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动态可扩展的分级pbft算法研究

动态可扩展的分级PBFT算法研究

作者：霍媛媛西安邮电大学

学位级别：硕士

区块链作为一种去中心化的分布式系统,能够在不可信的网络环境中确保全网账本数据的一致性和可靠性,共识算法作为其核心要素,直接影响区块链系统网络的性能指标。实用拜占庭容错算法pbft是联盟区块链中的主流共识算法,在无需大量算力资... 详细信息

区块链作为一种去中心化的分布式系统,能够在不可信的网络环境中确保全网账本数据的一致性和可靠性,共识算法作为其核心要素,直接影响区块链系统网络的性能指标。实用拜占庭容错算法pbft是联盟区块链中的主流共识算法,在无需大量算力资源的情况下解决了拜占庭将军问题,确保了分布式系统中节点数据的一致性。但是pbft算法中主节点选取方式随意,节点可靠性难以保证,且pbft算法的共识过程依赖于全网节点的相互通信,节点数量增加时通信开销将迅速增大,限制了系统的可扩展性。另外pbft算法仅支持静态网络结构下的一致性协议执行,节点动态变化需重启系统,影响了系统的可用性。随着联盟链应用领域多样化的发展,pbft算法存在的通信资源浪费、运行低效等问题,难以满足现有应用领域对区块链性能的需求,一定程度限制了联盟链进一步的发展。本文针对pbft算法系统动态性差、共识效率低、通信复杂度高等问题,提出了基于一致性哈希和随机选取的共识算法以及基于门限签名的分级共识算法,从不同角度对pbft算法进行改进以提高共识效率及相关性能。本文主要研究内容如下:(1)提出一种基于一致性哈希和随机选取的CRpbft共识算法。首先通过一致性哈希对节点进行分组,并引入节点动态变化机制实现系统的动态网络结构。其次将节点划分为不同的信誉层次,基于信誉值构建可靠的共识集群,并利用可验证随机函数从高信誉值节点中选取可靠且难以被恶意预测的主节点。实验分析表明CRpbft算法在共识时延、吞吐量和系统稳健性等方面具有更好的表现。(2)提出一种基于门限签名的分级共识算法TGBFT。该算法在CRpbft算法改进的基础上,对pbft算法中的共识结构及共识过程进行优化,设计了一种组间共识和组内共识的分级共识结构。采用改进后的二阶段pbft共识过程完成组间共识,组内则基于门限签名技术进行共识。最后基于门限签名技术对pbft中的视图转换协议进行改进,性能对比分析表明,TGBFT算法具有较低的通信复杂度和良好的可扩展性,适用于更大规模的区块链系统。(3)设计并实现基于区块链的房源信息存储与共享系统。结合提出的CRpbft算法与TGBFT算法搭建该系统,通过系统对本文改进算法的可用性及有效性进行验证。最后对系统的相关接口及功能模块进行测试,验证了系统的正确性和稳定性,表明本文所提CRpbft共识算法与TGBFT共识算法能够有效满足区块链应用的实际需求。

关键词：区块链 pbft算法信誉机制门限签名可扩展性

基于改进pbft算法的区块链中Sybil攻击防御方法研究

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基于改进PBFT算法的区块链中Sybil攻击防御方法研究

作者：薄尊旭北京工业大学

学位级别：硕士

随着区块链技术越来越受到人们的关注,区块链技术在实际应用中的安全问题也显得日益重要。从技术的本质上来说区块链是一个去中心化的数据库,在金融、医疗、物流运输等诸多方面展现出了巨大的潜在应用价值。但由于区块链中的网络架构采... 详细信息

随着区块链技术越来越受到人们的关注,区块链技术在实际应用中的安全问题也显得日益重要。从技术的本质上来说区块链是一个去中心化的数据库,在金融、医疗、物流运输等诸多方面展现出了巨大的潜在应用价值。但由于区块链中的网络架构采用的是P2P的网络架构,容易遭受Sybil攻击。Sybil攻击是由恶意节点通过伪造多个虚假身份加入到区块链网络中并试图对网络产生恶劣影响,通常配合Eclipse攻击一同来发起攻击。当区块链中的正常节点受到攻击时,无论是发出还是接收的请求信息都可能被Sybil节点截获并进行篡改,如果正常节点收到的信息是被Sybil节点篡改过的,那么就无法进行正常的共识过程,破坏网络的拓扑结构,阻碍区块链中的节点达成共识,从而为自身谋取不正当的利益。Sybil攻击不仅会破坏P2P网络中资源共享的安全性、消耗正常节点的计算资源,严重时甚至会控制整个网络系统,因此这种攻击对区块链技术有着极大的危害。为了防御区块链中的Sybil攻击,通过对pbft算法进行改进,提出了一种基于改进pbft算法防御区块链中Sybil攻击的方法。本文主要的研究内容如下:(1)本文提出的pbft共识算法的改进设计借鉴基于权益证明(POS)的共识算法的思想。将节点的信誉值大小和节点在共识过程中的投票权重相联系,通过在区块链节点中建立信誉模型根据各节点共识过程中的行为来计算节点的信誉值,并依据信誉值的大小赋予节点不同的话语权。(2)同时在改进的pbft共识算法中加入了Pre-Commit阶段来减少节点间通信的次数,提高节点间共识的效率。并且根据节点信誉值的大小和可信状态来更新共识过程中有问题的主节点,并且选取信誉值最高的节点作为主节点。(3)最后对改进后的共识协议进行形式化证明,通过实验证明改进后的共识协议仍然是安全的,可以有效的防御区块链中的Sybil攻击。

