劉陜南，張榮華，劉長征

（石河子大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832000）

0 概述

區(qū)塊鏈技術(shù)起源于比特幣，2008 年由中本聰提出。區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個分布式數(shù)據(jù)庫，具有去中心化、防篡改、可編程、可追溯等特點(diǎn)［1-2］。根據(jù)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)入機(jī)制的不同，區(qū)塊鏈一般分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈［3-4］。

公有鏈如比特幣［5］和以太坊［6］，對所有節(jié)點(diǎn)開放，是完全去中心化的。公有鏈上的節(jié)點(diǎn)可以自由地加入或退出［7］，但隨著應(yīng)用場景的不斷擴(kuò)展，越來越多的領(lǐng)域需要區(qū)塊鏈來實(shí)現(xiàn)不完全的去中心化，因此，出現(xiàn)了私有鏈和聯(lián)盟鏈。私有鏈供個人使用，一般不對外開放，存在一定程度的中心化特點(diǎn)，具有訪問權(quán)限可控、交易速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)［8-9］。聯(lián)盟鏈由一些組織共同維護(hù)，通常每個節(jié)點(diǎn)都有一個相應(yīng)的實(shí)體組織，經(jīng)過身份驗(yàn)證和授權(quán)后，可以連接、訪問和提交信息，每個成員也可以賦予不同的數(shù)據(jù)權(quán)限，以實(shí)現(xiàn)多家公司或機(jī)構(gòu)的合作［10］。聯(lián)盟鏈具有成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前區(qū)塊鏈發(fā)展的主流方向。

在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，如何通過一定的規(guī)則使每個節(jié)點(diǎn)保持?jǐn)?shù)據(jù)一致是一個核心問題，解決方法就是開發(fā)一種共識算法［11］。實(shí)用拜占庭容錯（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）算法是聯(lián)盟鏈中應(yīng)用較廣泛的共識算法，算法基于少數(shù)節(jié)點(diǎn)服從多數(shù)節(jié)點(diǎn)的原則，主節(jié)點(diǎn)發(fā)起提議，其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，當(dāng)超過2/3 的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)時，該提議通過［12］。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是共識效率相對較高，容錯率接近1/3，然而，因?yàn)槠涫褂肅/S 架構(gòu)，不能動態(tài)感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，所以隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，性能急劇下降，不適用于大規(guī)模的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，限制了區(qū)塊鏈技術(shù)在金融服務(wù)、供應(yīng)鏈管理、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）［13］等領(lǐng)域的應(yīng)用。對此，很多學(xué)者提出了PBFT 的改進(jìn)算法。

在PBFT 改進(jìn)算法中，共識節(jié)點(diǎn)按類型分組，形成具有相同特征的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，更利于數(shù)據(jù)存儲和節(jié)點(diǎn)管理［14-16］。同時，將大量的節(jié)點(diǎn)劃分為多個共識集，能夠減小節(jié)點(diǎn)的規(guī)模，簡化共識的復(fù)雜性。文獻(xiàn)［17］提出了一種基于位置、可擴(kuò)展的PBFT 共識算法。固定節(jié)點(diǎn)比移動節(jié)點(diǎn)具有更強(qiáng)的計算能力，而且成為惡意節(jié)點(diǎn)的可能性非常小。該算法通過選擇一個固定可信的節(jié)點(diǎn)作為共識參與者，降低了共識開銷，保證了系統(tǒng)的安全性，但去中心化程度也大幅削減。文獻(xiàn)［18］提出了一種基于信用改進(jìn)的PBFT 共識算法CPBFT。該算法將原來的C/S 體系結(jié)構(gòu)更改為P2P 體系結(jié)構(gòu)，減少了共識步驟，并引入了信用系數(shù)，用投票方法來選擇主節(jié)點(diǎn)，使節(jié)點(diǎn)被選為主節(jié)點(diǎn)的概率受到過去行為的影響。實(shí)驗(yàn)表明，與PBFT 算法相比，CPBFT 算法減少了數(shù)據(jù)傳輸量，提高了吞吐量。文獻(xiàn)［19-20］使用散列算法對一致性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組，從而避免節(jié)點(diǎn)間的大量通信，降低網(wǎng)絡(luò)的通信復(fù)雜度，提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，但這一方法無法識別拜占庭節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)［21］針對傳統(tǒng)拜占庭容錯算法通信開銷大、算法效率低等問題，提出了一種實(shí)用的拜占庭容錯算法S-PBFT。該算法增加了節(jié)點(diǎn)評分機(jī)制，將所有節(jié)點(diǎn)分為共識節(jié)點(diǎn)、候選節(jié)點(diǎn)和早期節(jié)點(diǎn)，同時為了確保節(jié)點(diǎn)的可靠性，根據(jù)每個節(jié)點(diǎn)的行為動態(tài)改變節(jié)點(diǎn)評分。文獻(xiàn)［22］在PBFT 算法基礎(chǔ)上，添加了基于可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)（VRF）的共識節(jié)點(diǎn)選舉算法，提出的EPBFT 更適用于動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。雖然這些算法具有比PBFT 算法更好的性能，但它們都忽略了共識網(wǎng)絡(luò)的容錯性，而在實(shí)際應(yīng)用中，容錯能力越強(qiáng)，算法的適用性就越強(qiáng)。

