方法

随着数字医联体的快速发展,实现医联体内部各医疗平台间信息的安全共享是急需解决的问题之一。因此,研究基于RAFT算法的数字医联体医疗信息跨平台共享方法。在分析数字医联体组建架构基础上,构建集信息采集和管理、信息的整合与分配、平台服务、应用服务于一体的信息跨平台共享体系。其中,信息整合与分配过程采用RAFT算法通过节点选举与日志复制两个功能,实现医疗信息的跨平台过程中数据请求方和数据提供方间的数据分配和共享,并采用PageRank算法优化RAFT算法节点关键性,提高其信息共享的完整性。实验中,该方法的最大可容忍恶意节点数量可达到16个;在45s的时间内,该方法可以采集近700条信息数据;在节点数量为17个时,本文方法的通信复杂度仅为262。实验表明:该方法对恶意节点容忍量更高,对海量医疗信息的提取更快,跨平台共享信息过程的通信复杂度较低。

PreC-Raft:一种引入预备候选者的共识算法

为了解决Raft共识算法中由于网络隔离现象导致的节点无法与集群其他节点正常通信,从而在恢复通信后参与领导者选举影响系统共识效率的问题,文中提出了一种引入预备候选者(PreC-Raft)的改进Raft共识算法,引入了过时节点的概念,并增加了一种预备候选者的角色状态,其发起的PreC RPC消息用以执行选举正式候选者阶段的资格审查功能。实验结果表明,改进后的算法在集群出现过时节点时,可以做到节约54.82%的选举耗时以及降低14.21%的共识时延。针对出现网络隔离“孤岛”的异常情况,改进后的PreC-Raft算法能够满足更极端的网络环境。

SRaft:基于Schnorrkel签名和信用值机制的Raft共识算法

因选举冲突而引发的选举效率问题及主节点的隐私安全问题已经成为Raft共识算法的研究热点。针对这两个问题,该文提出了一种结合Schnorrkel签名和信用值机制的Raft共识算法——SRaft。首先,在选举阶段,集群中的所有节点会根据当前自身信用值,在不同的范围内进行随机选举超时,这样能够保证高效节点更快完成超时,成为主节点。其次,通过在日志复制阶段引入Schnorrkel签名,主节点与部分高信用值从节点共同对客户端消息生成一个聚合签名,隐匿主节点信息,参与生成聚合签名的从节点可以对消息中的客户端数字签名进行验证,确保消息未经主节点篡改,避免拜占庭主节点更改日志。最后,通过本地多节点仿真实验表明:SRaft算法能有效降低选举冲突发生的概率,提高选举效率;通过理论分析验证了SRaft算法可以隐匿主节点信息,提升了算法的可靠性和集群的稳定性。

基于联盟链PBFT的BRaft共识算法

针对联盟链共识算法不能同时实现低时延、高吞吐量、高安全性的问题,提出适用于联盟链的可容错Raft共识算法——BRaft(PBFT-Raft)。BRaft利用RSA签名解决拜占庭Leader节点篡改日志的问题,并在PBFT算法三段协议的基础上,引入标识位W,解决拜占庭Follower节点恶意响应Leader节点的问题,确保在拜占庭节点发送错误消息的情况下日志项依然能够被正确提交。实验结果表明,BRaft在保证算法可理解性和共识效率的同时,提高了算法安全性。

基于Raft投票机制的PBFT改进共识算法RBFT

PBFT算法存在着时延长、效率不高、动态性不高的问题,论文提出一种基于Raft投票机制共识算法RBFT(Raft Byzantine Fault Tolerant)。由于PBFT算法中主节点选取过于随意,易恶意节点易重新当选,该算法将节点进行分层,分为共识域和备份域,主节点选取改为Raft中Leader的投票选举,在共识域R1共识的过程中,同时进行备选域R2备选主节点(Leader)的选举,实现了备份域节点的动态增减,同时优化视图切换协议。减少了通信消耗并进一步降低时延。经实验后得出,改进后算法与原有算法相比,时延有了进一步的降低,吞吐量得到更大的提升。

