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Hipro-HoneyBadgerBFT:一种基于并行运行机制的高性能异步共识算法

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化工自动化及仪表 2024年第2期51卷 243-254页

作者：宋静柏粉花张晓晖张弛昆明理工大学信息工程与自动化学院

在大数据时代,信息流通数量极速增长。区块链技术非常适用于数据共享系统。目前数据共享系统搭建在区块链网络中会出现一些性能方面的瓶颈。为此,在HoneyBadgerBFT共识算法的基础上,提出一种更加高效的异步拜占庭共识算法——Hipro-Hone... 详细信息

在大数据时代,信息流通数量极速增长。区块链技术非常适用于数据共享系统。目前数据共享系统搭建在区块链网络中会出现一些性能方面的瓶颈。为此,在HoneyBadgerBFT共识算法的基础上,提出一种更加高效的异步拜占庭共识算法——Hipro-HoneyBadgerBFT。该算法在不牺牲安全性的前提下,可以降低系统的计算资源,提升算法的共识效率。实验结果表明:Hipro-HoneyBadgerBFT共识算法的时延约为HoneyBadgerBFT共识算法时延的1%,吞吐量提升了7倍,CPU利用率则减少了54.09%。

关键词： Hipro-HoneyBadgerBFT共识算法数据共享分布式异步共识联盟区块链 ACS协议解耦 ACS协议划分

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区块链分片系统的异步共识设计要点探究

中国新技术新产品 2024年第18期 46-49页

作者：苏晓春盐城市盐都区社会劳动保险中心江苏盐城224001

本文详细分析了异步共识架构的设计,特别是底层和上层异步共识组的结构和功能。在底层异步共识组设计中,本文提出了一种基于超级节点的选举模型、有效的超级节点出块机制和选举机制,以优化系统性能。在上层异步共识组设计中,本文聚焦于... 详细信息

本文详细分析了异步共识架构的设计,特别是底层和上层异步共识组的结构和功能。在底层异步共识组设计中,本文提出了一种基于超级节点的选举模型、有效的超级节点出块机制和选举机制,以优化系统性能。在上层异步共识组设计中,本文聚焦于区块验证机制的实施和如何有效应对恶意节点的挑战。最后验证了异步共识设计在提高系统吞吐量和安全性方面的有效性。采用本文设计方案能够显著提升区块链分片系统的效率,并有效应对不同场景下的共识挑战,从而推动区块链技术在实际中广泛应用。

关键词：区块链分片异步共识超级节点

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基于异步共识的区块链分片方法研究

基于异步共识的区块链分片方法研究

作者：管星南京邮电大学

学位级别：硕士

区块链技术应用面临硬件需求较高、区块链系统吞吐量较低、共识机制漏洞很多、交易信息处理效果不好等问题,对基于异步共识的区块链分片方法进行了相关研究。为了更好地处理区块链系统瓶颈问题,从区块链分片技术、共识机制、跨分片交易... 详细信息

区块链技术应用面临硬件需求较高、区块链系统吞吐量较低、共识机制漏洞很多、交易信息处理效果不好等问题,对基于异步共识的区块链分片方法进行了相关研究。为了更好地处理区块链系统瓶颈问题,从区块链分片技术、共识机制、跨分片交易三方面展开探讨,本文的主要贡献概括如下:（1）为了克服区块链分片效果不好节点分配不均的问题,提出了一种基于矩阵的跳跃哈希分片算法,在高效的一致性哈希算法的基础上,结合节点信用策略和虚拟分片技术来构建区块链分片,根据节点迁移情况验证节点分布均匀性。实验结果表明,所提算法减少了分片的构建时间,比Ethereum项目快24.7%,比Zilliqa项目快18.3%。（2）为了解决区块链分片系统的共识效率不高问题,在分片技术的基础上,设计了一种由底层异步共识组和上层异步共识组构建的分层异步共识架构,并提出混合共识算法DB-PBFT（基于波达计数法的委托权益证明和实用拜占庭容错算法）,实现异步共识节点选举、节点出块、节点验证、恶意节点处理的异步共识过程,可更好地适应异步环境,且不会过度牺牲区块链系统的安全性。实验结果表明,所提异步共识架构下的混合共识算法提高了共识效率,比单独的实用拜占庭容错算法减少30.5%的共识时间。（3）为了处理区块链分片系统交易验证的性能不高问题,提出了一种区块链分片系统的跨分片交易策略。在异步共识架构的基础上,采用多分片、多次共识验证方法进行交易验证,其中的区块链跨分片交易模型通过分片交易算法和交易流程实现跨分片交易策略。实验结果表明,在不影响数据一致性的同时,所提跨分片交易策略的系统交易时延比Ethereum项目快50%,比Zilliqa项目快35%,吞吐量的增长率分别是这两个项目的5倍和0.4倍。

