EB-bft:区块链中可伸缩BFT共识协议的研究

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目前区块链技术越来越多的应用到各领域的业务中,解决了处理业务中的信息孤岛和分散建设等问题,使得跨地区、跨组织、跨部门的业务能够实现信息共享与流转。但随着区块链系统内业务的增加,区块链的性能却成为限制业务吞吐量的瓶颈。在交易量变化幅度较大,且区块链网络中的节点性能参差不齐的场景中,如何提高区块链的吞吐量,降低交易延迟,已经成为重要的研究课题。此前,在分布式系统中关于通过批量处理来增加吞吐量的研究已有很多,虽然区块链也是分布式的,但是其与传统的分布式系统还是有本质的区别,所以关于分布式系统在提高吞吐量方面的研究不能照搬到区块链上,但仍有一些优秀的思想可以借鉴。区块链领域也有关于通过调整批量共识数量来增加吞吐量的相关研究,但是这些研究只局限于证明通过批量共识可以增加吞吐量,没有人提出根据区块链的当前物理资源状态如何动态调整批量共识数量的具体方案。本文在PBFT共识机制的基础上进行改进,提出一种运用于区块链系统中的可伸缩BFT共识协议。该协议可根据业务交易量和物理资源变化而动态改变参与共识节点数量和批量共识交易数量。首先,改变区块链中交易的数据结构,使其满足当前节点间相互传递物理资源的需求;然后,利用ARIMA模型预测出主节点交易请求队列长度,利用LSTM模型预测出区块链系统的吞吐量,作为后续动态调整的依据;根据节点的性能识别出区块链网络中的短板节点,暂停其参与共识,以提升区块链效率;根据当前主节点的交易接收速率,动态伸缩共识节点数量,以提高区块链吞吐量;根据当前的区块链网络中节点的物理资源和网络资源条件动态伸缩共识交易数量。最后,通过一系列实验验证本文提出的可伸缩BFT共识协议能够针对业务的交易量,及时地、动态地、细粒度地调整参与共识的节点数量和批量共识交易数量,达到增加区块链吞吐量、降低交易延迟的目的。当交易时间延迟上限设置为15秒时,区块链的吞吐量能达到20000bps。
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