关键词：区块链 Sybil攻击 pbft算法信誉模型话语权

基于改进pbft算法的区块链模型测试与实现

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长江信息通信 2023年第9期36卷 80-82,85页

作者：陈佶中国移动通信集团湖北有限公司湖北武汉430020

主要研究传统的pbft共识算法和DPOS共识算法的不足之处,然后根据两种算法的缺陷,从优化区块链共识性能的角度,将两种算法结合形成新的共识算法,改进之后的算法,可以实现节点的减少视图切换,节点动态性增减,减少带宽开销,提升交易吞吐量... 详细信息

主要研究传统的pbft共识算法和DPOS共识算法的不足之处,然后根据两种算法的缺陷,从优化区块链共识性能的角度,将两种算法结合形成新的共识算法,改进之后的算法,可以实现节点的减少视图切换,节点动态性增减,减少带宽开销,提升交易吞吐量以及优秀系统时延性能几个方面优点,并且分别从吞吐量和创建账户事务时延以及带宽开销的实验数据来做对比分析,进而说明对传统pbft算法改进的效果。

关键词：区块链共识算法 pbft算法 DPOS算法

一种基于环签名的pbft区块链共识算法改进方案

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计算机工程 2019年第11期45卷 32-36页

作者：方轶邓建球丛林虎刘崇屹海军航空大学岸防兵学院山东烟台264001 中国人民解放军91049部队山东青岛266000

联盟链是一种允许授权节点加入网络的区块链,当存在网络状况不理想等状况时,会出现节点动态加入退出的问题。为此,在环签名理论、ElGamal数字签名算法与pbft算法的基础上,提出一种基于ElGamal数字签名算法的环签名改进方案。对环签名算... 详细信息

联盟链是一种允许授权节点加入网络的区块链,当存在网络状况不理想等状况时,会出现节点动态加入退出的问题。为此,在环签名理论、ElGamal数字签名算法与pbft算法的基础上,提出一种基于ElGamal数字签名算法的环签名改进方案。对环签名算法进行正确性及匿名性分析,运用环签名方案改进pbft算法的签名及验证过程,使用Fabric中的区块链性能测试框架Caliper对改进方案进行性能测试,结果表明,基于环签名方案的改进pbft共识算法可较好地解决网络中节点动态加入退出问题,且能够达到原pbft算法的拜占庭节点容错率,具有一定的实用性。

关键词：区块链 ElGamal算法 pbft算法环签名共识算法

基于奖励积分机制的高效拜占庭容错算法DIG-pbft

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中南民族大学学报（自然科学版） 2024年第2期43卷 238-244页

作者：吴言蓝雯飞王俊张潇谢元艾向鑫中南民族大学计算机科学学院武汉430074 香港教育大学数学与资讯科技学系中国香港特别行政区999077

实用拜占庭容错共识算法(pbft)作为联盟链中最常见的共识算法,可以在恶意节点少于三分之一的情况下,保证系统的正确性.然而,pbft算法在建立信任与共识过程中存在高时延、低吞吐量、主节点选取安全性、恶意节点未处理等问题.为了解决这... 详细信息

实用拜占庭容错共识算法(pbft)作为联盟链中最常见的共识算法,可以在恶意节点少于三分之一的情况下,保证系统的正确性.然而,pbft算法在建立信任与共识过程中存在高时延、低吞吐量、主节点选取安全性、恶意节点未处理等问题.为了解决这些问题,引入奖励积分机制来对共识节点进行分组并设定候选节点集,提出了一种高效快速的拜占庭容错算法(DIG-pbft).在共识过程中,DIG-pbft通过动态地调整实际参与共识的节点,增加了安全性更高节点的参与度.仿真实验结果表明:与pbft算法及其同类工作相比,DIG-pbft算法的吞吐量更大、时延更低,且安全性更高.

