王日宏，邢聰穎，徐泉清，袁杉杉

1.青島理工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島266520

2.螞蟻金服，杭州310012

隨著比特幣[1]的興起，區(qū)塊鏈技術(shù)也逐漸引起各界人士的興趣。區(qū)塊鏈綜合了密碼學(xué)、分布式等原理，具有去中心化、可追溯、不可篡改等特性[2]。共識(shí)機(jī)制作為區(qū)塊鏈技術(shù)不可或缺的環(huán)節(jié)，決定著區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性。全節(jié)點(diǎn)的交互不需要提前信任其他節(jié)點(diǎn)，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)提出區(qū)塊數(shù)據(jù)后，各節(jié)點(diǎn)通過既定的共識(shí)機(jī)制共同認(rèn)證和操作數(shù)據(jù)，通過認(rèn)證的區(qū)塊將被加入到區(qū)塊鏈中。因此，共識(shí)機(jī)制在區(qū)塊鏈領(lǐng)域占據(jù)至關(guān)重要的位置。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景及用戶需求不同，區(qū)塊鏈分為公有鏈、私有鏈以及聯(lián)盟鏈三種。私有鏈的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)歸屬于特定的組織或機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)受限于這些弱中心化機(jī)構(gòu)；公有鏈對(duì)中心化要求最高，允許節(jié)點(diǎn)參加鏈上數(shù)據(jù)的讀寫，并能夠自由進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)，其典型共識(shí)算法有工作量證明（Proof of Work，PoW）、權(quán)益證明（Proof of Stake，PoS）[3]以及授權(quán)股份證明（Delegated Proof of Stake，DPoS）[4]等。

聯(lián)盟鏈中的節(jié)點(diǎn)是事先確定的，并且節(jié)點(diǎn)數(shù)量較為固定，節(jié)點(diǎn)信用度更高。聯(lián)盟鏈共識(shí)算法分為非拜占庭容錯(cuò)共識(shí)算法和拜占庭容錯(cuò)算法。前者主要應(yīng)用于系統(tǒng)存在故障，但是不存在惡意節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景，典型共識(shí)算法有Paxos[5]、Raft[6]等；后者應(yīng)用于偽造信息、惡意響應(yīng)的場(chǎng)景，在此種情境下，消息可能會(huì)被丟失、延遲、重放以及偽造等，典型共識(shí)算法有PBFT[7]、HotStuff BFT[8]等。即便是在信任度極高的聯(lián)盟鏈中，理論上并不能排除惡意節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)環(huán)境導(dǎo)致的惡劣行為，況且現(xiàn)有的共識(shí)機(jī)制大都建立在特定理論假設(shè)情況下，例如PBFT共識(shí)算法適用于部分同步模式，其在異步模型下仍然面臨系統(tǒng)不協(xié)調(diào)情形[9]。雖然PBFT算法日趨成熟，但是算法仍然對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高，帶寬隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加呈多項(xiàng)式級(jí)增長(zhǎng)，本文就PBFT在算法效率和異步網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的實(shí)施問題做出研究，提出了一種高效監(jiān)督拜占庭容錯(cuò)算法ES-BFT。

本文主要做出了以下貢獻(xiàn)：

（1）ES-BFT算法將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)劃分為節(jié)點(diǎn)簇，并設(shè)置信譽(yù)值機(jī)制，通過信譽(yù)值從節(jié)點(diǎn)簇中劃分出共識(shí)節(jié)點(diǎn)與監(jiān)督節(jié)點(diǎn)；共識(shí)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行PBFT算法。節(jié)點(diǎn)的選取機(jī)制降低了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的成本，減小了網(wǎng)絡(luò)帶寬的開銷，提升了算法的效率。

（2）引入監(jiān)督機(jī)制，算法在PBFT的確認(rèn)階段向監(jiān)督節(jié)點(diǎn)發(fā)送共識(shí)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，及時(shí)制止系統(tǒng)不協(xié)調(diào)情況的發(fā)生。當(dāng)滿足系統(tǒng)不協(xié)調(diào)條件時(shí)，監(jiān)督節(jié)點(diǎn)觸發(fā)共識(shí)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)調(diào)整。

