一种抗合谋攻击的区块链网络分片算法

分片技术是区块链用来解决可扩展性问题的主流技术之一。通过分片技术可以有效地提升区块链的吞吐量,然而由于子链算力分布不均导致区块链安全性差。为了降低网络分片引起的子链合谋攻击风险,提出基于一种抗合谋攻击的区块链网络分片算法（anti-collusion attack network sharding algorithm for blockchain,AANS）。该算法综合考虑节点行为特征及算力特征,通过轮询区块链网络中的恶意节点,将算力均匀分配在各个子链中,避免恶意节点聚集造成合谋攻击问题。仿真实验从子链恶意节点数量、子链合谋算力、子链合谋攻击占比和危险子链占比这四个方面验证所提出AANS算法的有效性。仿真结果表明,AANS算法可以有效避免子链恶意节点聚集,降低子链合谋攻击风险,保证区块链子链的安全性。     

面向工业互联网的区块链分层分片研究

区块链的不可篡改、去中心化等特点能够有效解决工业互联网中日益突出的安全和隐私问题，然而当前主流区块链平台的吞吐量远不能满足工业互联网海量数据快速上链的需求，并且传统区块链采用的高冗余存储机制也无法适用于工业互联网场景。建立分层分片区块链架构，将区块数据分层存储在多个分布式云服务器和边缘服务器中，以应对工业互联网不断增长的数据量。依据边缘服务器之间的拓扑结构，设计一种基于复杂网络社团划分算法的改进区块链网络分片算法，在提升区块链网络吞吐量的同时缩短分片时间。将区块广播过程形式化为生成树论证了区块广播时间对吞吐量的影响，在此基础上提出一种基于生成树的片内主节点选取算法，进一步提升区块链网络的吞吐量。实验结果表明，与经典复杂网络社团划分算法相比，改进的区块链网络分片算法在对大规模网络进行分片时能够在不牺牲分片质量的前提下缩短约36%的分片时间，同时减少了各分片内区块的广播时间。     

星型区块链架构的TKM分片算法

区块链系统的通量严重不足,而解决此问题最有效的一类方案是并行化处理,并行化方案主要为星型架构,当前星型架构对系统中节点的分片方式多为账户随机分片,这种分片方式的系统通量仍然不足。针对此问题,提出了一种基于星型结构的TKM分片算法,该算法将原始K-means聚类算法进行改进,并运用在节点分片上。TKM分片算法将聚类算法与区块链的网络分片技术相结合,使节点根据地理位置进行分片,极大提高邻近节点发生的交易为片内交易的概率,从而提高系统通量,同时在原始算法的基础上引入了时间戳,减少了恶意节点的攻击。仿真实验表明该算法与传统的随机分片算法相比,最大系统通量提高了20%。根据上述通量模型,通过实验得出基于TKM算法的星型区块链系统的最优分片数量。     

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。     

基于中国剩余定理的区块链存储扩展模型

区块链以分布式账本的形式存储交易数据,其节点通过存储哈希链来持有当前数据的副本。由于区块链链式结构的特殊性,区块的数量会随着时间推移不断增加,节点承受的存储压力也随之增大,因此存储扩展性成为区块链发展的瓶颈之一。针对该问题,提出了一种基于中国剩余定理（CRT）的区块链存储扩展模型。模型将区块链分为高安全性区块和低安全性区块,并对它们采取不同的存储策略。其中,低安全性区块以全网保存（所有节点都需保存）的形式进行存储,高安全性区块被基于CRT的分割算法分片后以分布式的形式进行存储。此外,利用冗余余数系统（RRNS）的错误检测与纠正来防止恶意节点攻击,进而提高数据稳定性和完整性。实验结果与安全性分析表明,所提模型在具有安全性、容错性的同时保障了数据的完整性,还能有效地减少节点的存储消耗,增强区块链系统的存储扩展性。     

