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%。     

基于主子链架构的新型许可公有链

针对现有区块链之间相互独立、互通困难的问题,提出一种“主链+子链”的新型许可公有链架构。首先,在现有的委托权益证明（DPOS）、可验证随机函数（VRF）、实用拜占庭容错（PBFT）等算法的基础上设计了创新双层共识算法,同时加入可信许可机制,使区块链兼具许可和公有的特性;然后,详细描述了主子链的设计过程,主链负责链群管理并提供公共服务,而子链针对不同业务场景独立设计,并且通过连接主链中继实现跨链数据通信,从而实现数据安全隔离;最后,构建实验环境进行测试,以验证许可公有链设计的可行性。实验结果表明,相较于现有的超级账本Fabric等一些区块链,所提出的许可公有链具有显著优势,吞吐量最高可达到每秒25 000次,平均延迟时间可达8 s。为进一步研究不同类型区块链跨链数据互联互通提供了技术支撑。     

Hybrid concurrency control protocol for data sharing among heterogeneous blockchains

With the development of information technology and cloud computing, data sharing has become an important part of scientific research. In traditional data sharing, data is stored on a third-party storage platform, which causes the owner to lose control of the data. As a result, there are issues of intentional data leakage and tampering by third parties, and the private information contained in the data may lead to more significant issues. Furthermore, data is frequently maintained on multiple storage platforms, posing significant hurdles in terms of enlisting multiple parties to engage in data sharing while maintaining consistency. In this work, we propose a new architecture for applying blockchains to data sharing and achieve efficient and reliable data sharing among heterogeneous blockchains. We design a new data sharing transaction mechanism based on the system architecture to protect the security of the raw data and the processing process. We also design and implement a hybrid concurrency control protocol to overcome issues caused by the large differences in blockchain performance in our system and to improve the success rate of data sharing transactions. We took Ethereum and Hyperledger Fabric as examples to conduct cross-blockchain data sharing experiments. The results show that our system achieves data sharing across heterogeneous blockchains with reasonable performance and has high scalability.     

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.     

基于双层架构的溯源许可链共识机制

区块链中的区块按照时间历史顺序进行排列,同时通过数据加密技术以及共识机制使区块链具有不可篡改性,这使产品溯源成为区块链的重要应用场景。选择产品信息追溯技术要考虑技术的可行性同时要考虑产品以及生产者的市场属性,这使许可链代替公有链成为产品信息溯源的重要部署方式。现有研究成果中对溯源许可链的研究多停留在机制设计和框架建构上,少有对适用于产品信息溯源的共识算法进行研究。在技术工程实践过程中,联盟链中多选用实用拜占庭容错（PBFT,practical byzantine fault tolerance）作为溯源链的共识机制（如超级账本项目 Hyperledger）,但随着参与节点数量的增加,溯源链的运行效率明显下降,延迟时间明显提高,致使多数项目依然处于实验阶段。基于此,提出基于双层架构的溯源许可链共识机制（DLPCM）。首先将参与者在垂直维度上化分为两层,其次在不同层次上根据区块链的不同部署方式采用不同的共识机制,最后对该共识机制下的溯源信息查询机制进行介绍,为基于许可链的溯源系统的开发和设计提供了重要借鉴。     

LBA：轻量级区块链架构

针对现有区块链架构在面临垂直结构型的轻量级应用时存在着结构冗余、性能不足的缺点,提出一种轻量级区块链架构(lightweight blockchain architecture,LBA).在数据层,提出按行存储机制提高数据读写效率,并增加基于MongoDB的存储方式,支持海量数据的线下隔离存储.在共识层,设计分层共识机制,将节点按事务粒度划分为决策层和执行层,减少参与共识的节点数量,提升共识效率.在网络层,提出分布式结构化网络模型,提高网络中数据的广播效率.在应用层,设计自定义事务接口,支持不同场景下的区块链系统功能定制,采用自定义的有限状态机取代图灵机,提高智能合约的可控性和降低复杂度.实验仿真结果表明,LBA架构能有效提高区块链系统中的数据存储效率、网络通信和共识效率,适用于区块链的轻量级中小型应用.     