本文在設(shè)計中考慮PBFT 算法的容錯性，提出節(jié)點(diǎn)分組策略和信用分級模型，以期在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，整個網(wǎng)絡(luò)仍然能達(dá)成正確和一致的共識，從而減少系統(tǒng)的通信開銷，同時，使用信用分級機(jī)制檢測拜占庭節(jié)點(diǎn)，提高系統(tǒng)安全性。本文主要工作如下：

1）優(yōu)化一致性協(xié)議，提出節(jié)點(diǎn)分組模型。以聯(lián)盟鏈的節(jié)點(diǎn)對管理節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)速度作為分組依據(jù)，先進(jìn)行組內(nèi)共識，管理節(jié)點(diǎn)帶著組內(nèi)共識的結(jié)果再參與組外共識，從而減少節(jié)點(diǎn)間的通信量，提高共識效率。

2）提出一種信用分級機(jī)制。通過引入信用模型，對網(wǎng)絡(luò)中的共識節(jié)點(diǎn)分類，將節(jié)點(diǎn)劃分為管理節(jié)點(diǎn)、候選節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)，提高信用值高的節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn)的概率，從而減少惡意節(jié)點(diǎn)對系統(tǒng)的破壞，提高整個網(wǎng)絡(luò)的效率。

3）搭建基于該改進(jìn)方案的仿真模擬與性能測試系統(tǒng)，通過模擬實(shí)驗(yàn)證明方案的有效性以及可用性。

1 PBFT 算法

PBFT 算法被認(rèn)為是解決拜占庭問題的最佳算法之一，它有3 個角色：客戶端，主節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)?？蛻舳颂峤皇聞?wù)請求后立即發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)在全網(wǎng)發(fā)起事務(wù)投票，從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)事務(wù)投票的有效性，主節(jié)點(diǎn)失效時將觸發(fā)視圖更改程序，選擇一個新的主節(jié)點(diǎn)。

1.1 一致性協(xié)議

PBFT 算法流程如圖1 所示。首先，客戶端C 向主節(jié)點(diǎn)0 發(fā)送一個消息m，主節(jié)點(diǎn)啟動PBFT 的5 段協(xié)議，即請求、預(yù)準(zhǔn)備、準(zhǔn)備、提交和回復(fù)。在圖1中，C 表示客戶端節(jié)點(diǎn)，0～3 為共識節(jié)點(diǎn)，其中，0 表示主節(jié)點(diǎn)，3 表示故障節(jié)點(diǎn)。

1）請求階段?？蛻舳斯?jié)點(diǎn)生成消息摘要，添加請求操作o、時間戳t構(gòu)造請求。完成簽名后，將σC發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)。