（3）評(píng)估了ES-BFT算法，結(jié)果表明，它在效率（延遲和吞吐量）以及安全性上優(yōu)于PBFT算法。

1 準(zhǔn)備知識(shí)

1.1 區(qū)塊鏈基本架構(gòu)

區(qū)塊鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)公開、透明以及可追溯的架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其系統(tǒng)架構(gòu)[10]分為以下五層：數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、合約層、應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 區(qū)塊鏈的層級(jí)架構(gòu)Fig.1 Hierarchical structure of blockchain

各層分別支持不同的核心功能，層級(jí)之間合作支撐，實(shí)現(xiàn)去中心化。數(shù)據(jù)層主要描述了區(qū)塊鏈的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)層通過P2P網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的信息傳播及驗(yàn)證等；共識(shí)層包含各類共識(shí)算法及激勵(lì)機(jī)制，激勵(lì)機(jī)制負(fù)責(zé)制定相關(guān)獎(jiǎng)勵(lì)措施，主要用于公有鏈，在聯(lián)盟鏈中作用并不明顯；合約層編程規(guī)定區(qū)塊鏈的交易方式、流程細(xì)節(jié)等；應(yīng)用層涵蓋各類區(qū)塊鏈應(yīng)用。本文主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)層和共識(shí)層進(jìn)行研究。

1.2 主流共識(shí)算法

區(qū)塊鏈共識(shí)算法不斷創(chuàng)新，經(jīng)典的PBFT算法雖然帶來了多項(xiàng)式級(jí)的算法突破，但仍然受到網(wǎng)絡(luò)模型、算法復(fù)雜度、傳播成本等的限制，因此專業(yè)人士在算法復(fù)雜度、容錯(cuò)能力以及網(wǎng)絡(luò)模型方面做出了改進(jìn)：

針對(duì)算法復(fù)雜度問題，MinBFT[11]通過可信執(zhí)行環(huán)境，將PBFT的三階段通信降為兩階段通信；SBFT[12]使用收集器降低通信量，同時(shí)使用門限簽名降低收集器消息規(guī)模和驗(yàn)證簽名總的開銷，將客戶端通信量由O(n)降到O(1)。

針對(duì)容錯(cuò)能力問題，可信執(zhí)行環(huán)境的實(shí)施將部分算法（例如MinBFT、A2M[13]）的容錯(cuò)能力提升為2f+1。

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型問題，（1）部分共識(shí)算法以優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的選取為突破口，例如，BBFT[14]、BFT-DPOS[15]及DBFT[16]，此類共識(shí)算法通過讓部分節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)，提高共識(shí)效率；LgTTBFT[17]共識(shí)算法提出LgTree節(jié)點(diǎn)路由算法，實(shí)現(xiàn)了高效的查找效率；（2）部分共識(shí)以網(wǎng)絡(luò)模型為突破口，Paxos、Hot-Stuff以及SBFT算法假設(shè)部分同步模式；OBFT[18]算法通過超時(shí)時(shí)間切換同步和部分同步網(wǎng)絡(luò)中的拜占庭容錯(cuò)；MinBFT、HoneyBadger[19]等算法屬于異步共識(shí)算法；Wang從GST（Global Stabilization Time）到來之前的視角分析了PBFT算法的缺陷，PBFT算法可能面臨系統(tǒng)不協(xié)調(diào)的問題，在部分同步網(wǎng)絡(luò)下并不適用于公鏈或聯(lián)盟鏈。本文主要在PBFT網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選取和網(wǎng)絡(luò)模型問題上做出研究。

1.3 PBFT算法

PBFT算法建立在假設(shè)部分同步模式下的拜占庭容錯(cuò)算法，即保證異步模式下的安全性（Safety）和同步模式下的活性（Liveness）。存在一個(gè)GST，在GST之后網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橥骄W(wǎng)絡(luò)。

