区块链共识算法的研究与优化

作     者：隋星原 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王峰;刘东亚

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)] 

主      题：区块链 共识算法 PoW PoS PBFT 物联网 

摘      要：随着比特币的出现,其底层技术区块链因为去中心化、防篡改等特点在货币金融、医疗、科技、物流甚至政治等领域迅速发展,成为各行各业的热门,有着广阔的应用前景。其核心技术共识算法,决定着系统一致性和共识问题,但却存在很大的局限性和不足,限制着区块链技术的应用。其中公有链工作量证明(Po W)共识算法的资源消耗过大、共识时延过长,影响了交易速度;联盟链实用拜占庭容错(PBFT)共识算法的可拓展性较差、通信开销过大,影响了系统的动态灵活性和效率。基于此,本文在不同场景下提出了三种共识算法的改进和优化方案,主要内容如下:(1)针对Po W共识算法中存在的网络性能太低、资源浪费、算力集中化等缺陷,面向公有链设计并提出结合权益证明的新式工作量证明共识算法。因Po W算法无限期的挖矿时间导致交易时延过长,提出一个期望时间机制,交互使用类权益证明进行出块,降低交易时延;增添挖矿时间作为权重之一,优化权益证明参数,解决其余节点挖矿浪费时间能源和权益证明公平性问题;为避免过于倾向某一种共识机制的平衡性问题,提出动态调整难度机制,根据实际出块时间不断调整挖矿难度值。通过实验验证,IPo W算法具有高性能,低耗能,出块时间稳定,选举公平等特性。(2)针对PBFT算法中存在的可拓展性差,吞吐量低,开销高等缺陷,面向联盟链设计并提出基于交互证明的拜占庭容错共识算法。首先,将所有节点分为普通节点,候补节点,核心节点三类,执行不同的三个分工和阶段;其次,使用结合权益证明的工作量证明共识算法IPo W,为普通节点能够高效、准时并公平的选出候补节点;最后,结合编号身份机制将参与共识的节点数量限制到一个恒定值。实验结果表明,提出的IPPBFT算法相较于PBFT算法,拥有出色的可扩展性、高吞吐量和低开销。(3)针对PBFT算法无法满足物联网中节点可自由加入、数目多、信息量大导致交互过程共识时延过长、吞吐量低,和安全性的问题,提出一种基于K-means++聚类的双层拜占庭容错共识算法。该算法根据节点间相互最远距离为中心进行聚类,在聚类内部参与共识,由信誉机制评选聚类簇中可靠节点代表各聚类间进行共识,即双层共识。实验结果表明,DL-PBFT算法可降低节点交互的次数、共识时延,排除出错节点,同时提高系统吞吐量和节能效率。