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Raft分组的实用拜占庭容错共识算法

针对现有应用于联盟链的拜占庭容错共识机制可扩展性不足、难以支持大规模网络节点下高效安全共识等问题,采用节点分组策略,提出一种基于Raft聚类分组的实用拜占庭容错共识算法H-PBFT。首先使用混合蛙跳算法结合K-medoids聚类分组策略,将系统中节点聚类形成多个分组;参与主共识集群PBFT共识的节点均为各分组聚类中心节点,各聚类小组内则使用引入监督节点改进的Raft算法进行共识;组内共识机制监督节点的引入使Raft算法具有抗拜占庭的能力。实验研究结果表明,在大规模网络节点环境下,相比于PBFT和Raft,H-PBFT算法提高了容错性能,同时还能够快速高效地对节点聚类分组,提高共识效率,降低共识通信开销与复杂度,具有较优的可扩展性,能够更好地在联盟链场景中应用。

MV-Raft:一种新的基于多维向量的联盟链共识算法

现有联盟链的默认算法Raft对于节点崩溃采用的是随机的机制,未考虑不同节点权重可能导致达成共识时间较长,且导致领导者节点日志同步压力较大的问题。针对该问题,提出一种基于多维向量的Raft算法——MV-Raft。算法先根据影响达成共识效率的因素构成特征值向量,然后在分布式系统启动或者单个节点新加入系统时向全网进行广播上述特征值向量,通过计算特征值向量从而判断节点间的相似度,最后,节点内部缓存相似度最高的n个节点在选举和同步过程中优先对缓存节点进行操作。通过仿真实验表明,MV-Raft算法可以使整个过程的耗时减少16%,让单个领导者节点的压力最多减少73%。

基于Raft算法的飞行控制系统余度管理应用

飞机飞行控制系统的主要作用是保证飞机的稳定性和操纵性,提高飞机飞行性能和完成任务的能力,增强飞行的安全性和减轻驾驶员的工作负担,因此通常都会采用余度结构实现其容错能力。针对当前分布式余度结构具有复杂度和成本较高的故障检测和处理机制,使用Raft一致性算法实现飞控系统的容错。通过Raft算法在余度通道中达成一致,避免故障检测和处理机制带来的问题。除此之外,针对机载环境存在计算资源和通信资源有限的问题,采用门限签名技术降低Raft算法的计算开销和通信开销。通过实验测试验证算法能够有效应用到飞控系统中解决容错问题,并且门限签名方案可以降低Raft算法的计算开销和通信开销;而且模拟结果有效验证了Raft算法可以应用于飞控系统当中。

融合可验证随机函数的改进Raft共识算法

传统的Raft算法容易因受到恶意攻击而导致效率低下。针对Raft算法在执行过程中可能被攻击者探测到Leader身份进而发动攻击的问题,利用可验证随机函数的随机性和非交互式特性,改进了原有Raft算法,隐藏了选主过程中Leader的身份的同时避免了原算法的多轮选举问题。提出的改进Raft算法的详细设计了可验证随机函数的实现并将其融入到选主过程中,并且分析了改进方案的系统安全性和稳定性,对比了不同共识算法在各需求场景下的表现。仿真试验表明:改进后的算法在选主过程中隐藏了被选中节点的身份,在保证系统稳定性的前提下提高了系统安全性,并且在系统节点越来越多时提高选主的时间效率的表现更好。

基于信用机制的联盟链Raft+共识算法

共识算法作为区块链的底层技术之一,其性能对区块链在安全性和效率方面具有重要的影响。Raft共识算法的性能优于其他共识算法,不会造成算力集中和资源浪费等问题。但是,Raft算法随机选择和投票以选取领导者节点的方式,不能保证选取的领导者节点的可靠性。因此,文章在Raft算法的基础上引入动态更新的信用机制,提出了一种基于信用机制的联盟链Raft+共识算法。领导者节点的信用值根据多次生成有效或无效区块的行为进行动态更新,并采用信用层次来评价节点信用,根据阈值选举信用值高的领导者节点。实验表明,Raft+共识算法选取的领导者节点的可靠性比Raft算法的更好,为面向联盟链的制造业和医疗等应用场景提供了共识算法的解决方案。

基于分布式Raft算法的直流微电网功率协调控制

随着分布式能源并网的推广和应用,直流微电网作为其载体在可控性和电能质量等方面具有众多优点。首先,文中针对含有多节点分布式能源直流微电网中可靠通信控制和功率协调控制问题,考虑光伏和发电机输出的不确定性,定义功率评价系数,提高功率协调控制合理性,减少多节点通信负担。其次,采用深度学习中的长短期记忆网络对光伏输出进行预测。基于分布式一致Raft算法参与微电网二次控制,实现直流微电网的功率协调控制和经济优化。最后,基于PSCAD/EMTDC建立四端直流微电网仿真模型进行验证。仿真结果表明,所提控制方法能够有效改善微电网稳定性,协调微电网功率控制。

