状态分片下多轮PBFT验证的优化研究

来源 :大连海事大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sunrise12345678
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随着以“元宇宙”为代表的应用在国内外多个领域的迅速扩展,区块链容量局限性的问题日益凸显,扩容成为了区块链亟需解决的主要难题。在现有的扩容方案中,分片技术被认为是目前最有效的解决方案,其中,状态分片是目前的主要方法。但是,当在分片内采用确定型的实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)共识算法时,为了保证分片的安全性且防止合谋攻击,已有的分片方案中普遍存在因采用过多验证节点导致共识过程中的通信复杂度过高,且验证节点数量导致的交易验证有效性与安全性之间的矛盾等问题。针对上述问题,本文在采用随机分配算法对节点进行分配的基础上,借鉴“分而治之”的思想,提出了多轮PBFT验证的优化(Optimization of multi-round PBFT verification,OMRPV)方案。该方案在每个时隙,从分片内已完成状态同步的节点中,选取少部分节点组成共识验证节点集合,以大幅降低共识过程中的通信量。同时,采用多轮验证策略,既能让分片内多个不同轮次的共识验证节点集合,在同一时隙对待验证交易集合并行验证,又明显化解了共识验证节点数量导致的交易验证有效性和安全性之间的矛盾。本文的主要研究内容如下。(1)针对PBFT共识算法在共识流程中的通信复杂度过高的问题,通过从分片内选取少部分节点组成共识验证节点集合对交易并行验证,减少了参与共识的验证节点数量,降低了共识流程的通信开销;同时采用多轮验证方法,保障了系统的安全性。(2)针对节点重新分配到新的分片后,进行状态同步时无法对交易进行验证的问题,从分片内选取已经完成状态同步的节点组成共识验证节点集合,对交易进行验证,避免了节点因进行状态同步而无法立刻对交易进行验证的问题。(3)针对共识验证节点数目导致的交易验证安全性和有效性的矛盾,通过限制共识流程中通信量占带宽的比例和合谋攻击的概率,选取了合适的共识验证节点数目为Nsv={13,16},并选择合理的验证轮数。本文在实验室环境下,从交易验证率、交易平均验证轮数和交易吞吐量三方面,将本文提出的OMRPV方案与MRPV方案、Omniledger项目进行了模拟对比实验。实验结果表明,本文提出的OMRPV方案在通过多轮验证保障系统安全性的同时,通过并行验证提高了交易的验证效率,提升了系统的总体吞吐量。
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