基于贡献值和信誉度的区块链共识机制

目前工作量证明（PoW）共识机制存在节点资源消耗过大和算力不平衡等问题,针对以上缺陷,提出了一种基于贡献值和信誉度证明（PoCaC）的区块链共识机制。首先,动态调整哈希计算的目标难度值,减少计算随机数的时间和电力;其次,引入贡献值、信誉度和奖惩机制,为每个节点赋予贡献值和信誉度,在规定时间内,计算出随机数的节点,均获得贡献值奖励,根据节点行为增加或者扣除信誉度;最后,考虑节点计算随机数时间,由贡献值、信誉度和计算时间三者计算权重得到最终值fValue,fValue最大的节点获得打包记账权。搭建了基于PoCaC共识机制区块链,节点的记账权次数的方差为5.67,与PoW相比,PoCaC的共识时间减少了90%,数据吞吐量提高了10倍。实验结果表明,PoCaC不但能够提升区块出块速度、减少算力浪费和平衡节点记账权竞争,而且提高了节点维护区块链系统的积极性,增强了节点对恶意行为的抵抗性,保障了系统安全性。     

一种基于双链的区块链共识机制

共识机制是区块链系统的核心技术,目前针对“非币”区块链系统提出的基于贡献值证明与工作量证明(Po C+Po W)的共识机制存在共识效率较低、可靠性和安全性不高、算力消耗大的缺点。提出一种新的基于双链的共识机制CON＿DC＿PBFT。在该共识机制中设计一种业务链-系统链双链结构,将贡献值等系统数据和主要业务数据分离到双链中各自完成共识处理,双链的共识表现为半独立的形式,业务链共识消息流受系统链监督协调,并且系统链根据贡献值随机指定业务链的记账节点,双链的分工与协同实现并行化和流水化,改善共识的效率。由于贡献值数据不能被轻易获取,通过拜占庭通信机制和节点随机选择算法,降低节点遭受攻击和系统停滞的风险。通过实验综合分析出块选择概率、单点故障率、节点数、区块传输速率、CPU使用率对共识机制的性能影响,结果表明,与Po C+Po W机制相比,CON＿DC＿PBFT共识机制节省了50%以上内存、存储资源占用,在综合共识时延上有30%以上的改善。     

基于工作量证明和权益证明改进的区块链共识机制

当前区块链工作量证明（PoW）机制浪费大量算力和电力的缺陷日益凸显,而权益证明（PoS）机制由于无成本权益以及权益无限增长容易产生分叉和富者愈富问题,不能保证区块链的稳定性。针对二者的缺陷,提出了一种基于PoW和PoS改进的区块链共识机制PoWaS。首先,降低哈希计算的难度并限制最大难度值,以减少寻找随机数所花费的算力和电力资源;其次,为有效持币时间和币龄设置上限,防止由于币龄无限增长而带来的富者无限富的问题;然后,引入信用值的概念,为每个节点赋予一个信用值,并根据节点行为升降信用值;最后,加入竞争等待时间,由寻找随机数所花费的时间、币龄和信用值计算得到一个值pStake,而pStake最大的节点获得打包记账权。实验搭建了一个拥有6个节点的PoWaS共识机制区块链,实验结果表明PoWaS可以减少算力浪费、加快出块速度和平衡记账权竞争。     

基于斐波那契分组的重要性证明共识算法

权益证明共识算法(PoS)虽然有不需要花费算力的优势,但由于权益越高的节点获得记账权的可能性越大,会造成记账节点具有很强的确定性且容易富者愈富,一旦权益最高的节点无法正常记账出块,其余节点仍要重新竞争记账权,存在系统停滞问题.针对这两个缺陷,特提出基于斐波那契分组的重要性证明共识机制(FPoI).首先,引入重要性评估方案,依据节点活跃度、交易量、寻找随机数的时间和信誉值计算每轮中节点的重要性分数iValue;其次,为信誉值设置记账最低阈值,防止信誉值过低但重要性仍高的节点恶意记账;最后,按重要性得分高低排名,分数最高节点无法正常记账时,采用斐波那契数列将分数相近的节点分成一组,组内借鉴DPoS思想进行投票并按排名充当备选节点,每完成一个区块创建后都将重要性归零但保留信誉值.实验搭建一个拥有100个节点的FPoI共识机制的区块链,实验结果表明区块链系统平均出块时间稳定10s左右,当恶意节点占比由30％增加到70％时,成功记账的概率由0.25减少到0.06左右,减少了联盟作恶.     

