基于联盟链的高性能区块链系统关键技术研究

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区块链作为一种去中心化的分布式账本系统受到世界的普遍关注。联盟链作为区块链中的一类,具有高性能、强可控性的特性,其弱中心化的特点也更符合企业属性。因此高性能联盟链系统关键技术研究也是区块链技术研究的一个重要方向。目前对于联盟链系统的性能提升研究主要致力于共识算法的优化,而分片技术的加入能够进一步提高联盟链的扩展性,但是现有的分片协议大多针对公有链系统设计,甚至部分需要硬件依赖。因此,基于联盟链的共识机制优化和通用的分片协议有着重要的研究意义。本文旨在通过共识算法的优化,结合基于联盟链的通用分片协议和系统架构优化,实现高性能联盟链系统,最后进行系统性能基准测试。本文的主要内容如下:(1)针对实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)扩展性差的问题,提出了一种快速共识算法,该算法通过优化交易验证流程以及主节点根据当前交易量调整验证节点数量以减少消息规模,并结合积分奖惩制度设计了一种动态交易确认双链系统。相较PBFT算法实现的联盟链系统,该系统在多节点情况下拥有更少的资源开销,并且同节点数量下TPS至少提升21%,缩短交易完全确认延迟约2.6%,适用于一些节点出入频繁,网络或者节点设施性能较差的环境。(2)针对Elastico分片协议时延长、委员会开销大的问题,提出快速验证审查分片协议,将上文的快速共识算法作为委员会内部共识算法,在区块打包的同时写入区块审查信息,并运用类似Bitcoin-NG的微区块理念,减少委员会重组开销,有效利用所有共识节点资源,最终实现具有强可扩展性的高性能联盟链系统。该系统相较于Elastico分片协议实现的联盟链系统,系统吞吐量提升约26%,区块完全确认时延减少至少23%。(3)探究其他可能影响区块链系统性能的因素,并通过实验数据初步确定较为合理的取值范围,对系统存储模型、网络模型以及节点模型进行对应优化,并结合联盟链的共识机制和分片协议的研究,最终实现具有实际应用价值的高性能联盟链系统,通过仿真实验验证优化效果。
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