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。     

实用拜占庭容错共识算法在医疗信息泄露防控及共享中的研究与应用

目前电子病历在多客户端数据共享上依然存在分享困难和患者隐私无法保护等的问题,因此医疗信息泄露防控及共享问题迫在眉睫；为了解决该问题对PBFT算法进行了分析,以此提出了afBFT共识算法,并对其有效性进行了验证；实验结果表明,连续运行时可插拔共识算法(Pluggable Consensus based on PBFT,CPBFT)算法和拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)算法的通信量的平均值十分相近,而afBFT共识算法的通信量平均值为3.47千字节,比PBFT算法高14.1%左右,但处于可接受的范围内；同时出块时间的平均值可以稳定在2.4s左右；而在遭受攻击后afBFT共识算法表明出较强的抗预测攻击的能力,同时将其应用在实际方案中使得数据加密与搜索的时间处于较低的范围,分别为350ms内和140ms内；综合来看,提出的afBFT共识算法在电子病历管理应用上具备有效性,其对保障多客户端医疗信息共享安全性具有重要意义。     

实用拜占庭容错共识算法的奖惩机制优化研究

联盟链是农业溯源行业的首选区块链方案,针对其核心共识机制实用拜占庭容错共识算法（PBFT）存在的共识安全性低、主节点出错概率大、通信开销大等问题,通过引入奖惩机制以及分组共识机制,提出了基于奖惩机制的改进实用拜占庭容错共识算法。把节点划分为4类,制定节点信誉规则,增强节点主动性,减少拜占庭节点的参与;剔除作恶节点参与共识资格,统计其余节点信誉值及票数,动态筛选信誉良好节点作为共识节点,并依据最高信誉值规则选取主节点,从而提升共识安全、降低拜占庭节点当选主节点概率;以PBFT共识为基础,将共识过程简化为组内共识及全局共识两个阶段,并基于最少广播消息数提出最优分组,缓解共识节点数目增多导致通信量过大的问题。实验结果表明,该方案能够有效抑制拜占庭节点,提升共识安全性能,降低共识成本。     

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...     

基于实用拜占庭容错的改进的多主节点共识机制

针对实用拜占庭容错（PBFT）共识协议通信复杂度高导致的共识效率低、单一主节点发生故障或存在拜占庭行为时会导致共识过程停止的问题,提出了改进的多主节点实用拜占庭容错（IMPBFT）共识机制。首先,通过节点的共识轮数、存在拜占庭行为的共识轮数以及节点被赋予的优先值,计算出节点的有效共识轮数,再依据有效共识轮数的大小选出多个主节点。其次,对原共识机制进行改进,使所有节点利用改进的机制进行共识。最后,引入流水线来实现IMPBFT共识的并发执行。在进行流水线操作时,不同轮共识的多阶段消息统一签名,并且不再使用固定周期来控制流水线。理论研究和实验结果表明,IMPBFT的多主节点结构相较单一主节点的共识结构更加安全稳定;与平方级通信量的PBFT和信用委托拜占庭容错（CDBFT）共识相比,IMPBFT将通信量降至线性级;在交易吞吐量、扩展性和交易时延方面,IMPBFT的性能要优于PBFT和CDBFT;使用“多阶段消息统一签名、无固定周期”流水线的IMPBFT,比未使用流水线的IMPBFT在交易吞吐量上提高了75.2%。     

状态分片中交易过载处理的节点竞选方案

分片技术是目前最有效的实现高性能而不降低去中心化程度的区块链扩容方案,仅实现交易分片并不能解决实质问题,只有状态分片才能从根本上解决区块链资源瓶颈问题。针对区块链状态分片随机分配交易产生的交易过载问题,提出状态分片约束下交易过载处理的多轮节点竞选均衡化验证方案。将分片内的交易验证分为多轮,在每轮验证完成后根据节点通信能力和节点共识表现进行综合积分,并确认分片的交易过载情况,进而在下一轮验证中增强分片的处理能力。考虑到状态分片约束下节点在分片之间不能随意调度,利用节点竞选策略将分片内的节点在不同轮次之间均衡使用,在提升分片规模和有效性的基础上,充分发挥高性能节点的优势,使得过载交易在后续轮次得到及时的验证。实验表明,方案可以有效处理分片内交易过载,提高分片内的交易验证率,提升系统的每秒交易数（transaction per second,TPS）,为分片的进一步研究提供有益的参考。     