基于贡献机制的奖惩算法

针对区块链中委托权益证明共识机制中恶意节点无法被快速剔除的问题,本文提出一种基于贡献机制的奖惩算法。在该算法中,通过对代理节点计算贡献值并调度反馈系统,实现了对优良节点的奖励和对恶意节点的惩罚,达到了对恶意节点的快速剔除。     

DPoS区块链共识机制的改进研究

针对委托权益证明(delegated proof of stake,DPoS)共识机制存在恶意节点相互勾结以及权益分配不合理的两大问题,提出了一种改进方案.首先,引入RBF神经网络模型,根据节点在整个区块链上工作表现的历史数据和相关属性计算综合信任值,使得通过综合信誉值选举出的节点更加权威可信;同时,加入基于动态博弈的信誉激励机制,增加了节点恶意攻击的成本,使得共识节点的出块更加安全.其次,利用沙普利值对节点权益进行合理划分,使得节点的权益得到了分散,增强了"去中心化"程度,降低了"财阀统治"的可能性.实验结果表明,改进后的DPoS共识机制能够有效抵御"腐败攻击",增强了系统的稳定性和安全性,具有潜在的应用价值.     

云制造系统中区块链排队时延分析与仿真

针对云制造系统中区块链的排队时延问题,探索降低云制造系统中区块链排队时延的因素,提出一种新型的云制造系统区块链模型,在传统云制造系统架构的服务层中引入区块链服务。将制造服务请求在区块链服务的排队时延过程分解为缓冲阶段和共识阶段,使用M/M/1排队模型分析系统指标。提出一种自适应难度值机制,优化不同算力的节点参与共识的机会。并且研究节点收益与节点服务率的关系。仿真结果表明,基于M/M/1排队模型能够反映云制造系统的请求排队时延过程;引入自适应难度值后,算力小的区块链节点有更大的机会获取记账权,且节点的收益与其服务率呈正相关。     

基于贡献值的P2P资源共享激励机制

针对P2P系统文件共享中的大量搭便车现象,提出一种基于贡献值的新型激励机制,该机制根据节点的贡献值进行资源分配,贡献值越大的节点越能获得高的服务质量和优先级。仿真实验表明,基于贡献值的资源分配算法能有效地实现P2P系统中资源分配的公平性和效率,鼓励贡献节点,同时抑制搭便车现象。     

基于DPoS共识机制的区块链社区演化的可视分析方法

DPoS(股权授权证明)是当前主流区块链共识机制之一,独特的节点竞选机制使其形成不断演化的区块链社区.对区块链社区演化模式进行分析可以发现共识机制的潜在风险,具有十分重要的研究意义.针对DPoS共识机制区块链数据,提出了一种新颖的共识机制效能组合分析策略,面向区块链社区演化模式,提出了一种多角度探索的可视分析方法.首先...     