PBFT是一種狀態(tài)機(jī)副本復(fù)制算法，所有副本在視圖v的輪轉(zhuǎn)過程中運(yùn)作，主節(jié)點(diǎn)由p=vmod ||R得出，其中v為視圖編號(hào)，R為副本節(jié)點(diǎn)數(shù)，p為主節(jié)點(diǎn)編號(hào)。同時(shí)通過超時(shí)機(jī)制檢測(cè)主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，從節(jié)點(diǎn)觸發(fā)視圖切換機(jī)制。算法流程可以分為以下幾步：

（1）客戶端向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求。

（2）主節(jié)點(diǎn)接收客戶端發(fā)來的請(qǐng)求，按順序?qū)φ?qǐng)求進(jìn)行排序，并廣播給從節(jié)點(diǎn)。

（3）所有副本節(jié)點(diǎn)通過準(zhǔn)備和確認(rèn)階段兩兩進(jìn)行交互。

（4）副本執(zhí)行請(qǐng)求并將結(jié)果返回給客戶端。

（5）假設(shè)最大拜占庭節(jié)點(diǎn)數(shù)為f，因此客戶端需要等待f+1個(gè)不同節(jié)點(diǎn)返回的相同結(jié)果，才能達(dá)成共識(shí)。

算法設(shè)置View Change協(xié)議來解決主節(jié)點(diǎn)作惡或宕機(jī)的情況，主要通過以下兩種方式：（1）副本節(jié)點(diǎn)通過檢查主節(jié)點(diǎn)分配的序號(hào)合法性判斷主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，當(dāng)序號(hào)不合法時(shí)，發(fā)起View Change協(xié)議；（2）客戶端設(shè)置超時(shí)機(jī)制檢測(cè)主節(jié)點(diǎn)掉線或作惡的問題，如果超時(shí)，向所有副本節(jié)點(diǎn)廣播請(qǐng)求消息，副本節(jié)點(diǎn)發(fā)起View Change協(xié)議。

2 ES-BFT算法設(shè)計(jì)

2.1 算法介紹

由于無法預(yù)知PBFT算法的GST到來時(shí)間，因此在GST之前，消息傳播不可靠，存在丟失（DoS攻擊）、被排序等風(fēng)險(xiǎn)。ES-BFT算法旨在解決PBFT算法的系統(tǒng)不協(xié)調(diào)問題。具體分析了ES-BFT算法的設(shè)計(jì)內(nèi)容，一是節(jié)點(diǎn)的選取，二是共識(shí)與監(jiān)督的過程。

2.1.1 節(jié)點(diǎn)的選取

（1）節(jié)點(diǎn)劃分

眾所周知，DPoS共識(shí)機(jī)制是一種基于投票選舉的共識(shí)機(jī)制，投票者根據(jù)其持有的代幣量進(jìn)行投票，選出101個(gè)節(jié)點(diǎn)輪流執(zhí)行區(qū)塊鏈的記賬和上鏈等。本文將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)劃分為多個(gè)節(jié)點(diǎn)簇，借鑒DPOS的算法思想，對(duì)節(jié)點(diǎn)簇中信譽(yù)值級(jí)別為A的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選舉，選舉出的N個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行PBFT共識(shí)，剩余信譽(yù)值為A、B類的節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)督節(jié)點(diǎn)，監(jiān)督共識(shí)過程。共識(shí)節(jié)點(diǎn)的選取如圖2所示。

圖2 共識(shí)節(jié)點(diǎn)的選取Fig.2 Selection of consensus nodes

（2）信譽(yù)值等級(jí)劃分

理想情況下所有節(jié)點(diǎn)都能及時(shí)完成共識(shí)過程中的任務(wù)，但是在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)傳輸中，部分節(jié)點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)宕機(jī)、不發(fā)或錯(cuò)發(fā)消息等問題，因此在共識(shí)過程引入節(jié)點(diǎn)計(jì)分制和懲罰制。共識(shí)過程根據(jù)節(jié)點(diǎn)行為產(chǎn)生信譽(yù)值計(jì)分，成功完成共識(shí)或監(jiān)督的節(jié)點(diǎn)加1分，共識(shí)過程中存在惡意或不作為行為的節(jié)點(diǎn)減5分，同時(shí)扣除一定份額的賬戶資金。懲罰機(jī)制的介入使節(jié)點(diǎn)作惡時(shí)不得不考慮成本問題，這在一定程度上提升了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