一种基于环签名的PBFT区块链共识算法改进方案

联盟链是一种允许授权节点加入网络的区块链,当存在网络状况不理想等状况时,会出现节点动态加入退出的问题。为此,在环签名理论、ElGamal数字签名算法与PBFT算法的基础上,提出一种基于ElGamal数字签名算法的环签名改进方案。对环签名算法进行正确性及匿名性分析,运用环签名方案改进PBFT算法的签名及验证过程,使用Fabric中的区块链性能测试框架Caliper对改进方案进行性能测试,结果表明,基于环签名方案的改进PBFT共识算法可较好地解决网络中节点动态加入退出问题,且能够达到原PBFT算法的拜占庭节点容错率,具有一定的实用性。     

结合动态信用机制的PBFT算法优化方案

实用拜占庭容错（PBFT）共识算法被广泛应用于金融机构、电子货币行业、农产品溯源等领域,但存在灵活性较差、拜占庭节点处理方式不足、通信开销和网络时延较大等问题。提出基于动态机制与信用积分机制的实用拜占庭容错共识算法DT-PBFT。引入动态加入或退出机制,使集群内的节点可以按需自由加入或退出,增加信用积分机制,通过分层机制将节点按可信任程度分为备用主节点层、中间层、警告层和清理层,采用惩罚机制降低节点连续作恶的可能性,以保证从备用主节点层中优先选择最优的主节点,大幅提高共识效率。同时,通过剔除网络清理层中的拜占庭节点,提高算法的运行效率。在此基础上,通过优化一致性协议对共识流程进行改进,减少一轮全网节点信息交互确认流程,从而降低通信开销。实验结果表明,当节点数为22时,相比DGPBFT、DDBFT和PBFT算法,DT-PBFT算法具有较优的灵活性,吞吐量和交易请求有效完成率分别为292 transaction/s和83.4%,CPU利用率为50%,相比PBFT算法,延迟降低了350 ms。     

一种改进的实用拜占庭容错算法

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（PBFT）共识算法中由于主节点选取随意而带来的各种不足,论文进行了优化,提出一种改进的PBFT共识算法模型——RPBFT算法,改进后的算法分两个阶段,第一阶段利用Raft算法机制并结合积分策略选出胜利节点集合,第二阶段使用PBFT算法进行主节点的选取,实验表明论文RPBFT算法有效缓解了传统算法中因拜占庭节点存在而造成的连续视图切换问题,从而降低了通信开销,提高了共识效率。     

利用状态归约处理跨分片交易的多轮验证方案

在区块链系统中,分片是主要的链上扩容方案,其中的状态分片可以在不降低安全性的前提下解决公链可扩展性问题.但是,分片技术的引入,又带来了处理跨分片交易验证的难题,当系统内大多数交易为跨分片交易时,跨分片交易的处理能力决定了整个系统的性能.因此,在设计分片系统的过程中,跨分片交易验证和处理策略至关重要.针对上述问题,提出了...     