基于节点分组的权益证明共识机制

共识机制作为区块链的核心,针对区块链共识效率较低、消耗大量算力及电力资源等问题,权益证明(Proof of Stake, PoS)对工作量证明(Proof of Work, PoW)有所改进,却又存在权益中心化的风险。提出基于节点分组的权益证明共识机制,将节点按币龄分组,各分组依次竞争并在各组内产生收益,用以提高低币龄节点出块概率以及降低单次共识全网消耗。同时提出虚拟币龄与无币龄队列解决系统初始节点无币问题以及根据队列特性控制共识过程中高代币节点参与竞争频率。实验结果表明,改进后的PoS算法能够有效提升低币龄节点出块概率,防止权益中心化以及进一步减少资源的消耗与浪费。     

基于综合选举的DPoS共识算法

区块链技术是一种信任机制,具有去中心化、防篡改、可追溯的特性。共识算法是区块链核心技术之一,可维持区块链网络的运行,相较于工作量证明、权益证明等其他公有链共识算法,股份授权证明（DPoS）共识算法具有低延时、高吞吐量、几乎不分叉等优势。但由于按股份权重进行投票选举,选取的委托人总是持币量大的节点,导致其余节点出现投票政治冷漠性的情况,同时节点出块顺序随机,增大了节点通信的消耗。针对上述问题,提出一种综合选举算法CE-DPoS,该算法通过节点之间的通信消耗预先设定网络信息表,根据节点的意愿权重进行投票,投票后计算每个节点的最终得分。选择所有节点中分数最高的节点作为第一个委托人节点,再从该节点的网络信息表中选择得分最高的节点作为第二个委托人节点,直至选定委托人节点数达到系统规定。仿真实验结果表明,与DPoS、BFT-DPoS共识算法相比,CE-DPoS共识算法能动态地选择委托人节点,节点之间选举相对公平,节点活跃度提升至85%,同时出块时间降至0.4 s,能更好地应对日益增长的交易量。     

委托权益证明共识机制的改进方案

针对委托权益证明（DPoS）共识机制由于投票不积极和选举周期过长造成的恶意节点剔除不及时的问题，提出了一种基于熔断机制、信用机制和备用见证人节点的DPoS共识机制改进方案。首先，引入熔断机制，提供了反对票功能，加快踢出作恶节点；其次，引入信用机制，为节点设置信用分数和信用等级，通过监测节点行为来动态调整节点信用分数和等级，加大作恶节点获得票数的难度；最后，加入备用见证人节点列表，及时填补因为节点作恶被撤销见证权后出现的空缺。搭建了基于本改进方案的测试区块链系统，通过实验验证改进方案的可用性和有效性。实验结果表明，采用改进后的DPoS共识机制的区块链可及时剔除作恶节点，适用于大多数场景的应用。     

边缘计算场景下的多层区块链网络模型研究

近年来,越来越多的研究人员尝试将边缘计算场景中收集的数据存储在区块链上,以解决传统数据存储方案中数据安全性差、防篡改性弱的问题.然而在已有的设计方案中,设备往往需要保存完整的区块数据,并且在对链上的特定数据进行取回或验证时,需要遍历大量的区块以找到对应的数据,降低了边缘计算场景中用户侧的响应速度.此外,传统共识算法也不适用于资源受限的终端设备.针对上述问题,本文提出了一种面向边缘计算的多层区块链网络模型.具体地,该模型被分为了核心层、边缘层和终端层三层:终端层被划分为多个局部网络,每一个局部网络中都包含了一个终端侧区块链,链上存储了该局部网络中终端节点产生的数据;位于边缘层的边缘侧区块链对终端层中的每一个局部网络中的终端侧区块链定期进行备份;核心层中部署了一些核心设备,负责边缘层节点的审核、注册等工作.我们对模拟数据进行了仿真实验,结果表明在该模型中查找某一特定数据哈希的速度相比传统的有向无环图式区块链模型提高了4-7倍.我们还提出了一种自适应工作量证明算法,算法执行的难度可以根据终端节点的行为动态进行调整.实验结果表明,相比传统工作量证明算法,执行该自适应算法的正常节点的交易效率可以提升4-5倍.     

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.     

