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。     

基于网络自聚类的PBFT算法改进

联盟链是区块链技术在实际行业应用的主要形式,其共识机制多采用实用拜占庭容错算法(PBFr),在节点数量大时共识成功率与共识效率不高,存在扩展性问题.为此,提出一种基于网络自聚类拜占庭容错共识算法NAC-PBFT.利用行业应用中网络结构、系统节点等确知信息,在联盟链审核节点时指定种子节点,再以种子节点为中心自聚类为若干分组,组内通过优化实用拜占庭容错算法选举出代理人,由各组代理人共同完成全局共识.其中,组内选举时,通过定义可信度指标衡量节点作为筛选候选代理人的标准,确保每次选出的代理人具有良好的状态.通过对系统分析与性能测试,NAC-PBFr算法能有效降低消息量,在共识时间、系统吞吐量指标上有更好的表现,具备较好的扩展性.     

CS-Raft:适用于联盟链的拜占庭容错共识算法

针对目前联盟链共识算法的性能不足,提出了一种基于信用评分的可拜占庭容错联盟链共识算法CS-Raft。首先,为所有节点赋予信用评分属性,节点的信用评分根据节点的共识行为、活跃度、加入集群时间等指标进行更新,信用评分越高代表节点可信度越高;其次,根据节点信用评分选取监督节点,监督节点具有检验权,可以参与领导人选举,监督节点的设置可以有效抵抗拜占庭恶意节点的攻击;最后,改善了领导人选举中选票分裂问题,对领导人选举的速度进行提升。经实验分析,CS-Raft算法相较于PBFT算法在实现拜占庭容错的同时,有效地减少了共识时间延迟、提高了系统吞吐量,并加快了其领导人选举速度。     

融合可验证随机函数和门限签名的拜占庭容错共识算法

共识算法作为区块链底层的关键技术,可以解决分布式系统中由于节点分散而导致的共识难以达成的问题.现在联盟链中普遍使用的实用拜占庭容错共识算法,在准备阶段和提交阶段需要所有备份节点间互相交换信息,出现网络故障或者遭遇分布式拒绝服务攻击的时候,会出现活性差、可扩展性不强、鲁棒性不足等问题.针对上述问题,本文以联盟链在高校学生信息存储和管理运用为背景,在实用拜占庭容错算法基础上,提出一种融合可验证随机函数和门限签名的拜占庭容错共识算法.算法利用可验证随机函数的随机特性和零知识证明的特性来构造匿名选主算法,达到隐藏主节点,模糊敌手攻击对象,增强抵抗网络自适应攻击的能力.同时通过基于代表法定人数投票意愿的门限签名机制,使备份节点只通过验证门限签名,就能确认共识达成,从而保证在高丢帧率的网络环境下,增加达成共识的概率,提升拜占庭容错共识算法的鲁棒性.实验分析表明,系统在f个节点宕机、网络数据发送成功率只有80%的情况下,达成共识的概率依然超过90%,在提高共识概率的同时,降低签名验证的次数,提升了可扩展性,有效保证了系统的活性.     

一种可应用于联盟链的拜占庭容错共识算法

针对联盟链应用场景,分析了目前应用最广泛的PBFT（practical Byzantine fault tolerance,实用拜占庭容错）算法中的高通信成本和主节点选取的问题,提出了OBFT（optimistic Byzantine fault tolerance,乐观同步拜占庭容错）算法。首先,针对高通信成本问题,OBFT算法通过动态超时时间实现了乐观同步拜占庭容错,并且结合了PBFT算法中的检查点协议,当触发超时时,说明此时节点处于异步状态,为了实现拜占庭容错,算法切换回部分同步拜占庭容错,即执行PBFT算法的commit阶段,并且以stable checkpoint为新一轮乐观拜占庭容错的起点。其次利用积分制优化了主节点选取过程,保证可供选择的主节点符合区块链最长链原则。最后通过本地多节点仿真实验表明,OBFT算法提升了数据吞吐量和可拓展性,并且有效地降低了交易延迟。     

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。     

基于可验证延迟函数的改进实用拜占庭容错算法

针对实用拜占庭容错（PBFT）共识机制的主节点选择不合理和高交易延迟问题，提出一种基于可验证延迟函数（VDF）的改进实用拜占庭容错共识机制VPBFT。首先，针对原有的PBFT算法引入投票机制进行节点选取，并根据随机投票结果将节点划分为普通节点、投票节点、备份节点和共识节点；其次，改进PBFT算法主节点选举机制，即使用VDF进行主节点选举，并利用上一区块哈希值和用户私钥生成随机数，增加主节点的不可预测性，保证共识安全；最后，优化PBFT算法的共识过程，将共识过程简化为三个阶段，从而降低算法复杂度，减少通信开销。实验结果表明，所提出的VPBFT在安全性和共识性能方面优于原有PBFT算法。     

联盟链中实用拜占庭容错算法的改进

针对实用拜占庭容错算法(PBFT)中存在的通信开销大、算法效率低等问题,结合联盟链特点,提出了一种改进的PBFT算法(score-PBFT,S-PBFT).引入节点评分机制,将节点划分为共识节点、候选节点和预备节点三种类型,并根据节点行为对节点进行动态调整,最大程度上保证共识节点的可靠性.改进了主节点的选举方式,以节点...     

