区块链共识算法改进及其性能优化研究

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近年来,区块链由于其去中心化、匿名性、不可篡改和可溯源等特性受到广大学者和专家的关注和研究,并得到政府的大力支持和推广,尤其是在金融、征信、产权、公益等领域的应用正在如火如荼的进行。共识机制作为区块链底层的关键技术之一,对区块链交易验证的吞吐量、时延、共识结果的可靠性、共识流程的安全性等方面起着决定性作用,要想实现区块链技术的真正落地应用,就必须对共识机制面临的瓶颈进行突破。以工作量证明算法、权益证明算法、拜占庭容错算法等为代表的共识机制及其相关研究,也致力于在安全性、活性、容错性等方面寻找合适的平衡点。通过对目前主流的共识算法学习分析,总结讨论其思想原理,借鉴联盟链中常用的实用拜占庭容错算法思想,为改进其不足并优化其性能表现,本文提出一种优化的实用拜占庭容错算法,具体工作贡献如下:(1)分析区块链技术及各种代表性共识算法的思想原理,对实用拜占庭容错共识算法协议流程进行剖析和梳理,为解决其节点交互频繁带来的大量通信开销问题,提出一种基于区块证明和超时机制的简化一致性协议流程,这不仅简化了节点交互,而且提高交易验证效率。此外,基于区块证明的信息交互还能识别拜占庭节点,通过整合拜占庭节点检测和降级机制,对涉及干扰共识达成恶意行为的节点进行标记,并在共识结束时及时将其剔除出共识节点列表,促使共识团体的可信度不断提升。(2)比特币、以太坊中任意类型节点可随意进出,联盟链虽然对节点设置了准入机制,但也不能完全排除存在节点不可信的现象,针对现有算法缺乏对共识节点的筛选评估问题,本文分析了不同节点类型在共识过程中可能的行为表现,给出了一个衡量节点可信度的方法,并构建信誉模型依据其行为表现来对节点诚实度进行量化分析与动态调整。(3)研究发现当前共识算法在共识流程执行前,就将主节点身份公之于众,忽略了对关键节点的保护,针对这种现象,本文引入可验证随机函数的思想,主节点在区块提案的同时才将自己主节点身份一起广播出去,在一定程度上增加恶意节点作恶难度,降低恶意节点的增加给共识过程带来的影响。(4)实验分析在共识节点数量、恶意节点数量、时间等因素影响下,该算法在吞吐量、时延、安全性、可靠性等方面相对于传统实用拜占庭容错算法具有更好的性能表现。
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