授权股份证明共识机制的改进方案

针对授权股份证明（DPoS）机制中存在的节点投票积极性不高及如何降低恶意节点被选举为代表节点的概率等问题,提出了一种基于奖励机制和信用机制的改进方案。奖励机制规定代表节点所得的交易费要与为它投票的节点所共享,并提出一种改进的收益分配算法合理分配各节点所得的权益;信用机制为节点设置信誉值和状态,并通过优化投票结果的计算方式加大恶意节点成为代表节点的难度。在以太坊平台上搭建了测试区块链对改进方案进行了实验分析,结果表明该改进方案能够降低恶意节点选举成功的概率,提高了系统的安全性。     

改进Fast-HotStuff区块链共识算法

Fast-HotStuff区块链共识算法采用两轮投票的共识过程,当主节点在第一轮投票后发生错误时,吞吐量将大幅降低,为解决该问题,提出一种改进的Fast-HotStuff算法。该算法引入一个新的区块扩展方式,在某一区块的共识过程中,当主节点在第一轮投票发生错误而导致视图更换时,副本节点将其投票消息传递至新的视图,新视图中的主节点收到足够多的投票消息,根据该区块进行扩展生成新区块并发起共识,以使更多区块上链并提高吞吐量。实验结果表明,当主节点在第一轮投票后发生错误时,HotStuff与Fast-HotStuff算法在节点数量为19时吞吐量降至3 500TPS以下,节点数量为61时降至1 500TPS以下,而改进算法的吞吐量在节点数量为19时高于6 500TPS,在节点数量为61时高于2 500TPS。     

Proof-of-Improved-Participation: A New Consensus Protocol for Blockchain Technology

The Internet of Things (IoT) is converting today’s physical world into a complex and sophisticated network of connected devices on an enormous scale. The existing malicious node detection mechanism in traditional approaches lacks in transparency, availability, or traceability of the detection phase. To overcome these concerns, we provide a decentralized technique using blockchain technology. Despite the fact that blockchain technology is applicable to create that type of models, existing harmony set of instructions are susceptible to do violence to such as DoS and Sybil, making blockchain systems unfeasible. Here, a new Proof-of-Improved-Participation (PoIP) harmony instruction was suggested that benefits the participation rules to select honest peers for mining while limiting malicious peers. Under an evaluation the PoIP outperforms the Proof-of-Work (PoW) instructions are demonstrated, Proof of Stake (PoS) instructions in terms of energy consumption, accuracy, and bandwidth. To compare the three consensus protocols with respect to efficiency, we build a lightweight mining model and find that PoIP consensus has greater efficiency than PoW and PoS. PoIP has 25% lower attack risk than existing consensus. As a consequence, our suggested methodology can provide the needed security with minimal attack risk and high accuracy, according to the analysis results. As a result, suggested consensus is more efficient than existing methods in terms of block generation time. Hence we suggest that suggested consensus is very suitable for IoT-based applications especially in healthcare.     

基于区块链与边缘计算的物联网访问控制模型

边缘计算的出现扩展了物联网（IoT）云-终端架构的范畴,在减少终端设备海量数据的传输和处理时延的同时也带来了新的安全问题。针对IoT边缘节点与海量异构设备间的数据安全和管理问题,并考虑到目前区块链技术广泛应用于分布式系统中数据的安全管理,提出基于区块链与边缘计算的IoT访问控制模型SC-ABAC。首先,提出集成边缘计算的IoT访问控制架构,并结合智能合约和基于属性的访问控制（ABAC）提出并设计了SC-ABAC;然后,给出工作量证明（PoW）共识算法的优化和SC-ABAC的访问控制管理流程。实验结果表明,所提模型对区块连续访问下的耗时随次数呈线性增长,连续访问过程中央处理器（CPU）的利用率稳定,安全性良好。本模型下仅查询过程存在调用合约的耗时随次数呈线性增长,策略添加和判断过程的耗时均为常数级,且优化的共识机制较PoW每100块区块共识耗时降低约18.37个百分点。可见,该模型可在IoT环境中提供去中心化、细颗粒度和动态的访问控制管理,并可在分布式系统中更快达成共识以确保数据一致性。     

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。