基于熵值理论的区块链网络去中心化程度量化评估方法

去中心化是区块链网络的重要优势。然而,尽管人们普遍认识到这一性质的重要性,但大多数关于这一主题的研究缺乏量化,而且没有对它们在实践中实现的去中心化程度进行计算。熵是随机变量不确定性的度量,也就是数据集的随机性度量,正好可以用来衡量区块链网络的去中心化程度。本文以比特币和以太坊为例,提出一种基于信息论中熵值理论来量化计算这些区块链网络去中心化程度的方法。利用信息熵计算出比特币和以太坊的出块数量和地址余额的随机程度,以此作为量化比特币和以太坊去中心化程度的指标。计算结果表明,基于出块数量的全样本统计,比特币比以太坊要高出大约12%的去中心化程度,并且基于10000个地址余额的样本统计,比特币也比以太坊要高出大约9.2%的去中心化程度。本文提出的方法具有普适性,可以用来量化评估任何区块链网络的去中心化程度。     

PoW共识算法中的博弈困境分析与优化

区块链是随着比特币等数字加密货币逐渐兴起而盛行的一种新型去中心化分布式系统,具有去中心化、时序数据、集体维护、可编程和安全可信等特点.目前,区块链已引起政府部门、金融机构、科技企业和资本市场的高度重视与广泛关注.如何在一个去中心化的分布式系统中高效地达成共识是区块链技术研究的重要问题.本文从工作量证明（Proof of work,PoW）共识算法的挖矿困境入手,分析PoW共识过程中矿工策略选择的纳什均衡存在条件.利用零行列式（Zero determinant,ZD）策略对矿工策略选择进行优化,并通过数值仿真来验证优化算法的有效性.概括来说,本文从博弈论角度来理解和剖析PoW共识算法,为进一步设计基于博弈论的共识算法提供新的思路和方法.     

变异系数来度量区块链网络去中心化程度

区块链网络的最主要优点是去中心化,但大多数关于这个问题的研究缺乏量化,而且都没有针对区块链在实践中的去中心化程度进行度量。提出了一种基于统计学中变异系数来量化区块链网络去中心化程度的方法。利用变异系数,计算了出块数量和地址余额的数据离散程度,从而来量化区块链网络(以比特币和以太坊为例)的去中心化程度。计算结果表明,基于19个矿池的样本统计,比特币比以太坊要高出大约27%的去中心化程度,并且基于100个地址余额的样本统计,比特币也比以太坊要高出大约16%的去中心化程度。论文提出的方法具有普适性,可以用来量化评估任何区块链网络的去中心化程度。     

公平且稳定的最小值证明共识机制

共识机制是区块链技术的核心,能够使所有节点周期性地完成交易的验证和记录,且保持所有节点保存的区块链数据的一致。针对目前公有链共识机制的去中心化程度不高和容易临时分叉两个问题,提出一种基于哈希随机选主的最小值证明共识机制（Proof of Minimum,PoM）,利用哈希算法的强混淆性提高去中心化程度,利用哈希算法的抗碰撞性降低临时分叉的概率。理论分析和实验结果表明PoM不仅提高了去中心化程度,也降低了临时分叉的概率。     

基于跳跃Hash和异步共识组的区块链动态分片模型

区块链系统的实现方案普遍存在性能和容量上的缺陷,使其无法取得更广泛的普及和应用。分片被视为最有可能解决区块链瓶颈的技术,然而目前主流的实现方案普遍存在牺牲去中心化或者安全性来提升性能的问题。基于现有分片技术的研究,文中提出了基于跳跃Hash和动态权重的分片构建算法,该算法满足高效性、公平性、自适应性等特点,网络分片效率对比以太坊提升了8%,分片数量动态增减时节点迁移的工作量对比以太坊降低了25%;同时引入了异步共识组机制,提升了分片的交易安全性,能够有效处理跨分片交易。理论分析和实验证明,基于跳跃Hash和异步共识组的区块链动态分片模型的最大交易性能可达5000笔每秒。     

DPoS共识机制改进的演化博弈及策略研究

基于演化博弈将监察机制与奖惩制度引入授权股份证明（delegated proof of stake,DPoS）共识机制,构建以代理节点、投票节点、监管节点为主体的三方演化博弈模型;分析共识方案改进前后节点的行为策略选择变化,在不同奖惩力度和惩罚因子下节点行为策略的演化趋势,并用Matlab仿真。研究结果表明：（1）改进方案能遏制恶意节点的合谋行为并提高投票节点的积极性;（2）奖惩力度能影响节点行为策略;（3）惩罚因子可以影响节点行为趋向稳定点的速度。     