关键词：区块链分片技术异步共识跨分片交易

基于动态分片策略的区块链异步共识模块设计与实现

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基于动态分片策略的区块链异步共识模块设计与实现

作者：张旺北京邮电大学

学位级别：硕士

区块链是一种基于去中心化、分布式数据库技术的电子账本,具有不可篡改、可追溯、去中心化等特点。共识算法是区块链中的一种更新协议,其目的是在分散且不稳定的环境中实现各节点数据的一致性,其性能将直接影响区块链系统的效率。但是,... 详细信息

区块链是一种基于去中心化、分布式数据库技术的电子账本,具有不可篡改、可追溯、去中心化等特点。共识算法是区块链中的一种更新协议,其目的是在分散且不稳定的环境中实现各节点数据的一致性,其性能将直接影响区块链系统的效率。但是,在一般的共识算法的共识过程中,每个参与者需要多次向整个网络广播消息,造成了较高的时间复杂度。此外,随着节点数量的增加,共识效率逐步下降,缺乏横向扩展能力。并且,在延迟较高的异步网络环境下,目前大多数共识算法都难以执行正常的共识工作。本文针对上述区块链共识算法所面对的问题,面向提高共识算法的横向拓展能力和异步环境可用性两方面进行研究,提出了基于动态分片策略的异步共识算法DS-Dumbo。本文的主要研究内容如下:首先针对传统的共识算法在节点数量多的大网络下通信成本高、共识效率低缺乏横向拓展能力的问题,设计了一种异步环境下的节点权重打分策略,并依据此策略构建节点异步模式的动态分片方法,通过分片间的并发共识工作,和设计交易的智能放置策略来减少跨片交易,以此提升共识算法吞吐量、降低共识延迟;然后针对传统的共识算法难以在纯异步网络环境下进行共识工作,缺少异步环境可用性的问题,在已有的分片算法工作的基础上,通过在分片内部应用目前表现优异的DumboBFT异步共识算法,并对其进行了分片适配性优化,使整个改进后的共识算法达成高效的异步环境下的共识能力。本文在提出的改进共识算法的基础上,设计并实现了基于动态分片策略的区块链异步共识模块原型系统,对该模块进行需求分析设计完成了通信子模块、交易预处理子模块、分片子模块、共识子模块,并为共识模块搭建了可视化系统,最后展示了系统的几个功能界面介绍了共识模块的逻辑功能正确性和系统的完备性。

关键词：区块链共识算法分片技术异步共识

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异步网络模型下共识协议研究

计算机科学 2024年

作者：王迪雷航曹广平电子科技大学信息与软件工程学院中国西南电子技术研究所

随着分布式系统的发展，共识问题受到了计算机领域的广泛关注．然而FLP不可能结论指出：“在存在故障节点的异步系统中，没有确定的共识协议能够使分布式系统达成一致”，因此，该结论成为了阻碍设计异步共识协议的鸿沟．目前，研究者... 详细信息

随着分布式系统的发展，共识问题受到了计算机领域的广泛关注．然而FLP不可能结论指出：“在存在故障节点的异步系统中，没有确定的共识协议能够使分布式系统达成一致”，因此，该结论成为了阻碍设计异步共识协议的鸿沟．目前，研究者就如何规避FLP结论，已在异步共识领域进行了大量研究，本文首先通过对分布式共识问题的相关定义与理论进行分析，总结得出异步共识协议的定义，随后从规避FLP结论策略的不同，分别阐述了异步共识协议的发展脉络、实现方法与相关指标，分析总结了通过随机化、部分同步模型、故障检测器、条件限制与混合共识的方法规避FLP结论的优劣，指出了异步共识协议大多仍停留在理论阶段，难以真正实用，最后，简单探讨了共识中的等价性问题，期望可拓展共识协议的实现途径，推动异步共识协议的创新和发展．