具有监督机制的高效拜占庭容错算法

共识机制作为区块链技术的核心内容,在不同应用领域各有差异。针对联盟链应用场景,应用广泛的实用拜占庭容错（PBFT）算法仍然存在效率及安全性问题,因此从网络模型、共识本质及安全攻击等角度对PBFT算法进行研究,提出了一种高效监督拜占庭容错算法（Efficient Supervised Byzantine Fault Tolerance,ES-BFT）。针对效率问题,ES-BFT算法将节点随机划分为多个节点簇,设置信誉值,通过信誉值从节点簇中选举共识节点、监督节点,尽可能提升共识节点的高效性及可靠性;监督节点对共识节点进行监控,避免了在Global Stabilization Time（GST）开始之前共识节点可能遭遇的系统不协调问题,进一步保证算法的安全性;通过实验表明ES-BFT算法在效率及安全性上较PBFT算法有所提升,并且免疫在GST之前的攻击所导致的系统不协调问题。     

RB-Raft:一种抗拜占庭节点的Raft共识算法

针对Raft算法无法抵抗拜占庭节点的攻击和日志易窜改等问题,设计了一种抵抗拜占庭节点的RB-Raft（resist Byzantine-Raft）算法。首先采用哈希链的方式对每一块日志进行迭代哈希处理,通过动态验证机制对日志进行验证,使得对leader节点的恶意行为具有一定的容错率,解决了日志伪造与验证的问题。其次,提出基于门限加密的遗书机制,使得candidate节点拉取选票具有合法性,防止拜占庭节点随意拉取选票更换leader节点的攻击,解决了拜占庭节点影响系统一致性的问题。实验结果表明,提出的RB-Raft算法具有抗拜占庭节点的能力,其日志识别率可以达到100%。同时,相比PBFT,该算法共识时延降低了53.3%,并且吞吐量提高了61.8%。其适用于在不可信联盟链中进行共识。     

区块链实用拜占庭容错共识算法的改进

针对应用于联盟链的实用拜占庭容错（PBFT）共识算法网络结构静态、主节点选取随意和通信开销较大的问题，提出了一种改进的实用拜占庭容错（EPBFT）共识算法。首先，给共识节点设置一系列活动状态使得节点通过状态转换在系统中拥有完整生命周期，由此节点可以动态地加入和退出，系统拥有动态的网络结构。其次，对PBFT的主节点选取方式加以改进，增加以最长链为选举原则的主节点选举过程。在主节点选举完成之后，通过数据同步和主节点验证过程进一步保证主节点的可信性。最后，优化PBFT算法的共识流程以提高共识效率，使得EPBFT算法的通信开销在视图变更较少发生的情况下降低为PBFT算法的1/2。实验结果表明，EPBFT算法具有较好的有效性和实用性。     

改进SM2签名方法的区块链数字签名方案

为了提高联盟链实用拜占庭容错（PBFT）算法共识过程中数字签名密钥保存安全性和签名效率问题,结合联盟链PBFT共识算法的实际运用环境提出了一种基于密钥分割和国家标准SM2签名算法的可信第三方证明签名方案。该方案中由可信第三方产生和分割密钥并将子分割私钥分发给共识节点,每次共识须先向可信第三方证明身份后,获取另一半子分割私钥来进行身份签名验证。该签名方案结合联盟链的特性实现了私钥的分割保存,利用共识特性结合哈希摘要消去了传统SM2算法中的模逆的过程。通过理论分析证明了该方案可抗数据篡改和签名伪造,同时借助Java开发工具包（JDK1.8）和TIO网络框架模拟共识中的签名过程。实验结果表明所提方案比传统SM2签名算法效率更高,并且共识节点越多效率差距越明显,在节点数达到30时,其效率较传统SM2算法可以提升27.56%,表明该方案可以满足当前联盟链PBFT共识的应用环境。     

基于实用拜占庭容错算法的区块链电子计票方案

针对区块链电子投票中第三方计票机构不满足区块链去中心化、去信任特性以及缺乏可信度的问题,提出一种基于实用拜占庭容错（PBFT）算法的区块链电子计票方案。首先,在分布式环境中构建无中心计票模式,以节点的信任度确定计票节点;其次,基于PBFT实现待验选票的共识;再次,将PBFT中诚实节点的最低数量作为门限签名的阈值,只有达到阈值的计票结果才能形成门限签名;最后,将满足可信状态的结果记录在区块链账本上。通过测试分析表明,只有当诚实验票节点超过2/3时,才满足PBFT,得到可信的计票结果。     

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．