一种改进PBFT算法作为以太坊共识机制的研究与实现

针对以太坊中PoW(Proof of Work)共识机制在联盟链场景下表现出的由于算力竞争造成的资源浪费和不可靠问题,提出了采用PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)算法作为以太坊共识机制,并结合以太坊结构对PBFT算法进行改进。改进PBFT算法中,检查点协议取消了定时检查清除证书的过程,节点同步过程采用向其他节点索要区块并校验的方式完成同步;视图切换协议在结合区块生成协议的基础上,采用超时机制进行视图切换。实验结果说明采用改进PBFT的以太坊适用于联盟链场景中,可以在很大程度上减少算力开销,并在一定程度上减少网络上的数据传输量。     

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。     

区块链共识算法的比较研究

区块链是一种去掉中心管理结构的通过分布式的节点运行的公共数据库。区块链是从2008年提出,经过多年的发展,近些年来收到社会的特别关注。区块链的项目较多,例如以太坊、Fabric、莱特币和比特币等等。其中热度最高的就是比特币。比特币是区块链最本质和最原始的应用。区块链的共识算法,可以保证区块链中的节点参与共识过程的有效性。本文梳理了各种区块链共识算法(如POW、POS、DPOS和PBFT)的思想,分析各类算法的优点和缺点~([1])。     

模糊随机碰撞工作量证明共识算法

共识机制作为区块链的核心要素之一,在不同领域各不相同。针对公有链应用场景,应用广泛的工作量证明（PoW）共识算法仍然存在安全性及高算力难调控等问题,因此从扩大解空间及优化调节机制等角度对PoW算法进行研究,创新性地提出了模糊随机碰撞工作量证明共识算法（fuzzy random proof of work,FRMH）。针对安全性问题,FRMH算法通过引入模糊数学中的模糊传递闭包阵等技术,增大了共识算法的解空间,从而提高了区块链共识机制的安全性;FRMH算法采用双重调节机制来应对高算力计算机,进而解决了区块链上的高算力难调控问题;通过数学验证了FRMH算法在解空间及高算力调控上有明显的提升效果。     

几种典型区块链共识机制的安全性分析

区块链技术源于比特币的出现,随着比特币和其他数字货币在金融市场的火爆,区块链技术得到了各界的广泛关注。共识机制是区块链技术的核心,区块链上的账本和数据都是共识机制的产物,一旦共识机制的安全性出现问题,区块链的可用性和信用度都将受到严重的打击。本文从共识机制的安全性出发,首先介绍区块链和共识机制的概念,然后对3种典型的区块链共识机制进行对比分析：通过逐一研究针对3种共识机制的攻击方法,对它们的一致性和敌手模型进行对比。最后,指出了目前区块链共识机制安全性分析上的局限性,并明确了未来研究共识机制安全性的方向。     

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。     

主流区块链共识算法对比研究

共识算法是区块链中的核心技术,直接决定了整个区块链系统的运行效率。对现有的共识算法进行了总结,将其分为基于节点某种属性值证明的共识算法、基于节点投票机制的共识算法和类Paxos共识算法三类。详细介绍了三类共识算法的实现细节,并依据蒙代尔不可能三角理论进行对比研究,给出了共识算法的发展方向,为区块链共识算法的深入研究提供借鉴。     

基于信用的区块链共识算法对比研究

基于信用的共识算法在共识效率和安全性上具有显著优势,成为近年来学术界和产业界广泛关注的热点。对当前信用共识算法进行对比分析,为研究者们深入研究提供参考。首先对当前的信用共识算法进行系统梳理,给出了其发展历程、分类和核心工作原理,总结了其信用计算模型和性能评价指标。其次对信用共识算法进行了定性和定量的比较分析,指出了各类信用共识算法的优缺点。最后,针对目前信用共识算法中存在的信用激励不够和与共识过程融合度不高的问题,提出了从基于博弈论的信用激励和设计高效的通信拓扑两个方面进行优化,给出了未来的研究方向。     

基于信用的联盟链共识算法

针对当前共识算法中存在的共识效率低下和激励机制不足的问题,提出了一种基于信用的联盟链共识算法.首先,根据节点参与共识过程的行为,设计节点信用评估机制,通过信用奖励解决节点间激励机制不足的问题.其次,构造信用区块链和信用计算模型,将节点的信用值进行存储,并作为挑选"矿工"节点的依据,提高了共识算法的效率.最后,提出了分轮次的矿工节点选择算法,利用随机算法和优先级排列算法依次选择矿工节点,并提出节点信用值评估方法,避免节点信用值过大而成为寡头,确保节点成为矿工节点的公平性.实验仿真结果表明,该信用共识算法算力消耗低,出块速度快,相比现有的共识算法具有更好的性能,可以很好地应用于商业和医疗等联盟链场景.     