区块链分片技术综述

区块链作为分布式账本的关键技术之一,其去中心化、可匿名、不可篡改的特性受到学术界和工业界的青睐,被广泛应用于金融、数字货币、公共服务等领域。分片技术作为区块链扩容的主流方式之一,能够在不降低区块链去中心化程度的同时实现高性能的链上扩容,从而解决区块链可拓展性不足以及吞吐量较低的问题。介绍近年来出现的分片技术以及相关协议,总结分片技术的关键理论与方法,从分片配置、重配置、片内共识协议、跨片共识协议、状态存储等方面对分片技术方案进行对比,归纳不同分片方案在网络分片、交易分片、状态分片等设计中存在的优势和不足。同时,阐述一些经典分片技术在性能和实现方式上的特点,对许可区块链和无许可区块链、片内共识协议、跨片共识协议、准入性方案、状态分片方式等进行分析和概述。在此基础上,从分片内、分片间以及系统层级的角度总结分片技术当前所面临的困境和挑战,并对该领域的发展前景及未来研究方向加以展望。     

基于门限秘密共享的区块链分片存储模型

针对存储原因所导致的区块链技术难以在大型业务场景应用的问题,提出了一种基于门限秘密共享的区块链分片存储模型。首先由共识节点使用改进的Shamir门限,将要上链的交易数据进行分片处理;其次,共识节点基于分片数据构造不同的区块,并分发给现存于区块链网络中的其他节点进行存储;最后,当节点要读取交易数据时,在从分发到交易数据分片的n个节点中的k个节点请求数据,并利用拉格朗日插值算法进行交易数据的恢复。实验结果表明,该模型在保证了上链数据安全性、可靠性、隐私性的同时,每个节点的数据存储量约为传统存储方法的1/（k-1）,从而有利于区块链技术在大型业务场景的应用。     

基于博弈论抗共谋攻击的全局随机化共识算法

随着区块链技术的不断发展,作为区块链技术基石的共识技术受到更多关注,共识技术的发展越发迅速,但依旧存在相关难题。容错类共识算法作为区块链共识技术的代表性之一,依然存在诸多难题待研究,针对容错类共识算法中节点随机性和节点共谋攻击问题进行了研究,提出基于博弈论抗共谋攻击的全局随机化共识算法,通过实现节点的随机化和解决相关安全问题提高区块链网络的安全性和吞吐量。在选择参与容错类共识算法的节点过程中,利用映射函数和加权随机函数实现发起者和验证者节点的全局随机化,从而保证发起者和验证者节点的身份匿名,提高区块链网络的安全性。利用信誉更新模型实现信誉动态更新的同时利用博弈论分析容错类共识算法的安全问题,构造更加正确和高效的算法模型以提高算法的吞吐量并分析发现这类算法中存在超过1/3节点的共谋攻击问题,利用精炼贝叶斯博弈构造共谋合约,分析求得共谋者之间的纳什均衡点,从而解决超过1/3节点的共谋攻击问题。通过安全性分析和实验表明,基于博弈论抗共谋攻击的全局随机化共识算法相对工作量证明（PoW,proof of work）、权益证明（PoS,proof of stake）和实用拜占庭容错（PBFT,practical Byzantine fault tolerance）共识算法不仅提高吞吐量、降低计算资源消耗,而且该算法抵抗分布式拒绝服务（DDoS,distributed denial of service）、Eclipse attacks和超过1/3节点共谋攻击。     

基于双链的可扩展物联网模型

针对当前区块链和物联网结合面临的存储和交易吞吐量压力进行了研究,提出一种基于双链的可扩展物联网模型.首先,设计了基于交易链和哈希(hash)链的双链存储结构和分区模型,通过交易链差异化存储降低了节点的存储压力,通过hash链提升了系统的整体安全性,并实现了全网数据的自由交易;其次,提出了一种并行多块创建协议(parallel multi-blocks creation protocol,PMCP),降低了系统共识时延,提高了系统的吞吐量,具有良好的可伸缩性;最后,提出了基于信誉的验证者和领导者选举算法,保证了节点选择的随机性和公平性,避免了系统中心化问题,设计了节点信誉值的评估机制,保证了协议的安全性.实验结果表明,该模型存储容量较传统区块链模型有大幅度提升,提高了区块链系统的可扩展性,PMCP协议的吞吐量和时延要明显优于PBFT等协议,所提信誉机制激励节点作出理性选择,可以很好地提升网络的安全性.     