系統(tǒng)根據(jù)信譽(yù)值將節(jié)點(diǎn)等級(jí)劃分A、B、C三種，其中各級(jí)別的節(jié)點(diǎn)具有的權(quán)限如表1所示。

表1 信譽(yù)值等級(jí)Table 1 Reputation rating

A類節(jié)點(diǎn)均可擔(dān)任共識(shí)、監(jiān)督以及選舉節(jié)點(diǎn)三個(gè)角色。B類節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值適中，可用于選舉共識(shí)節(jié)點(diǎn)、監(jiān)督共識(shí)過程。C類節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值較低，只可參與投票給A類節(jié)點(diǎn)。

2.1.2 共識(shí)與監(jiān)督過程

（1）系統(tǒng)不協(xié)調(diào)狀態(tài)

在GST之前，消息傳播不可靠，PBFT共識(shí)算法可能面臨系統(tǒng)不協(xié)調(diào)的風(fēng)險(xiǎn)。為方便理解，本文闡述了一種攻擊方法，假定系統(tǒng)存在1、2、3、4四個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中作惡的主節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1。攻擊過程如圖3所示。

圖3 攻擊過程Fig.3 Attack process

預(yù)準(zhǔn)備階段：主節(jié)點(diǎn)1廣播PRE-PREPARE消息給節(jié)點(diǎn)1、2、3，但是不向4發(fā)送消息。

確認(rèn)階段：主節(jié)點(diǎn)1向3發(fā)送COMMIT消息，但是不向節(jié)點(diǎn)2、4發(fā)送。

實(shí)施以上攻擊之后，節(jié)點(diǎn)3正常進(jìn)行任務(wù)請(qǐng)求，并將結(jié)果返回給客戶端，但是節(jié)點(diǎn)2、4最多收到兩個(gè)COMMIT消息，因此節(jié)點(diǎn)1、2、4將不會(huì)執(zhí)行此任務(wù)?？蛻舳私邮詹坏阶銐驍?shù)量的回復(fù)，系統(tǒng)將啟動(dòng)View Change過程，但是由于誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)2、3、4內(nèi)部狀態(tài)不一致，系統(tǒng)將處于不協(xié)調(diào)狀態(tài)。

（2）算法流程

ES-BFT算法分兩個(gè)過程，即共識(shí)過程和監(jiān)督過程，監(jiān)督過程與共識(shí)過程同時(shí)進(jìn)行。共識(shí)進(jìn)行過程中，監(jiān)督節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測(cè)系統(tǒng)不協(xié)調(diào)狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)不協(xié)調(diào)狀態(tài)導(dǎo)致共識(shí)無法完成時(shí)，監(jiān)督節(jié)點(diǎn)發(fā)送清除狀態(tài)信息，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備階段重新共識(shí)。算法基本流程如圖4所示。

圖4 共識(shí)流程圖Fig.4 Consensus flow chart

（3）算法細(xì)節(jié)

首先，算法選取N≥3f+1個(gè)A級(jí)信譽(yù)值節(jié)點(diǎn)為共識(shí)節(jié)點(diǎn)，其中f為拜占庭節(jié)點(diǎn)數(shù)，選取除共識(shí)節(jié)點(diǎn)外的剩余A、B級(jí)節(jié)點(diǎn)為監(jiān)督節(jié)點(diǎn)，這里將監(jiān)督節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置為M。其次，完成共識(shí)過程和監(jiān)督過程的搭建。共識(shí)開始時(shí)，客戶端要向共識(shí)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)督節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求消息。其中，監(jiān)督節(jié)點(diǎn)接收客戶端消息是為了在清除狀態(tài)階段轉(zhuǎn)發(fā)客戶端消息，客戶端消息的轉(zhuǎn)發(fā)避免了節(jié)點(diǎn)與客戶端再次交互，提高消息傳播的效率。最后，在共識(shí)的回復(fù)階段，節(jié)點(diǎn)除了要向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送COMMIT消息以外，還要向監(jiān)督節(jié)點(diǎn)發(fā)送其在本輪共識(shí)收到的PREPARE和COMMIT消息集合。監(jiān)督節(jié)點(diǎn)對(duì)比各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，滿足系統(tǒng)不協(xié)調(diào)條件時(shí)，向共識(shí)節(jié)點(diǎn)廣播清除狀態(tài)信息，共識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)清除狀態(tài)信息的數(shù)量，如果超過2M/3，那么以當(dāng)前視圖及請(qǐng)求序號(hào)開始重新共識(shí)。這里的2M/3是根據(jù)PBFT共識(shí)準(zhǔn)備階段及確認(rèn)階段消息數(shù)2f+1推論得出。共識(shí)過程各消息格式表示如下：