适用于海量数据处理的高吞吐量联盟链共识算法DMDR

区块链技术能够有效解决物联网场景下数据的可信共享问题,但主流共识算法往往存在较大延迟,难以处理多源异构的海量数据。针对此问题,提出一种动态多区块双轮次共识算法(DMDR)。该算法将交易验证和打包两个环节拆分,以交易提前处理和区块延后生成的方式使普通节点可利用共识等待时间处理交易,于单次共识内生成多个区块,提高数据处理效率。该算法将网络中的节点划分为多个集群,采用各集群与系统整体双轮次共识的方式减少通信开销,并基于集群内点的相互印证确保共识结果的准确性。仿真实验表明该算法的吞吐量优于PoW与PBFT,且在较小网络延迟中仍具有较可观的交易吞吐量。     

基于Raft分组的实用拜占庭共识算法

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,能够更好的在联盟链场景中应用。     

Medical Chain:联盟式医疗区块链系统

医疗数据共享、防篡改、防泄漏一直是困扰医疗行业的难题.一位患者在转诊时,往往无法提供以往的就诊信息,原因在于国内各医院医疗信息大多数情况下无法共享,而仅能通过病历、检验单等极易丢失的纸质信息来实现一部分医疗信息的共享.同时,患者的医疗信息极易造成泄露,在出现医疗纠纷时所提供的医疗信息也无法保证真实性与公正性.本文设计了一个基于实用拜占庭容错算法（Practical Byzantine fault tolerance,PBFT）的联盟式医疗区块链系统,该系统是一个多节点共同维护与共享的,并且能够防止医疗数据被篡改、泄露的医疗系统,可用来解决这些医疗难题.与现有医疗区块链系统相比,本系统具有一定的优越性与较好的适用性.     

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。     

加密数字货币系统共识机制综述

共识机制是以区块链技术为支撑的加密数字货币系统的核心,分析并比较了现有的三种典型共识机制,为区块链开发者设计共识机制提供参考和建议. 解析了三种主流共识机制PoW、PoS、DPoS的基本思想、运行过程与优缺点,随后从公平性、运转开销、可持续性等几个方面归纳出每种共识机制的特点,然后从信用的去中心化程度、授权等多个角度进行分析比较,考量不同应用场景下的共识需求. 从应用场景出发,将两种或以上共识机制结合使用,在完全去中心化与中心化中间寻找到适合的平衡点,更符合未来共识机制的应用需求.     

基于K-means的SAMP系统数据库查询性能优化策略

中科院仪器设备共享管理平台（以下简称为SAMP）系统有效解决了各科研单位间仪器设备管理封闭、共享困难和运行效率低的棘手问题.同时,可以及时了解各类仪器的使用情况、共享情况,为各级业务主管部门展开科学高效的管理工作提供良好的决策依据.当SAMP系统应用数据库中存储的数据量达到百万级时,对数据库中预约表和用户表（或仪器表）进行连接查询时,将导致数据表查询性能的下降,从而影响整个SAMP系统的性能.目前主流的解决方案是采用Hash取模算法对数据表进行水平切分,但预约表中的主键为自动递增的整数,并没有实际意义,所以优化效果不理想.由于预约的用户和被预约的仪器在地理区域上呈现一定的聚集性,因此本文提出了一种基于K-means聚类算法的分表策略,采用该策略能够将预约表的查询性能提升至少70%.     

面向跨域可信的泛中心化区块链DNS架构研究

DNS 系统是重要的互联网基础设施,采用中心化层级式结构,在根区存在中心化现象,导致单点故障风险、中心权利滥用风险等缺陷。设计新的泛中心化 DNS 架构将使域名系统从依赖中心的单一信任域,变为多个以顶级域名为根相互平行的信任域,存在跨域可信的研究挑战。围绕跨域可信架构的设计,在架构设计层面采用控制与解析分离的思想,提出双区块链 DNS 架构;在数据层面的跨域验证方面设计了基于单向累加器的验证方案,将传统验证过程 O(N)的时间复杂度降为接近 O(1);在关键技术的性能层面,结合DPoS机制与BFT算法提出CDBFT算法,平均吞吐量可以达到736 TPS（transaction per second）。并用理论推导和实验验证了架构在安全、性能及可扩展性方面具有优势。     