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。     

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。     

基于角色管理的实用拜占庭容错共识算法

针对目前存在的应用于联盟链的实用拜占庭容错(PB F T)共识算法扩展性差、能耗高、效率低和主节点选取方式简单的问题,提出一种基于角色管理的拜占庭容错(RPBFT)共识算法.首先,将系统中的节点划分为管理者、候选者和普通节点3类具有不同职责的角色节点.其次,候选节点具有投票权,投票选举相应的候选节点为管理者;普通节点在...     

基于信任度匹配的改进PBFT共识算法

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(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)共识算法在可扩展性和安全性方面存在的不足,提出一种基于信任度的匹配拜占庭共识算法(Trust-based Matching Byzantine Fault Tolerance,TMBFT)。首先,通过基于信任度的邻居匹配模型来选取部分节点进行投票共识,以降低区块链网络的通信量;其次,引入信任度评价机制来监督邻居节点的行为,确保有效检测出拜占庭节点,保证节点投票的安全性;最后,设计投票计数机制保证了共识结果的一致性,并提高了共识效率。与PBFT相比,TMBFT将通信复杂度从O(N^2)降到O(Nlog2N),有效降低了网络中的通信开销。安全性分析表明,信任度评价机制可降低节点作恶的概率,并有效提高系统安全性。实验结果表明,TMBFT较传统拜占庭算法具有更好的性能优势。     

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%。     

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。     

基于投票机制的拜占庭容错共识算法

针对现有的区块链中实用拜占庭容错（PBFT）共识算法、基于动态授权的拜占庭容错（DDBFT）共识算法、联盟拜占庭容错（CBFT）共识算法普遍存在能耗高、效率低、扩展性差等问题，通过引入投票机制，提出了基于投票机制的拜占庭容错（VPBFT）共识算法。首先，以PBFT算法为基础，将网络中的节点划分为四类具有不同职责的节点。其次，算法中的投票节点具有投票和评分权，监督生产节点诚实可靠地生产数据块；生产有效的数据块的生产节点优先进入下一轮，候选节点能够被选为生产节点，而普通节点则能够成为投票节点或候选节点。最后，不同类型的节点之间具有一定的数量关系，能够在不同类型节点的数目或网络中的节点总数发生变化时动态调整参数，从而使得算法适应动态网络。通过性能仿真分析可知，VPBFT算法相较于PBFT、DDBFT、CBFT等共识算法，具有低能耗、低时延、高容错性和高动态性。     

基于推荐信任模型改进拜占庭容错共识算法

针对拜占庭容错算法存在通信开销大、节点选取简单、对恶意节点缺乏惩罚机制的问题,提出了一种基于推荐信任模型的改进拜占庭容错共识算法。引入P2P网络下的推荐信任模型,根据节点在共识阶段的行为,计算各节点的全局信任值,使用节点选取机制,解决节点选取简单的问题。全局信任值高的节点进入共识组,恶意节点被踢出共识组不再参与共识,解决恶意节点缺乏惩罚机制的问题。实验表明,R-PBFT较PBFT具有更低的网络开销和更高的容错性。     

基于信誉机制的改进PBFT共识算法

针对实用拜占庭容错共识算法（practical Byzantine fault tolerant,PBFT）通信开销大和缺乏奖惩机制的问题,提出一种基于信誉机制的改进PBFT共识算法RPBFT（reputed practical byzantine fault tolerance）。首先,引入信誉机制对节点评分,将参与共识的节点分为收集器节点和普通共识节点,并对恶意节点进行惩罚。其次,收集器节点负责收集普通共识节点的投票消息,避免普通共识节点之间的通信,从而降低通信开销。最后,当普通共识节点中的拜占庭节点均无恶意行为时,通过增加收集所需的投票数量,减少一次投票收集过程,实现快速共识。实验结果表明,RPBFT能够有效地发现恶意节点并对其作出惩罚,同时具有更低的通信开销、平均共识时延以及更高的共识吞吐量。当节点总数为37时,与SBFT相比,RPBFT将平均共识时延降低25.2%以上,并将共识吞吐量提高39%以上。