ES-BFT算法根據(jù)p=vmod ||R選取當(dāng)前輪次主節(jié)點(diǎn)，其中v表示當(dāng)前視圖編號(hào)，R為副本節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，p表示主節(jié)點(diǎn)編號(hào)?？蛻舳讼蚬沧R(shí)主節(jié)點(diǎn)和監(jiān)督節(jié)點(diǎn)廣播消息，其中o表示請(qǐng)求的操作，t表示時(shí)間戳，c表示客戶端，REQUEST包含消息內(nèi)容m和消息摘要d。

預(yù)準(zhǔn)備階段：主節(jié)點(diǎn)在收到客戶端的請(qǐng)求消息后，首先驗(yàn)證客戶端請(qǐng)求消息簽名是否正確，如果驗(yàn)證成功，主節(jié)點(diǎn)需要為請(qǐng)求消息分配序號(hào)，然后廣播一條<,m>消息給其他從節(jié)點(diǎn)，其中v表示視圖編號(hào)，n表示消息序號(hào)，d表示消息摘要，m為消息內(nèi)容。主節(jié)點(diǎn)廣播預(yù)準(zhǔn)備消息內(nèi)容給從節(jié)點(diǎn)。

準(zhǔn)備階段：從節(jié)點(diǎn)收到主節(jié)點(diǎn)的PRE-PR EPARE消息之后對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)通過，從節(jié)點(diǎn)向包括主節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)廣播消息，其中i是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)編號(hào)。副本在相應(yīng)的日志中記錄PR E-PREPARE和PREPARE消息，用于在View Change過程恢復(fù)未完成的請(qǐng)求。

小麥從開花到成熟，進(jìn)入生育后期，一般從5月上旬到6月中旬，約30d。在這個(gè)時(shí)期主要工作是養(yǎng)根護(hù)葉，延長(zhǎng)上部葉片的綠色時(shí)間，防止早衰或貪青，?；ㄔ隽！⒋龠M(jìn)灌漿。

確認(rèn)階段：主、從節(jié)點(diǎn)分別對(duì)接收到的PR EPARE消息進(jìn)行校驗(yàn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)i收到2f+1條校驗(yàn)通過的PR EPARE消息后，向包括主節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息。節(jié)點(diǎn)將COMMIT消息記錄到日志中，用于View Change過程恢復(fù)未完成的請(qǐng)求。

回復(fù)與監(jiān)督階段：首先進(jìn)行校驗(yàn)，如果節(jié)點(diǎn)接收到2f+1條來自不同節(jié)點(diǎn)（包括自己）的COMMIT消息，則進(jìn)入回復(fù)階段?；貜?fù)階段主要進(jìn)行以下兩部分內(nèi)容：

節(jié)點(diǎn)發(fā)送給客戶端，r為請(qǐng)求操作結(jié)果。當(dāng)客戶端收到f+1個(gè)由不同節(jié)點(diǎn)發(fā)來的相同的REPLY消息，共識(shí)達(dá)成并記錄。當(dāng)檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)不能正常完成共識(shí)時(shí)，客戶端考慮是否重新發(fā)送消息。

