基于动态可扩展的拜占庭容错算法研究

作     者：宋宇哲 

作者单位：大连交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑广海

授予年度：2023年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：区块链 共识算法 拜占庭容错 投票机制 随机性 动态性 

摘      要：区块链作为一种潜在的革命性技术,经常被用于加密货币中按时间顺序记录多方之间的交易。由于区块链的快速发展和去中心化,区块链技术已经被应用到更广泛的场景中,如智能工厂、边缘计算、供应链和智慧城市等。在区块链中,共识算法起着至关重要的作用,它解决了参与者之间对交易结果达成共识的问题。然而,随着网络环境的复杂性和网络用户数量的不断增加,目前流行的共识算法中存在的可扩展性差、代表节点选举不公正、消息传递效率低、通信开销大、不支持动态性等问题。为了提高共识过程的效率、公正性的同时使得共识算法具有动态性,本文提出了两种实现拜占庭容错(Byzantine Fault Tolerance,BFT)的共识算法。本文的主要研究内容如下:首先针对以股份授权证明(Delegated Proof of Stake,DPo S)为代表的拜占庭容错共识算法中存在的可扩展性差、节点选举不公正性、效率差等问题,提出一种基于随机分组的拜占庭容错算法(Random Grouping-Based Byzantine Fault Tolerant Algorithm,RG-BFT)。在RG-BFT算法中提出了一种随机选择算法,该算法的主要思想是从所有的节点中公平的选取一些代表性的节点来执行(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)算法来进行共识。通过对随机选择算法的分析,RG-BFT能够在大规模区块链网络中有效减少了参与共识过程的节点数量,同时能够满足随机性和公正性等特点。通过实验证明,在保证系统活性的前提下,随机选择算法的平均时延控制在毫秒级别,即使系统中有1000000个节点,来选择300个代表节点也仅需要272.48ms加速了系统达成共识的速度并有效提高了共识算法的可扩展性。针对以PBFT为代表的拜占庭容错共识算法中存在的强领导性、通信开销大、不支持动态性等问题,本文提出一种基于改进Quorum的动态拜占庭容错算法(Improved Quorum-Based Dynamic Byzantine Fault-Tolerant Algorithm,IQ-DBFT)。该算法设计了基于区块哈希的投票共识机制并与上文提出的随机选择算法相结合,有效减少了共识过程中的节点数量和通信的消息数来降低通信开销,同时避免了共识的强领导性。为了使得共识算法具有动态性,IQ-DBFT设计了一个基于改进的Quorum方法来处理动态节点的离开/加入。通过对IQ-DBFT算法的分析,该算法在保证系统活性和安全性的前提下,有效降低了共识过程的通信开销,也能够让网络中的节点动态的离开/加入。实验结果表明,IQ-DBFT算法能够在大规模的网络中实现较低的共识时延和通信开销,又能实现相当高的交易吞吐量。