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基于分片技术构建可扩展性和可信的区块链研究

基于分片技术构建可扩展性和可信的区块链研究

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作者：景才实河北大学

学位级别：硕士

分片技术作为突破区块链可扩展性的主流方法之一,可以将整个网络分成若干个子组并行处理多组事务。然而,分片技术的引入还带来了如下挑战。首先,在重构阶段基于随机性的简单分片,对于防御各种恶意攻击的区块共识程序来说是不够可靠的。... 详细信息

分片技术作为突破区块链可扩展性的主流方法之一,可以将整个网络分成若干个子组并行处理多组事务。然而,分片技术的引入还带来了如下挑战。首先,在重构阶段基于随机性的简单分片,对于防御各种恶意攻击的区块共识程序来说是不够可靠的。其次,随着分片数量的增加,跨分片交易的比例可能会变得非常高,导致通信成本增加,系统平均吞吐量下降。由此可见,设计更安全的重分片机制,解决跨分片交易带来的挑战是很必要的。为了解决上述挑战,本文主要做了如下研究:1.针对重构阶段随机分片凸显出来的安全问题,提出了基于布谷鸟规则的安全、高激励和低时延的区块链分片方案Cuck Chain。Cuck Chain在重配置阶段允许重新配置委员会成员,通过遗传算法和布谷鸟规则的优化规则进行重构,使得新节点在委员会中可以并行加入,而不是以往的串行加入,有效的解决重构时间较长的问题;其次,根据共识的投票结果,可以确定节点的行为是否诚实,从而计算每个节点的信誉分数,建立信誉机制可以平衡每个委员会的诚实节点和恶意节点的分布,减少恶意攻击的成功概率。最后进行实验评估,结果显示,Cuck Chain系统的吞吐量达到了10149 TPS,用户的平均感知延迟为9.2秒,在潜在攻击下的平均吞吐量达到了4728 TPS。证明了Cuck Chain可以有效的提高系统吞吐量和安全水平。2.针对跨分片交易比例较大的问题,提出了基于账户分区的可信区块链分片方案Part Chain。Part Chain基于bi-kmeans聚类的方法建立账户分区网络,将交易频繁的账户分配到一个分区,共用一个账本,减少了跨分片交易的产生;其次,为了提高账户分区的可用性,要对账户分区进行定时更新,这要求设计状态块数据结构来存储账户的信息,使得节点可以查询账户转移历史账单,保障账户信息的安全可靠;再次,设计了跨分片共识交易方法保证跨分片交易的安全性。最后进行实验评估,评估结果表明,相较于传统方案,Part Chain方案的跨分片交易比率下降了30%～67%,并拥有较高的吞吐量和较低的确认延迟。同时,随着恶意节点百分比的增加,Part Chain方案的吞吐量下降速率比主流分片方案要低34%～39%。证明了Part Chain可以有效的降低跨分片交易比例,具有安全可靠的性能,使分片技术发挥出更大的潜力。

关键词：区块链分片账户分区跨分片交易布谷鸟规则

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