節(jié)點(diǎn)在向客戶端回復(fù)的同時(shí)向監(jiān)督節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，其中，Pi表示節(jié)點(diǎn)i收到的PREPARE消息集合，Ci為節(jié)點(diǎn)i收到的COMMIT消息集合。Pi、Ci集合決定了監(jiān)督過程的進(jìn)行與否。當(dāng)集合中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)呈現(xiàn)兩種相同狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)處于不協(xié)調(diào)狀態(tài)，監(jiān)督節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)清除狀態(tài)信息。

當(dāng)S TATE消息集合中節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)兩種相同狀態(tài)時(shí)，監(jiān)督節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果計(jì)數(shù)值為2f+1，則向共識(shí)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)清除狀態(tài)信息，清除狀態(tài)信息格式為，其中m為消息內(nèi)容，v為當(dāng)前視圖，n為當(dāng)前消息序列號(hào)。CLEARSTATE消息中包含的消息內(nèi)容能有效降低節(jié)點(diǎn)與客戶端的交互次數(shù)。當(dāng)共識(shí)節(jié)點(diǎn)接收到超過2M/3條CLEAR STATE消息，各節(jié)點(diǎn)進(jìn)入準(zhǔn)備階段重新共識(shí)。

總的來說，一般情況下，View Change協(xié)議完全有能力解決共識(shí)失敗的問題，但是無法在系統(tǒng)不協(xié)調(diào)情況下做出解決。監(jiān)督機(jī)制的設(shè)立有效解決了GST到達(dá)之前的系統(tǒng)不協(xié)調(diào)問題。因此，對(duì)于一般狀態(tài)，共識(shí)節(jié)點(diǎn)觸發(fā)View Change協(xié)議正常處理，監(jiān)督節(jié)點(diǎn)不做任何處理；而對(duì)于不協(xié)調(diào)狀態(tài)，需要監(jiān)督節(jié)點(diǎn)輔助進(jìn)行共識(shí)。

2.2 算法分析

在PBFT算法中，隨著網(wǎng)絡(luò)中共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)對(duì)于帶寬的需求將以多項(xiàng)式級(jí)別增長(zhǎng)，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)增刪將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的多次初始化。如果要求所有加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)，不論是網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求還是動(dòng)態(tài)性都將受到限制。ES-BFT算法使用DPoS算法選舉部分A類節(jié)點(diǎn)為共識(shí)節(jié)點(diǎn)，減少了網(wǎng)絡(luò)中參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，提升了共識(shí)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，有效降低了網(wǎng)絡(luò)對(duì)于帶寬的需求。共識(shí)節(jié)點(diǎn)需要有一定的網(wǎng)絡(luò)投票以及信譽(yù)值，因此共識(shí)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)拜占庭錯(cuò)誤的幾率會(huì)降低，從而在一定程度上保證了共識(shí)的安全性。

監(jiān)督機(jī)制的設(shè)立能有效保證共識(shí)的安全性和活性，安全性要求所有誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)會(huì)提交一致的共識(shí)結(jié)果，活性要求節(jié)點(diǎn)在一定的時(shí)間范圍內(nèi)達(dá)成共識(shí)。PBFT算法在安全性問題上已做出解決方案，這里不做分析。系統(tǒng)不協(xié)調(diào)狀態(tài)將導(dǎo)致共識(shí)和視圖更換階段難以進(jìn)行，監(jiān)督機(jī)制的設(shè)立恰巧避免了系統(tǒng)出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的狀態(tài)，因此能夠保證算法的活性。

2.3 算法評(píng)估結(jié)果

本節(jié)中，選擇通過go語言實(shí)現(xiàn)PBFT算法，并在PBFT算法基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，得到ES-BFT算法；為控制變量，實(shí)驗(yàn)建立在相同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，不考慮節(jié)點(diǎn)會(huì)執(zhí)行其他服務(wù)的情況下，在本地開啟多節(jié)點(diǎn)模擬了ES-BFT算法、PBFT算法的共識(shí)過程；實(shí)驗(yàn)過程中記錄數(shù)據(jù)吞吐量、共識(shí)時(shí)延等數(shù)據(jù)，最后通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值得出最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，無論在吞吐量還是時(shí)延上，ESBFT都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，同時(shí)在系統(tǒng)不協(xié)調(diào)情況下，ES-BFT表現(xiàn)出不錯(cuò)的交易時(shí)延。測(cè)試環(huán)境配置如表2。