基于区块链的物联网可伸缩管理机制

为了解决大规模物联网（IoT）设备集中式管理的安全性和可伸缩性问题,提出一种基于区块链技术的轻量级物联网设备可伸缩管理框架。该框架采用区块链网络,在网络中部署智能合约为设备管理提供操作接口,利用设备管理器将轻量级物联网设备独立于区块链网络之外,并改进了区块链中拜占庭容错算法（PBFT）的一致性协议,增加了动态选举机制。仿真实验分别对改进共识算法的性能和机制的可伸缩性进行验证,结果表明,该机制具有良好的伸缩性,设备管理器每秒能响应约1 000次的请求。与传统PBFT算法相比,改进算法提高了交易吞吐量,缩短了交易延时,并减少了通信开销。     

一种基于双链模型的分区共识协议

针对目前分区模型中区块链的存储容量不能随着分区的增加而同步扩展以及分区算法存在的安全性问题,提出一种基于双链模型的分区共识协议(dual blockchain-based sharding consensus protocol,DB-SCP)。首先通过基于哈希链和交易链的双链分区存储模型来设计验证信息共享机制和交易差异化存储机制,实现了区块链的存储容量随分区的增多而同步增加;其次,采用基于节点投票份额的分区方法将节点权益拆分到不同的分区,有效防止了分区中权益过多节点的出现;最后采用VRF函数改进分区内共识算法,保证了验证者选取的随机性,且使用密钥演变技术保证了交易的前向安全性。安全性分析表明,基于投票份额的分区方式既稳定又安全,实验结果表明该协议有着良好的性能优势,存储容量较传统区块链模型提升了30%~70%。     

BETASCO: 面向智能合约分片的联盟区块链系统

基于区块链的去中心化应用已在加密数字货币、云存储、物联网等多个领域提供健壮、可信且持久的服务, 然而区块链的吞吐能力难以满足去中心化应用日益增长的性能需求. 分片是当前主流的区块链性能优化技术, 但现有的区块链分片主要面向用户和用户之间的转账交易, 并不完全适用于以智能合约调用交易为主的去中心化应用. 针对此问题, 设计并实现面向智能合约分片的联盟区块链系统BETASCO. BETASCO为每个智能合约提供一个分片作为独立执行环境, 通过基于分布式散列表的合约定位服务将交易路由至目标智能合约所在的分片, 并通过智能合约间的异步调用机制满足跨智能合约的通信和协作需求. BETASCO通过节点虚拟化允许一个节点加入多个分片, 支持同一组节点上多个智能合约的并行执行. 实验结果表明, BETASCO整体吞吐能力可随智能合约数量的增加而线性增长, 且执行单个智能合约的吞吐能力与HyperLedger Fabric相当.     

基于分区型区块链医疗电子病历共享方案

针对基于传统区块链进行医疗数据共享时可扩展性受限制的问题,提出一种基于分片技术的区块链扩容共享方案.首先,基于跳跃一致性哈希算法进行周期性网络分片,通过随机划分全网节点大幅度降低单分片内女巫攻击的风险;其次,分片内使用可扩展的去中心化信任基础设施区块链(SBFT)共识协议以降低实用拜占庭容错(PBFT)共识协议的高通信...     

Building blocks of sharding blockchain systems: Concepts,approaches, and open problems

Sharding is the prevalent approach to breaking the trilemma of simultaneously achieving decentralization, security, and scalability in traditional blockchain systems, which are implemented as replicated state machines relying on atomic broadcast for consensus on an immutable chain of valid transactions. Sharding is to be understood broadly as techniques for dynamically partitioning nodes in a blockchain system into subsets (shards) that perform storage, communication, and computation tasks without fine-grained synchronization with each other. Despite much recent research on sharding blockchains, much remains to be explored in the design space of these systems. Towards that aim, we conduct a systematic analysis of existing sharding blockchain systems and derive a conceptual decomposition of their architecture into functional components and the underlying assumptions about system models and attackers they are built on. The functional components identified are node selection, epoch randomness, node assignment, intra-shard consensus, cross-shard transaction processing, shard reconfiguration, and motivation mechanism. We describe interfaces, functionality, and properties of each component and show how they compose into a sharding blockchain system. For each component, we systematically review existing approaches, identify potential and open problems, and propose future research directions. We focus on potential security attacks and performance problems, including system throughput and latency concerns such as confirmation delays. We believe our modular architectural decomposition and in-depth analysis of each component, based on a comprehensive literature study, provides a systematic basis for conceptualizing state-of-the-art sharding blockchain systems, proving or improving security and performance properties of components, and developing new sharding blockchain system designs.     