关键词：异步共识 FLP结论随机化部分同步故障检测器拜占庭故障

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异构水面无人艇集群复合任务分配方法研究

异构水面无人艇集群复合任务分配方法研究

作者：程顺才上海大学

学位级别：硕士

水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)作为一种海上智能化无人装备,已成为执行海上任务的重要手段之一。随着任务数量、约束条件和作业范围的不断增加,任务类型由简单任务逐步演化为复合任务,执行模式由单艇执行趋向于由不同类型... 详细信息

水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)作为一种海上智能化无人装备,已成为执行海上任务的重要手段之一。随着任务数量、约束条件和作业范围的不断增加,任务类型由简单任务逐步演化为复合任务,执行模式由单艇执行趋向于由不同类型艇组成的异构无人艇集群协同执行。在协同作业中,任务分配技术是决定协同决策优劣的关键和重点。复合任务分配存在任务复杂度高、任务评分准确度低、信息同步共识耗时长等问题,而现有任务分配算法难以满足复合任务动态分配实时性需求。本文以探测型和打击型无人艇组成的异构无人艇集群为研究对象,针对区域探测和拦截打击复合任务场景,研究多目标优化任务分配方法,从而提升异构无人艇集群任务分配效率。本文提出的异构无人艇集群复合任务分配方法在3D海洋仿真环境中进行了实验应用。具体研究工作如下:1)本文通过对场景约束与评价指标进行分析,建立了多目标优化任务分配问题模型,并制定相应的任务规划方法。通过分析各种因素对完成任务的影响,构建任务时间、协同限制、无人艇任务类型、任务数量、优先级等约束条件,并通过对行驶总航程、完成任务总数量和任务执行时间差值的分析,总结任务分配评价指标。在考虑上述三种评价指标的基础上建立多目标优化任务分配问题模型,制定相应的任务规划方法。通过协调控制与动态规划,保证任务分配在不稳定海面和复杂多变执行环境下的稳定性。2)针对复合任务复杂度高导致分配冲突以及任务评分准确度低导致任务分配结果性能降低的问题,提出了一种分布式复合任务分配算法。该算法拓展了基于共识的捆绑算法(Consensus Based Bundle Algorithm,CBBA),以解决更加现实和复杂的场景问题。拓展分为两个方面,一方面是解决需多艘异构无人艇协同完成的复合任务分配问题,另一方面是考虑实际场景中的任务评分。通过复合任务分解、子任务消除和重规划策略,解决复合任务分配问题;利用改进的A*算法和直线规划计算任务的距离代价,并结合评价指标提出了一种新的任务评分函数。最后,通过仿真实验验证了该拓展算法的有效性。3)针对无人艇间因本地任务全局分配导致任务分配算法收敛时间延迟的问题,提出了一种基于局部子网络的本地任务分配算法。在分布式复合任务分配算法的基础上,将无人艇传感器探测到的本地任务通过网络消息传递步数,限制网络通信,动态形成局部子网络,并在子网络内对该本地任务进行传播与分配。同时提出了一种全局检测策略,以解决由于网络中断或无人艇传感器探测范围导致的全局分配冲突问题。仿真实验结果表明,该算法不仅保持了基于共识的捆绑算法稳健的收敛性,还在限制网络通信下产生与完全通信几乎等同的解决方案,在加快收敛速度的同时减少了网络通信需求。4)针对无人艇间因信息共识的同步性导致任务分配算法通信信息量增加与收敛时间延迟的问题,提出了一种基于用户数据传输协议(User Datagram Protocol,UDP)的异步任务分配算法。该算法在基于局部子网络的本地任务分配算法的基础上,采用UDP的通信方式,通过广播和新的冲突消除协议达成异步共识。对无人艇态势感知发生巨大变化的情况,进一步提出了异步本地重分配策略。仿真实验结果表明,该算法在保证与基于局部子网络的本地任务分配算法产生近乎一致解决方案的前提下,大幅减少了无人艇间传播的信息量,同时提升算法收敛速度。最后,通过搭建总控和航控模块,实现了异构无人艇集群复合任务分配方法在3D海洋仿真环境中的实际应用。

关键词：无人艇异构集群复合任务分配局部子网络异步共识

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面向数据共享的区块链共识算法研究

面向数据共享的区块链共识算法研究

作者：宋静昆明理工大学

学位级别：硕士

在如今的大数据时代中,社会高速发展,信息流通的数量在极速增长。数据共享系统则可以进行更高效的数据传输,便于数据实现的功能。因为参与机构各自的研究目标差异及信息完备程度不同等,各系统之间无法建立高效的互连和资源共享,数据孤... 详细信息