表2 環(huán)境配置Table 2 Environment configuration

2.3.1 數(shù)據(jù)吞吐量測(cè)試

數(shù)據(jù)吞吐量表現(xiàn)為單位時(shí)間內(nèi)打包的交易數(shù)，是反映共識(shí)算法性能的關(guān)鍵指標(biāo)。本次實(shí)驗(yàn)首先認(rèn)證在固定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，監(jiān)督節(jié)點(diǎn)的數(shù)量對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量的影響。測(cè)試過程中，在本地開啟17個(gè)端口，其中分別選取4、7、10、13個(gè)端口作為監(jiān)督節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)為共識(shí)節(jié)點(diǎn)。另開啟一個(gè)新端口作為客戶端節(jié)點(diǎn)，客戶端節(jié)點(diǎn)向共識(shí)和監(jiān)督節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求消息。每組測(cè)試分別記錄20組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)吞吐量測(cè)試結(jié)果取各組記錄平均值，測(cè)試結(jié)果如圖5。

圖5 監(jiān)督節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量的影響Fig.5 Impact of the number of monitoring nodes on data throughput

圖5表明，隨網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)督節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)吞吐量有了迅速提升。因此可以得出，在同一網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，監(jiān)督節(jié)點(diǎn)的設(shè)置大大提升了數(shù)據(jù)吞吐量，監(jiān)督節(jié)點(diǎn)占比越高，數(shù)據(jù)吞吐量越高，監(jiān)督節(jié)點(diǎn)在一定程度上提升了數(shù)據(jù)的傳輸效率。

為體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的一般性，選取典型的4個(gè)監(jiān)督節(jié)點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。在同樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，設(shè)置8、12、16、20個(gè)端口，開啟一個(gè)客戶端節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)PBFT算法、ESBFT算法進(jìn)行吞吐量測(cè)試。每一輪進(jìn)行20次測(cè)試，最后統(tǒng)計(jì)平均數(shù)據(jù)吞吐量。測(cè)試結(jié)果如圖6。

由圖6可以得出，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為8、12、16、20時(shí)，ESBFT算法比PBFT算法在數(shù)據(jù)吞吐量上分別有125%、109.1%、69.7%、67.4%的提升。進(jìn)而表明，由于網(wǎng)絡(luò)中參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)規(guī)模變小，在同等規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中ES-BFT算法的數(shù)據(jù)吞吐量更高，算法更優(yōu)。

圖6 ES-BFT算法與PBFT算法數(shù)據(jù)吞吐量對(duì)比圖Fig.6 Comparison of data throughput between ES-BFT algorithm and PBFT algorithm

2.3.2 共識(shí)時(shí)延測(cè)試

共識(shí)時(shí)延表現(xiàn)為請(qǐng)求發(fā)起到請(qǐng)求被寫入的時(shí)間間隔，是反映共識(shí)算法性能的又一關(guān)鍵指標(biāo)。在進(jìn)行兩種算法時(shí)延對(duì)比之前，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了監(jiān)督節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的影響，選取17個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其中監(jiān)督節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為4、7、10、13。實(shí)驗(yàn)記錄從請(qǐng)求交易到交易提交的時(shí)間，每組節(jié)點(diǎn)進(jìn)行20次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果選取測(cè)試平均值，測(cè)試結(jié)果如圖7。

圖7 監(jiān)督節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)共識(shí)時(shí)延的影響Fig.7 Impact of the number of supervisory nodes on consensus delay

圖7表明隨著監(jiān)督節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，共識(shí)時(shí)延明顯縮短。因此在實(shí)際應(yīng)用中，可通過適當(dāng)降低共識(shí)節(jié)點(diǎn)的比例來提高共識(shí)效率。

同數(shù)據(jù)吞吐量測(cè)試，本次測(cè)試首先開啟1個(gè)客戶端端口；其次，分別開啟了8、12、16和20個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)端口，并從中選取具有代表性的4個(gè)監(jiān)督節(jié)點(diǎn)；最后，測(cè)試了在相同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、各節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行任何服務(wù)情況下PBFT算法和ES-BFT算法的共識(shí)時(shí)延，同樣，每組測(cè)試各進(jìn)行20次，測(cè)試結(jié)果選取20組數(shù)的平均值。測(cè)試結(jié)果如圖8。

