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.

面向联盟链的共识算法研究

实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance)广泛用于理论研究和实际生产中,但存在着选取主节点随机、缺乏惩罚机制等缺点.针对以上问题,(1)提出一种基于复杂网络角度的区块链共识算法,通过引入时间感知PageRank算法,建立区块链网络节点的影响力评分机制,并建立共识群组;(2)为了减少共识攻击的发生,建立节点惩罚机制,增加节点作恶的成本,有效提高攻击代价,降低攻击概率;(3)实验表明,基于时间感知PageRank的共识算法在扩展性和可靠性上高于实用拜占庭容错算法和基于信用分级的拜占庭容错算法(Credit-Layered Byzantine Fault Tolerance);在公平性和在延迟性方面,均取得良好效果.

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。

基于区块链技术的日志系统的设计与实现

随着互联网技术的快速发展,传统的日志系统面临着一些挑战。例如,数据的篡改和丢失风险、中心化的架构容易成为攻击目标、数据分散在不同的服务器上难以管理等,为了解决这些问题,区块链技术被引入到日志系统中。本文设计的基于区块链的日志系统中,每个网络事件都被记录在一个称为区块的数据结构中,每个区块包含网络事件的详细信息,这些区块被链接在一起形成一个链表,每个区块都包含了前一个区块的哈希值,以确保数据的完整性和不可篡改性。系统实现过程中,对实用拜占庭容错算法进行优化,提高了区块共识的速度和更加安全和可信的日志记录机制,推动了日志系统的创新和发展以及区块链技术的应用和研究。

基于节点动态评分机制的分组共识算法

针对实用拜占庭容错(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)共识算法三阶段流程通信开销大,主节点随机选取且缺乏奖惩机制等问题,提出基于节点动态评分机制的分组共识算法(dynamic scoring practical Byzantine fault tolerance,DS-PBFT)。首先,优化一致性协议,简化三阶段通信流程从而提高共识效率;其次,提出节点评分分组机制,通过节点在共识过程中的历史行为进行评分,并分为共识组和候选组,降低恶意节点参与共识过程的可能性;最后,提出动态过程选择参与共识的节点,优化视图切换协议和垃圾回收机制,减少参与共识的节点数量,从根本上提高共识效率。用Docker容器模拟多个节点的仿真实验表明,在网络稳定、可信节点较多的联盟链中,提出的DS-PBFT共识算法在共识时延、吞吐量、容错性和通信复杂度等方面比PBFT共识算法及其他改进算法相比具有更好的性能,能够快速达成共识,提高共识效率。

A Review: Consensus Algorithms on Blockchain

Blockchain is a distributed public ledger that keeps track of all transactions that have ever taken place in the system. As a distributed ledger, a consensus mechanism is required to ensure all the transaction functions properly. In order to reach a consensus, it is critical to emphasize the importance of performance and efficiency. The use of the right consensus algorithm will significantly improve the efficiency of a blockchain application. This paper reviewed several types of consensus algorithms used in blockchain and discusses the idea of a new consensus algorithm that can improve the performance of consortium blockchain.

面向配电网分布式终端的安全接入认证方案设计

针对配电网现有认证技术中配电主站和公钥基础设施(publickeyinfrastructure,PKI)系统证书管理负担过重的问题,结合区块链和国密SM9算法,设计一种面向配电网终端的分布式认证方案。首先使用SM9解决密码体制中的公钥管理问题,由密钥生成中心(keygeneratorcenter,KGC)为终端生成身份标识符和密钥,加密并验证终端的注册和接入请求信息;然后,针对中心化认证方式存在的第三方信任、单点故障等问题,以实用拜占庭容错算法为基础提出分布式终端共识算法(distributedterminal-practicalByzantinefault tolerance,DT-PBFT),对新入终端进行去中心化认证;为了解决上链数据的隐私泄漏,使用基于SM9的多KGC群签名算法保证节点匿名并生成区块永久存储;最后,对所提方案进行实验分析,所提方案从共识效率、通信时延和抗攻击性等性能方面得到明显提升,实现终端身份认证的同时保护了节点的隐私,满足配电网对安全性和高效性等多种需求。

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。

基于联盟链的工业物联网数据存储模型

由于工业物联网数据具备较强的私密性,数据是否能够安全存储成为工业物联网发展的关键问题。针对这一问题,提出一种基于联盟链的工业物联网数据存储模型。为保证数据存储的效率与安全,首先,在原有PBFT算法的基础上搭建节点状态信用评估模型同时增加投票机制;其次,结合节点状态在SM9数字签名算法中设置多密钥生成中心共同参与密钥生成。对模型的吞吐量、共识时延及通信开销进行实验分析,结果表明,该模型相较于传统模型在数据存储、安全性方面得到了进一步保障,降低了黑客攻击并防止数据泄露或被窜改,并在通信开销方面提升了40%。

