基于动态授权的拜占庭容错共识算法的区块链性能改进研究

摘要

随着以比特币为代表的数字货币的风靡，区块链作为其关键底层技术也越来越受各国政府和企业巨头的关注。区块链的去中心化、数据不可篡改性、动态灵活的体系特征，使得其在银行、征信、金融等多领域应用前景非常广泛。但目前区块链系统在交易吞吐量、时延等方面远远无法满足大部分应用场景的性能需求。
　　以工作量证明(POW)、权益证明(POS)为主的公有区块链的TPS只有7不到，一笔交易平均确认时间为10分钟，交易无法篡改的时间更是达到1小时;且POW、POS等共识算法效率低下，耗能严重，无法满足区块链系统性能需求;而Paxos、Raft为代表的传统分布式一致性算法没有考虑拜占庭容错问题，同样不适用于诚实与恶意节点共存的区块链系统;实用拜占庭容错算法设计初衷是面向分布式系统消息、系统指令执行顺序问题而设计的的，采用的是C/S的架构，三阶段的广播协议严重浪费了带宽，静态的网络拓扑结构，无法符合区块链动态对等的系统特征。
　　本文在研究了以上共识算法的原理后，将DPOS算法的授权机制应用到PBFT中，对PBFT加以改进，提出了适用于区块链应用的动态授权拜占庭容错算法。DDBFT相比于PBFT具有以下三方面的优势:
　　1)授权选举机制，共识记账节点专业化并辅以“升降级”机制，动态更新共识记账代表;
　　2)精简的共识状态，减少PBFT三阶段共识广播机制带来的网络开销;
　　3)去C/S架构，纯P2P网络拓扑，完全符合区块链系统特征。
　　最后，用Java程序设计并测试基于DDBFT的区块链系统。实验结果表明，该算法在最佳出块时间20秒的时间间隔下，可以最大限度地利用网路带宽，TPS可以达到10000-12000，时延控制在100-200ms之间，可以满足绝大部分应用系统的性能需求。

目录

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 区块链发展现状

1．2 国内外研究现状

1．3 课题研究的主要内容

1．3．1 区块链瓶颈

1．3．2 本文解决方案

1．4 本文组织结构

1．5 本章小结

第2章 区块链技术原理

2．1 非对称加密与数字签名

2．1．1 椭圆曲线加密算法(ECC)

2．1．2 数字签名

2．2 区块链

2．2．1 区块链技术架构

2．2．2 区块链数据组织方式

2．2．3 共识算法

2．3 本章小结

第3章 问题定义及相关分析

3．1 背景介绍

3．1．1 拜占庭容错

3．1．2 问题实质

3．2 问题定义

3．2．1 问题描述

3．2．2 问题形式化

3．3 已有共识算法

3．3．1 Paxos和Raft算法

3．3．2 工作量证明算法(POW)

3．3．3 股权证明(POS)

3．3．4 实用拜占庭算法(PBFT)

3．4 性能测试

3．4．1 Paxos、Raft测试

3．4．2 POW、POS测试

3．4．3 PBFT算法测试

3．4．4 共识算法比较

3．5 共识算法改进模型

3．5．1 动态

3．5．2 高吞吐量／低时延

3．5．3 低功耗

3．5．4 系统架构

3．6 本章小结

第4章 DDBFT实现与结果分析

4．1 已知共识算法的不足

4．1．1 Paxos、Raft算法不足

4．1．2 PBFT不足

4．2 算法改进

4．2．1 算法瓶颈

4．2．2 算法优化

4．3 算法设计与实现

4．3．1 整体思想

4．3．2 算法设计

4．3．3 算法实现

4．4 本章小结

第5章 实验结果与分析

5．1 实验设计

5．1．1 系统结构图

5．1．2 实验准备与执行

5．2 性能指标

5．2．1 吞吐量

5．2．2 时延

5．2．3 容错性

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．1．1 成果与创新点

6．2 未来工作

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