基于实用拜占庭容错的区块链共识算法研究

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近年来,区块链技术受到了国内外的广泛研究和关注,随着区块链技术的发展,其应用也从金融扩展到交通、能源、医疗等领域。共识算法作为区块链的核心,定义了节点间就数据状态达成一致的规则,是决定区块链系统性能的关键。但目前共识机制在资源消耗、时间延迟、吞吐量等方面存在的问题日益突出,影响着区块链技术的发展。因此,本文对区块链中实用拜占庭容错共识算法(Practical Byzantine Fault Tolerant algorithm,PBFT)进行研究,主要工作如下:针对PBFT算法中缺乏激励机制和惩罚机制,系统性能易受故障节点和拜占庭节点影响的问题,提出一种适用于PBFT算法的动态信任模型。该模型基于贝叶斯理论,依据节点间的历史行为评价和当前行为评价对节点进行信任度评估,预测节点的后续行为。设计信任消耗机制,保证节点的参与度;设计信任恢复机制,给予低信任度节点再次参与共识和积累信任度的机会,提高节点的积极性。引入信任等级机制,依据节点信任度赋予其不同的等级和权限,降低故障节点和拜占庭节点对共识过程的影响。实验结果表明,该模型能有效排除拜占庭节点,提高系统的可靠性。针对PBFT算法随着节点数量的增加,网络中通信量急剧上升,共识效率迅速下降的问题,提出一种基于动态信任模型的分组拜占庭容错算法(DGBFT)。该算法使用动态信任模型评估节点信任度,改进轮询选取主节点规则,提高系统的稳定性。采用哈希取模方式将网络中的节点随机分组,形成一个多中心层次化的网络结构,共识在组内和组间分别进行,共识结果自下而上逐层传递,通过将共识任务划分到各组的方式,减少网络中的通信量,提高共识效率。实验结果表明,该算法能有效减少通信开销,降低共识时延,提高吞吐量,具有良好的稳定性。
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