关键词：共识算法容错拜占庭 pbft算法

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基于联盟链pbft的BRaft共识算法

软件导刊 2023年第9期22卷 132-137页

作者：白尚旺达泓宇高改梅刘春霞党伟超太原科技大学计算机科学与技术学院山西太原030024

针对联盟链共识算法不能同时实现低时延、高吞吐量、高安全性的问题,提出适用于联盟链的可容错Raft共识算法——BRaft(pbft-Raft)。BRaft利用RSA签名解决拜占庭Leader节点篡改日志的问题,并在pbft算法三段协议的基础上,引入标识位W,解... 详细信息

针对联盟链共识算法不能同时实现低时延、高吞吐量、高安全性的问题,提出适用于联盟链的可容错Raft共识算法——BRaft(pbft-Raft)。BRaft利用RSA签名解决拜占庭Leader节点篡改日志的问题,并在pbft算法三段协议的基础上,引入标识位W,解决拜占庭Follower节点恶意响应Leader节点的问题,确保在拜占庭节点发送错误消息的情况下日志项依然能够被正确提交。实验结果表明,BRaft在保证算法可理解性和共识效率的同时,提高了算法安全性。

关键词： Raft算法 pbft算法拜占庭节点数字签名标识位

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基于备选投票机制的低时延pbft改进研究

计算机工程 2021年第7期47卷 117-125,134页

作者：吴晓彤柳平增山东农业大学信息科学与工程学院山东泰安271018

针对实用拜占庭容错算法pbft共识时延高、视图切换效率低、动态性不足等问题,提出一种基于备选投票机制的低时延共识算法Ipbft。通过增设候补集合,使系统的共识节点能够支持动态增加和减少,同时优化视图切换协议,使算法能够在只有两个... 详细信息

针对实用拜占庭容错算法pbft共识时延高、视图切换效率低、动态性不足等问题,提出一种基于备选投票机制的低时延共识算法Ipbft。通过增设候补集合,使系统的共识节点能够支持动态增加和减少,同时优化视图切换协议,使算法能够在只有两个阶段的情况下完成共识过程,降低系统的通信开销。在此基础上,将算法的主节点选取方式改进为投票选举机制,在节点进行共识的过程中实现主节点的选举,从而减少视图切换所需的通信次数和时延。实验结果表明,Ipbft算法较原始PBET算法具有更低的共识时延和更高的吞吐量,并且能够较好地支持节点动态的加入或退出。

关键词：区块链共识算法 pbft算法备选投票机制低时延

面向健康医疗大数据安全保护的医疗区块链模型构建

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图书情报工作 2021年第2期65卷 37-44页

作者：李洪晨马捷胡漠吉林大学管理学院长春130022 吉林大学信息资源研究中心长春130022

[目的/意义]在医疗信息化迅速发展过程中,医疗大数据信息安全保护存在数据丢失、难以共享等问题。为了更好地对健康医疗大数据进行保护,本文构建面向健康医疗大数据安全保护的医疗区块链模型,解决健康医疗大数据集中存储、不可追溯、易... 详细信息

[目的/意义]在医疗信息化迅速发展过程中,医疗大数据信息安全保护存在数据丢失、难以共享等问题。为了更好地对健康医疗大数据进行保护,本文构建面向健康医疗大数据安全保护的医疗区块链模型,解决健康医疗大数据集中存储、不可追溯、易受攻击等问题,为进一步推动区块链技术在健康医疗领域的应用提供方案。[方法/过程]构建基于区块链技术的健康医疗大数据信息安全保护模型和系统架构,通过pbft共识算法保证医疗区块链数据的不可篡改,通过非对称加密技术保证个人医疗信息的安全性,通过激励机制鼓励各节点加入医疗区块链。[结果/结论]相对于传统的医疗信息保护方法而言,面向健康医疗大数据安全保护的医疗区块链模型具有数据可追溯、防篡改和信息平等共享、安全可信等优势,可以更好地推动健康医疗数据化的发展。

关键词：健康医疗大数据区块链去中心化信息安全保护 pbft算法

基于联盟链微电网交易的改进Raft共识算法

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计算机应用研究 2024年第10期41卷 2911-2917页

作者：张铭泉曹新宇华北电力大学控制与计算机工程学院河北保定071003

针对联盟链微电网交易场景的高吞吐量与抵御拜占庭节点攻击的需求,提出了一种基于Raft的多领导者拜占庭容错共识算法MLB-Raft(multi-leader Byzantine fault tolerance-Raft)。首先使用可验证随机函数VRF选举领导者节点群,通过多领导者... 详细信息

针对联盟链微电网交易场景的高吞吐量与抵御拜占庭节点攻击的需求,提出了一种基于Raft的多领导者拜占庭容错共识算法MLB-Raft(multi-leader Byzantine fault tolerance-Raft)。首先使用可验证随机函数VRF选举领导者节点群,通过多领导者并行提交区块的方式提高算法的吞吐量;接着引入了协调者角色,负责领导者的选举、管理与系统共识;在领导者与跟随者进行区块复制的过程中,结合并简化了pbft算法的共识流程,实现本算法的抗拜占庭特性。实验结果表明,在大规模网络节点环境下,相较于Raft算法,该算法提高了吞吐量与共识效率,但付出了部分通信开销代价;相较于pbft算法,该算法提高了拜占庭容错能力,降低了通信开销。综上,该算法能有效保障联盟链微电网交易的时效性与安全性。

关键词：联盟链微电网共识算法 Raft算法 pbft算法可验证随机函数

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