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考虑节点差异性的区块链分片技术研究

考虑节点差异性的区块链分片技术研究

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作者：高耀芃西安石油大学

学位级别：硕士

区块链技术具有去中心化、开放性、防篡改性、匿名性、可追溯性等特点,具有广阔的发展前景,然而区块链的可扩展性是区块链需要解决的关键技术之一。比特币每秒最高7笔的吞吐量,以太坊最高也只达到了数百笔的每秒吞吐量,显然典型的区块... 详细信息

区块链技术具有去中心化、开放性、防篡改性、匿名性、可追溯性等特点,具有广阔的发展前景,然而区块链的可扩展性是区块链需要解决的关键技术之一。比特币每秒最高7笔的吞吐量,以太坊最高也只达到了数百笔的每秒吞吐量,显然典型的区块链应用无法满足互联网应用中每秒几万笔的交易量需求,区块链的可扩展性严重地影响和制约着区块链技术的落地。本文围绕区块链可扩展性进行研究,采用分片技术,构建了区块链分片模型,该模型将原有的区块链单链结构划分为多个子链,通过并行处理交易,提高系统的交易吞吐量。在此基础上,本文从区块链安全性角度出发,重点研究了网络分片算法,提出了考虑节点算力的网络分片算法(a blockchain network sharding algorithm considering node power,NPNS)和考虑节点公信度的网络分片算法(a blockchain network sharding algorithm considering node credibility,NCNS)。本文主要研究内容如下:(1)为了优化区块链性能,本文采用分片技术,构建区块链分片模型。重点研究了网络分片,分析了制约网络分片的因素以及网络分片的目标。在此基础上,从系统吞吐量以及系统安全性方面分析了区块链分片模型的性能。通过分析可知,系统的吞吐量与分片粒度呈线性正增长关系,系统的安全性与分片粒度呈现反比关系。(2)为了解决网络分片中算力分配不均,而导致系统安全性差的问题,本文从系统安全性角度出发,提出考虑节点算力的网络分片算法。该算法在进行网络分片时,不仅考虑节点分配的随机性,而且还兼顾到节点算力的差异性,有效地避免了低算力分片的出现。实验表明,在不同分片粒度下,与现有的Monoxide、Omniledger和Zilliqa算法相比,NPNS算法在分片算力的全网占比、分片内节点差异度、分片间算力差异度等性能指标上均优于其他算法。因此,该算法既能保证分片内节点的算力均衡,又能保证分片间算力均衡,有效地解决了算力分布不均引起的系统安全性差问题。(3)为了避免网络分片中恶意节点被分在同一分片而引起的合谋攻击问题,本文提出考虑节点公信度的网络分片算法。该算法在网络分片时,考虑到节点行为特征,引入节点公信度的概念,分片时综合考虑节点的公信度和节点算力,从而提高网络分片的安全性。实验表明,在不同分片粒度下,与现有的Monoxide、Omniledger和Zilliqa算法相比,NCNS算法在分片公信度、分片内节点差异度、分片间算力差异度等性能指标上均优于其他算法。因此,该算法能均衡分片间公信度,有效地解决分片内恶意节点聚集而引发的算力攻击问题。

关键词：区块链分片技术算力稀释算力均衡公信度

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