降低跨分片交易回滚概率的多轮验证方案

区块链分片方案中的跨分片交易由多个分片协调处理。在采用实用拜占庭容错（practical Byzantine fault tolerance,PBFT）类共识算法的分片方案中,存在因分片后拜占庭节点在单个分片聚集,导致分片失效无法验证交易的问题。因此,为保证分片间数据的一致性,需要对部分处理的跨分片交易进行回滚操作,这影响了系统的总体性能。针对以上问题,提出了一种多轮共识的验证方案,可以在降低回滚概率的基础上,支持更大分片规模,提升系统的每秒交易数（transaction per second,TPS）。简述了现有分片项目解决方案的优缺点,对跨分片交易的概率和回滚概率进行了分析,提出多轮共识的验证方案,分析了多轮方案对跨片交易回滚概率的影响,得出合理的多轮轮数上限值。通过与现有方案的对比实验表明,多轮验证方案可以有效提升交易验证率,降低跨片交易回滚的概率,提升系统总体的TPS。     

基于哈希图的建筑物联网数据管理方法

针对区块链应用于建筑物联网场景时存在的吞吐量严重不足和响应时延高的问题,提出一种基于哈希图的建筑物联网数据管理方法。该方法使用有向无环图（DAG）存储数据,从而利用图式结构的高并发特性提高区块链的吞吐量性能;引入哈希图算法对存储在DAG内的数据达成共识,从而减少共识所需时间;设计智能合约实现访问权限控制,以防止未授权用户对数据的操作。使用区块链性能测试工具Caliper进行的性能测试的结果表明：在由32个节点构成的中等规模仿真环境下,与现有边缘计算方法和跨链方法相比,所提方法的吞吐量为每秒处理1 063.1笔交易,分别为对比方法吞吐量的6倍和3倍;该方法的数据存储时延和控制时延分别为4.57 s和4.92 s,响应速度优于对比方法;该方法在尖峰冲击测试中的交易成功率为87.4%;同时基于该方法的原型系统在稳定性测试中可以平稳运行120 h。可见,所提方法可以有效提高区块链的交易吞吐量和响应速度,满足建筑物联网场景的实际使用需求。     

双链式区块链交易监管研究

最近,作为去中心化的分布式帐本,区块链使人们能够在不可信赖的环境中进行安全可靠的交易,慢慢地被应用于各个领域。但是,逐渐出现了一些问题,用户隐私信息泄露,存在非法的交易且缺乏有效的监管,智能合约市场存在漏洞等。针对区块链非法交易,提出了监管链的概念,并建立了可以有效监管区块链交易的交易区块链（TBC）和监管区块链（RBC）双链结构。为了提高智能合约的安全性,进一步在监管链中建立智能合约市场,并设计了用于智能合约功能校验的零知识证明算法。理论和数据分析表明,双链结构具有高效率和可扩展性强。实验结果表明机器学习算法对于区块链交易数据的分类准确性达到95.0%,并证明了零知识证明校验智能合约功能的可行性。     

基于区块链的知识产权交易平台研究与实现

目前知识产权交易普遍存在信息不对称、交易多方缺乏信任和有效激励等问题,借助区块链的不可篡改、安全透明、可追溯、去中心化等技术特性,提出并实现了一种基于区块链的知识产权交易平台BIPTP,通过智能合约实现交易的精准撮合,支持多方定制转让合同和收益分配合同,引入知识产权权人方和监管方作为联盟链节点,异步完成需求收集和权人变更。实验表明,平台的交易吞吐量可达到250?TPS,万笔交易平均撮合时延约1.9?s,交易成功率可达到78%,相较于其他知识产权交易平台,本系统能够在知识产权权人、发明人、受让方以及中介方之间达成多方权益保证的可信合约并确保执行,从而获得更好的数据可信度和合同履约能力,显著提高知识产权交易的成功率,为繁荣我国知识产权交易市场提供了一种有效的解决方案。