改进的Raft一致性算法及其研究

一致性问题是分布式领域中的经典问题.在保证可用性和分区容错性的前提下,如何在尽可能短的时间内达到最终一致性仍然是一个挑战性的课题.文中主要针对Raft算法中的事务磁盘持久化和日志的网络同步部分,在复制状态机中的日志模块中增加了内存缓冲池,当一段时间内通信正常,未出错的情况下,将Raft算法中节点日志的更新方式由单次同步改进为批量异步.在持久化部分,采用文件如果超出设定的大小则调用fsync方法写入磁盘.最后,通过实验验证了改进后的Raft算法比原始的Raft算法选举Leader节点的效率高.因此,文中方法提高了Leader节点的选举效率,进而缩短了集群出现故障后恢复服务的时间.

LC-Raft:一种基于历史日志计算值的一致性算法

Raft一致性算法由于其原理清晰、易于实现等优点,已得到了行业的广泛应用。然而,作为一种简化版的类Paxos方案,Raft算法牺牲了部分性能。在不同的具体应用场景中,可根据实际应用,对其做出相应改进。对于由稳定性不佳的设备构成的分布式系统,在工作周期内将经历多次选举管理节点过程。在每次选举过程中,继续使用Raft算法进行选举操作将存在小概率经历多次超时选举。为了减少极端情况下选举过程的耗时,本文基于历史日志计算值设计一种改进版一致性算法LC-Raft。通过对固定时段的历史日志故障次数统计,构建一套节点稳定性评价指标,并修改选举流程,实现在系统网络通畅情况下最多经历一次计时器时间完成管理节点选举。同时,基于Docker容器引擎,设计一系列模拟实验实现各种节点规模的选举过程,通过多次实验的统计值验证本算法在选举过程中的良好性能。

区块链共识算法Raft研究

共识算法作为区块链技术的关键要素和核心组件,是近年来分布式系统技术发展前沿热点。随着比特币和区块链技术快速发展,新的共识算法不断被提出,改进的算法不断被验证。粗略统计,当前有正式名称的共识算法超过50种。文章首先系统地阐述和讨论了当前区块链技术中多种共识算法的分类和优缺点,然后详细论述了分布式一致性算法及共识领域里程碑式的成果和结论,最后结合相关研究对Raft区块链共识算法进行改进。

一种结合BLS签名的可拜占庭容错Raft算法

针对Raft算法中的拜占庭容错问题,提出结合BLS签名的拜占庭容错(Raft Byzantine fault tolerance, RBFT)算法.首先,利用BLS签名实现阈值签名,将投票过程转化为阈值签名过程,并将该过程与Raft算法的AppendEntries消息和RequestVote消息结合,尽可能地减弱容错过程对共识效率的影响;其次,通过增量哈希引入安全状态,保证了日志的不可篡改性;接着引入客户端对Leader节点的动态监控,以避免拜占庭Leader节点消极反馈的发生,进一步保证了算法的活性;最后,由本地多节点仿真实验表明:RBFT算法有效提升了数据吞吐量和可拓展性,并降低了交易延迟.

Raft算法在SPTN分布式控制器集群中的应用

为提高软件定义分组传送网(SPTN)信息传输的灵活性和可用性,在软件定义网络(SDN)构架下引入了集中管控的SDN控制器作为SPTN的核心,实现控制转发分离。通过使用Raft算法在SPTN中集群部署,使多个SDN控制器协同工作,解决了单一的控制器节点在可靠性、扩展性方面的问题。SDN控制器集群利用ETCD数据库实现了Raft算法的选举、控制器主备切换、数据同步和持久化等功能。实验结果表明:Raft算法在SDN控制器集群中可以正常应用,并且在网络业务便捷开通和网络信息传输的灵活性和可靠性等方面性能有所提升。

基于改进Raft算法的电力数据共享机制

随着智能电网的快速建设和运营,电力公司内部各变电站之间数据的安全共享已成为一个急需解决的问题。基于联盟区块链技术,设计了基于区块链的电力数据共享模型;电力公司的各个电力调度中心构成区块链节点,实现电力数据的安全管理和存储;电力信息采集终端部署数据采集传感器,实现电力数据的全面采集。为实现数据的安全共享,基于改进的Raft算法,设计了电力数据的上链流程、领导者选择流程、电力数据共享流程。实验中从数据存储时延和数据读取时延2个维度,验证了本文算法在保证数据安全共享的前提下,较小的增加了数据读取和存储的时延。本文算法较好的解决了数据安全共享的问题。