Implementing the weakest failure detector for solving the consensus problem

The concept of unreliable failure detector was introduced by Chandra and Toueg as a mechanism that provides information about process failures. This mechanism has been used to solve several agreement problems, such as the consensus problem. In this paper, algorithms that implement failure detectors in partially synchronous systems are presented. First two simple algorithms of the weakest class to solve the consensus problem, namely the Eventually Strong class (?S), are presented. While the first algorithm is wait-free, the second algorithm is f-resilient, where f is a known upper bound on the number of faulty processes. Both algorithms guarantee that, eventually, all the correct processes agree permanently on a common correct process, i.e. they also implement a failure detector of the class Omega (Ω). They are also shown to be optimal in terms of the number of communication links used forever. Additionally, a wait-free algorithm that implements a failure detector of the Eventually Perfect class (?P) is presented. This algorithm is shown to be optimal in terms of the number of bidirectional links used forever.     

From chaining blocks to breaking even: A study on the profitability of bitcoin mining from 2012 to 2016

Bitcoin is a widely-spread payment instrument, but it is doubtful whether the proof-of-work (PoW) nature of the system is financially sustainable on the long term. To assess sustainability, we focus on the bitcoin miners as they play an important role in the proof-of-work consensus mechanism of bitcoin to create trust in the currency. Miners offer their services against a reward while recurring expenses. Our results show that bitcoin mining has become less profitable over time to the extent that profits seem to converge to zero. This is what economic theory predicts for a competitive market that has a single homogenous good. We analyze the actors involved in the bitcoin system as well as the value flows between these actors using the e³value methodology. The value flows are quantified using publicly available data about the bitcoin network. However, two important value flows for the miners, namely hardware investments and expenses for electricity power, are not available from public sources. Therefore, we contribute an approach to estimate the installed base of bitcoin hardware equipment over time. Using this estimate, we can calculate the expenses miner should have. At the end of our analysis period, the marginal profit of mining a bitcoin becomes negative, i.e., to a loss for the miners. This loss is caused by the consensus mechanism of the bitcoin protocol, which requires a substantial investment in hardware and significant recurring daily expenses for energy. Therefore, a sustainable crypto currency needs higher payments for miners or more energy efficient algorithms to achieve consensus in a network about the truth of the distributed ledger.     

分布式存储系统读写一致性算法性能优化研究综述

读写一致性算法被广泛部署到分布式存储系统,以保证读写数据的正确性.然而,读写一致性算法通常需要使用一个复杂的通信协议来保证多个节点读写数据的正确性,会带来较大网络传输开销和读写时延.由于各种读写一致性算法实现机制存在较大差异,特定的读写一致性算法往往需要部署到特定的存储应用场景,才能高效地执行数据读写操作,保障对其上应...     

Stability and convergence analysis of multi-agent consensus with information reuse

In this article, we study multi-agent consensus algorithms with information reuse by intentionally introducing the outdated state information into the traditional consensus algorithms. In the continuous-time case, we first show that the outdated state information combined with the current state information does not necessarily jeopardise the stability of a single system, but may improve the convergence speed without increasing the maximal control effort. Then this idea is extended from the single-agent case to the multi-agent case. When the directed communication graph is fixed, the corresponding Laplacian matrix and the outdated state information satisfy certain conditions, we show that the consensus algorithm with both the current and outdated states can achieve a faster convergence speed than the standard one. We also consider the case of a switching directed communication graph and derive corresponding conditions. In the discrete-time case, we propose a discrete-time consensus algorithm with both the current and outdated states under an undirected fixed communication graph. We then derive conditions on the communication graph, the sampling period and the outdated state information such that the proposed algorithm can achieve a faster convergence speed than that using the standard one. In both the continuous-time and discrete-time settings, we show that the maximum control efforts for the proposed consensus algorithms are identical to those for the standard ones. Several simulation examples are presented as a proof of concept.