在如今的大数据时代中,社会高速发展,信息流通的数量在极速增长。数据共享系统则可以进行更高效的数据传输,便于数据实现的功能。因为参与机构各自的研究目标差异及信息完备程度不同等,各系统之间无法建立高效的互连和资源共享,数据孤岛现象仍相当严峻。区块链技术是目前比较热门的研究,具有可追溯性、防篡改以及去中心化的特点,与数据共享系统有很高的契合性。区块链技术保障了数据共享系统的安全性,且区块链中的共识算法是提升性能表现的关键。然而,现有的如工作量证明等共识算法面临吞吐量低、延迟高以及计算资源较高等问题。因此,为了解决数据共享系统中的瓶颈问题,本文通过对区块链共识算法进行深入研究,在保障区块链网络安全性的前提下提出了更加高效的共识算法,即Improved Po A共识算法和Honey Badger BFT共识算法,旨在提升分布式数据共享系统的性能表现。本文的主要研究工作如下:1.基于Proof of Authority(Po A)共识算法(下文将Proof of Authority共识算法简称为Po A共识算法),本文提出的Improved Po A共识机制。该算法应用于联盟区块链实现分布式数据共享系统,在不牺牲安全性的前提下来提升数据共享系统的共识效率。Improved Po A共识算法中的“区块等待队列”主要用于实现区块的生成和验证过程并行执行,提高共识的效率。在Improved Po A共识算法中,将验证节点合理的划分为多个验证小组,每组验证节点之间并行的验证不同数据事务区块,使得大量待验证的区块被同时进行验证,以此来提高共识的效率,降低延迟。2.本文在Honey Badger BFT共识算法的基础上给出了一个效率更高的异步拜占庭共识算法Hipro-Honey Badger BFT。该算法通过采用并行运行机制与解耦ACS协议的方案,在ERBC协议和ABA协议中增加若干暂存池,同时在可靠广播协议中选取部分ERBC实例以此来降低后续ABA实例的数量,减少ACS协议达成一致过程中节点之间的通信量,优化算法中的计算资源。该算法适用于异步环境下,将共识算法流程分为两个区域,使得广播过程和共识过程并行执行,避免两者相互牵制。该算法在不牺牲安全性的前提下,降低系统的计算资源,提升算法的共识效率。3.对本文提出的Improved Po A和Hipro-Honey Badger BFT共识算法进行验证与评估。经过本文的实验结果表明,在未牺牲系统安全性的前提下,提出的Improved Po A共识算法比Po A共识算法提高了27.65%的吞吐量,减少了21.66%的延迟。Hipro-Honey Badger BFT共识算法大幅度降低了数据共享系统的延迟,提升了吞吐量,在CPU利用率方面减少了54.09%。

关键词：区块链数据共享共识算法异步共识

基于信任优化的共识算法的区块链知识共享研究实验测试及分析

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贵阳学院学报（自然科学版） 2023年第4期18卷 32-37页

作者：陈海宇肇庆医学高等专科学校公共卫生学院广东肇庆526020

针对当前区块链的相关共识算法在知识共享中面临网络延迟类型的应对困难,研究为提高区块链的安全性能与网络动态适应能力,在DAG和RapidChain的基础上提出了DAG-Dumbo算法以及ProRapidChain算法,并利用实验对其性能进行验证。实验结果表... 详细信息

针对当前区块链的相关共识算法在知识共享中面临网络延迟类型的应对困难,研究为提高区块链的安全性能与网络动态适应能力,在DAG和RapidChain的基础上提出了DAG-Dumbo算法以及ProRapidChain算法,并利用实验对其性能进行验证。实验结果表明,DAG-Dumbo算法的吞吐量比Dumbo算法提高了25%,而DAG-Dumbo算法在带宽达到3000 kbit/s后仍然有所提高。同时,DAG-Dumbo算法时延远低于Dumbo算法,最高不超过2 s。另外,当时间数目为5时,ProRapidChain的平均吞吐量为9×10^(4)(tx/s),远远超过RapidChain的平均吞吐量。并且ProRapidChain算法能够对所有的恶意节点进行有效的识别,而每一个委员会的正确节点数量稳定在88%。综合来看,DAG-Dumbo算法有效地提升了区块链中异步共识算法的效率,增强了异步网络环境的支持度。同时ProRapidChain算法也有效提升了区块链的安全性和适应能力。对实际的区块链知识共享具有重要意义。

关键词：信任优化异步共识区块链知识共享