面向解决民航虚占座位的改进PoA共识机制区块链系统研究

为了解决航空机票销售过程中某些机票代理商或旅客恶意“虚占座位”的问题,提出了一种基于改进PoA (proof of authority,权威证明) 共识机制的区块链系统方案。该方案使用联盟区块链作为各航空公司之间的沟通平台;采用信用积分、动态分级,形成新的PoA共识机制;使用哈希算法保护旅客的隐私信息;依靠智能合约实现航空公司数字身份信息的存储、旅客身份注册、旅客订票信息的存储和共享。原型系统试运行表明：该系统可以及时发现并有效制止“虚占座位”行为。经分析评估得出,该方案具有保护隐私、去中心化、高安全性的特点,为解决民航领域存在已久的“虚占座位”问题提供了新的借鉴思路。     

基于区块链共识激励机制的新型联邦学习系统

随着云存储、人工智能等技术的发展,数据的价值已获得显著增长。但由于昂贵的通信代价和难以承受的数据泄露风险迫使各机构间产生了“数据孤岛”问题,大量数据无法发挥它的经济价值。虽然将区块链作为承载联邦学习的平台能够在一定程度上解决该问题,但也带来了三个重要的缺陷:1)工作量证明(Proof of Work, POW)、权益证明(Proof of Stake, POS)等共识过程与联邦学习训练过程并无关联,共识将浪费大量算力和带宽;2)节点会因为利益的考量而拒绝或消极参与训练过程,甚至因竞争关系干扰训练过程; 3)在公开的环境下,模型训练过程的数据难以溯源,也降低了攻击者的投毒成本。研究发现,不依靠工作量证明、权益证明等传统共识机制而将联邦学习与模型水印技术予以结合来构造全新的共识激励机制,能够很好地避免联邦学习在区块链平台上运用时所产生的算力浪费及奖励不均衡等情况。基于这种共识所设计的区块链系统不仅仍然满足不可篡改、去中心化、49%拜占庭容错等属性,还天然地拥有49%投毒攻击防御、数据非独立同分布(Not Identically and Independently Distributed,N...     

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.     

基于区块链的云数据审计方案

云存储凭借高扩展性、高可靠性、低成本的数据管理优点得到用户青睐。然而,如何确保云数据完整性成为亟待解决的安全挑战。目前的云数据完整性审计方案,绝大部分是基于半可信第三方来提供公共审计服务,它们存在单点失效、性能瓶颈以及泄露用户隐私等问题。针对这些缺点提出了基于区块链的审计模型。该模型采用分布式网络、共识算法建立一个去中心化、易扩展的网络解决单点失效问题和计算力瓶颈,利用区块链技术和共识算法加密用户数据保证数据不可窜改和伪造,确保了用户数据的隐私。实验结果表明,与基于半可信第三方云数据审计方案相比,该模型能够保护用户隐私,显著提高了审计效率,减少通信开销。     

一种基于门限签名的区块链共识算法

针对区块链应用于物联网环境下的特点和要求,分析了目前广泛应用于联盟链的实用拜占庭容错算法（PBFT）的弊端以及目前应用于共识网络中的门限签名算法存在的普遍问题,提出改进的共识算法。首先,新共识机制将网络中的节点分组用部分节点的两两通信代替所有节点的两两通信减少通信量;其次,将组合公钥的思想引入到门限签名中,减少了通信量与计算量;最后,在节点之间引入信用分机制,优化视图切换协议。仿真结果表明,新提出的共识算法在数据吞吐量以及通信时延方面有了明显的提升,并且得到了通信量最低时的最佳分组方式。     

基于备选投票机制的低时延PBFT改进研究

针对实用拜占庭容错算法PBFT共识时延高、视图切换效率低、动态性不足等问题,提出一种基于备选投票机制的低时延共识算法IPBFT.通过增设候补集合,使系统的共识节点能够支持动态增加和减少,同时优化视图切换协议,使算法能够在只有两个阶段的情况下完成共识过程,降低系统的通信开销.在此基础上,将算法的主节点选取方式改进为投票选...