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。

基于防预测分组的PBFT算法改进方案

针对PBFT算法(实用拜占庭容错算法)由于多次全网广播所表现出的通信开销大和共识效率低下的问题,多种改进算法通过网络分组的方式减小单次共识规模,普遍取得较好的效果。这类改进算法基于某种规则进行网络分组,如果分组结果被获知或预测,则攻击者通过有倾向性地攻击部分节点即可瘫痪整个网络的共识能力。论文提出一种具备随机性、不相干性和局部性的防预测分组算法来避免上述问题,然后结合两阶段PBFT改进算法提出RS-PBFT算法。实验证明,算法在通信开销、共识效率方面优于PBFT算法,并在容错能力上极大地保留PBFT算法的性能。

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。

基于区块链的电子病历共享模型研究

针对现有电子病历在各医疗机构共享过程中易出现患者隐私泄露以及通信量较大等问题,提出一种基于区块链的电子病历共享模型.首先构建私有链和联盟链,将电子病历密文和关键字密文存储到区块链上,结合属性加密和可搜索加密对用户访问权限进行限制,只有满足患者设置的访问策略可以对电子病历进行搜索,实现细粒度访问.其次对PBFT共识算法进行改进,将网络中共识节点聚类划分,通过权威节点组成骨干共识集群向医院节点组成子共识集群发送消息,减少节点间通信次数.最后从安全性和算法性能等方面进行实验分析,结果表明在整个网络中,攻击者破解密文难度增大,同时通信开销随节点数量增加而减少,实现大规模网络下各医疗机构对电子病历的安全共享.

基于动态信任值的实用拜占庭容错算法的优化

针对实用拜占庭容错(PBFT)共识机制中存在的拜占庭节点和主节点选取简单的问题,提出了一种基于动态信任值的实用拜占庭容错算法的优化方案。首先根据节点历史行为,对节点进行信任值初始化;然后构建信任模型,并在信任模型中引入时间影响因子,根据时间远近,对节点进行信任值评价;最后引入分级机制,根据信任值结果,将节点分为共识组和拜占庭节点组,共识组节点参与下一轮共识;优化主节点选择方法,选择信任值最高的节点为主节点。通过实验对比表明,改进后的PBFT-TV算法较于PBFT算法在公平性、安全性、容错性、共识效率等方面有一定提升,并降低了通信复杂度。

多层次实用拜占庭容错算法改进

应用于联盟链的实用拜占庭容错(PBFT)共识算法存在共识节点选择和多节点共识效率较差的问题,为此,提出一种多层次实用拜占庭优化共识算法MS-PBFT。根据节点所属机构的不同对节点进行分组,并将各组内的节点划分为主网层和次网层。引入一种积分机制,根据各节点自身的性能以及在系统中的表现为其赋予初始积分和信誉值,以监督节点在共识过程中的行为,根据初始积分与信誉值对节点进行分类,使其加入不同的层次中。改进上层节点和主节点的选取方式并增加一种弹劾机制,及时更换掉线或存在恶意行为的领导节点,从而保证节点的可靠性同时提高共识效率。通过先在次网层达成局部共识进而在主网层实现全局共识的方式,降低节点的通信复杂度。实验结果表明,与DGPBFT、PBFT、RAFT算法相比,MS-PBFT算法可以提高数据吞吐量并降低共识时延,利用所提节点选举机制,节点的共识成功率可以达到98.6%,且共识效率比PBFT算法平均提高33%。

一种面向联盟链优化的PBFT共识算法

针对在联盟链中实用拜占庭容错(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)算法所存在的通信开销过大、节点信誉度无法保证、算法无法动态地增删节点等问题,提出了基于决策树改进的PBFT(decision tree Byzantine fault tolerance,DTBFT)算法。首先,针对联盟链的应用场景,简化了PBFT算法的一致性协议,降低了通信开销;其次,考虑到系统安全性的问题,引入信誉积分机制,增加决策树分类算法,在每轮共识完成后,统计节点行为,对节点分类,使得系统可以动态地剔除拜占庭节点,提高系统的安全性;最后,为了防止拜占庭节点当选主节点,视图频繁切换,导致系统运行效率低的问题,改进了视图切换协议,将主节点的选取范围缩小到节点信誉好的高级节点,保证主节点的可信度。实验表明,DTBFT算法在吞吐量、算法安全性等方面较PBFT算法具有一定的提升。