由圖8的測(cè)試結(jié)果計(jì)算得出，實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)量一定的情況下，ES-BFT算法的共識(shí)時(shí)延比PBFT算法時(shí)延下降69.8%、45.3%、32.9%、39.4%。由此表明，ES-BFT算法在共識(shí)時(shí)延上較PBFT算法有更大的優(yōu)勢(shì)，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，PBFT算法時(shí)延上升明顯，而ES-BFT算法時(shí)延相對(duì)穩(wěn)步上升。共識(shí)時(shí)延是算法性能的直接體現(xiàn)，因此在不考慮網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響、節(jié)點(diǎn)任務(wù)的情況下，單純就共識(shí)算法性能一項(xiàng)來講，ES-BFT算法性能優(yōu)于PBFT算法。

圖8 ES-BFT算法與PBFT算法共識(shí)時(shí)延對(duì)比Fig.8 Consensus delay comparison between ES-BFT algorithm and PBFT algorithm

ES-BFT算法的監(jiān)督機(jī)制避免了在GST到達(dá)之前的系統(tǒng)不協(xié)調(diào)情況的發(fā)生，在一定程度上提升了共識(shí)算法的安全性。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M主節(jié)點(diǎn)作惡，為方便理解，以4個(gè)節(jié)點(diǎn)為例，將節(jié)點(diǎn)分組并編號(hào)為1、2、3、4，主節(jié)點(diǎn)1在預(yù)準(zhǔn)備階段向除4以外的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，其他節(jié)點(diǎn)消息正常發(fā)送；在確認(rèn)階段，主節(jié)點(diǎn)向2發(fā)送消息，但是不向3、4發(fā)送；本次的模擬方法將使四組節(jié)點(diǎn)兩兩進(jìn)入相同狀態(tài)，系統(tǒng)產(chǎn)生不協(xié)調(diào)情況。實(shí)驗(yàn)?zāi)M了監(jiān)督節(jié)點(diǎn)數(shù)為4，共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為4、8、12、16的情形，每組節(jié)點(diǎn)記錄20組共識(shí)時(shí)延數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果取各組平均數(shù)，結(jié)果如圖9。

圖9 系統(tǒng)不協(xié)調(diào)下的ES-BFT算法共識(shí)時(shí)延Fig.9 ES-BFT algorithm consensus delay under system inco-ordination

圖9為系統(tǒng)不協(xié)調(diào)情境下ES-BFT算法在監(jiān)督機(jī)制下從系統(tǒng)不協(xié)調(diào)到再次共識(shí)的總時(shí)延，圖9表明，監(jiān)督機(jī)制的設(shè)計(jì)在有限時(shí)延內(nèi)有效避免了系統(tǒng)不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的長(zhǎng)時(shí)間無法共識(shí)的情況。

3 結(jié)束語

ES-BFT算法提出了一種新的節(jié)點(diǎn)選取辦法和監(jiān)督機(jī)制。節(jié)點(diǎn)的劃片選取和信譽(yù)值機(jī)制不僅有效地提高了共識(shí)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)性與可信性，還提升了網(wǎng)絡(luò)的靈活性；監(jiān)督機(jī)制的設(shè)立成功避免了共識(shí)系統(tǒng)不協(xié)調(diào)的情況。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步認(rèn)證，監(jiān)督節(jié)點(diǎn)的使用提升了網(wǎng)絡(luò)的靈活性，在實(shí)際應(yīng)用中，用戶可根據(jù)需求選取監(jiān)督節(jié)點(diǎn)數(shù)量；節(jié)點(diǎn)選取和監(jiān)督機(jī)制的實(shí)施有效地提升了PBFT算法的共識(shí)效率和安全性。本文算法是在不考慮復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行其他任務(wù)的條件下獲得的，以上限制條件值得在接下來的工作中進(jìn)行探索研究。