2）預(yù)準(zhǔn)備階段。主節(jié)點(diǎn)接收到消息后，構(gòu)造<σ0，m>并廣播給從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)判斷是否滿足以下內(nèi)容，若滿足則接收消息：（1）消息摘要d與m生成的摘要是否一致；（2）接收到的消息中的v與當(dāng)前視圖是否一致；（3）本地是否接收到相同n和v但不同d的消息。

3）準(zhǔn)備階段。從節(jié)點(diǎn)接收預(yù)準(zhǔn)備信息，進(jìn)入準(zhǔn)備階段，向其他節(jié)點(diǎn)廣播消息σi，節(jié)點(diǎn)收到準(zhǔn)備消息驗(yàn)證是否符合以下要求，接收3f+1 個（包括其自身）消息即可進(jìn)入提交階段：（1）準(zhǔn)備消息簽名是否正確；（2）當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否收到相同v、n但不同簽名的消息；（3）判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)生成的摘要是否與d一致。

4）提交階段。提交階段需要廣播σi，其他節(jié)點(diǎn)判斷：（1）接收到的消息簽名是否正確；（2）當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在一個v下是否沒有接收到同一個n；（3）當(dāng)前節(jié)點(diǎn)生成的信息摘要是否與收到的d一致。

5）回復(fù)階段。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)收到2f+1 個（包括其自身）提交后，將消息記錄到本地日志中并回復(fù)客戶端?？蛻舳薈 收到回復(fù)后，整個網(wǎng)絡(luò)達(dá)成共識，消息提交到本地數(shù)據(jù)庫。

1.2 PBFT 算法容錯性

PBFT 算法可以容忍不超過（N-1）/3 個惡意或故障節(jié)點(diǎn)（N為節(jié)點(diǎn)總數(shù)），式（1）如果有f個惡意節(jié)點(diǎn)，正常節(jié)點(diǎn)的數(shù)量至少為f+1 個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)至少為2f+1 個，才能讓系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。式（2）如果存在極端情況，有f個惡意節(jié)點(diǎn)以及f個故障節(jié)點(diǎn)，要保證系統(tǒng)能順利達(dá)成共識，節(jié)點(diǎn)總數(shù)至少為3f+1 個。

1.3 PBFT 算法存在的缺陷

雖然PBFT 算法在聯(lián)盟鏈中得到了廣泛的應(yīng)用，但是仍然存在很多問題［23］，例如：主節(jié)點(diǎn)的選取存在安全風(fēng)險。如果多次選擇惡意節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)，共識效率將顯著降低，從而浪費(fèi)系統(tǒng)資源，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；客戶端只向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求，當(dāng)請求太多時會給主節(jié)點(diǎn)帶來太多的負(fù)擔(dān)，不適合區(qū)塊鏈的P2P 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；算法可伸縮性較差，網(wǎng)絡(luò)通信開銷較高，需要進(jìn)行3 次廣播通信來實(shí)現(xiàn)異步模式下的安全性，消耗了大量的資源；算法動態(tài)性較差，沒有完善的節(jié)點(diǎn)加入和退出機(jī)制，節(jié)點(diǎn)加入和退出時，整個網(wǎng)絡(luò)需要重啟，開銷較大。

2 CBFT 共識算法

CBFT 算法是一種安全高效的拜占庭容錯共識算法，其相比PBFT 算法主要引入了2 個新的階段：一個是分組策略，另一個為信用模型。分組策略將大量節(jié)點(diǎn)劃分為多個組，以減少共識節(jié)點(diǎn)的規(guī)模，簡化共識的復(fù)雜性；信用模型選擇節(jié)點(diǎn)信用值作為主要參考，將信用值較高的節(jié)點(diǎn)作為管理節(jié)點(diǎn)，可以有效降低管理節(jié)點(diǎn)是拜占庭節(jié)點(diǎn)的概率，從而減小系統(tǒng)開銷，提高共識效率。CBFT 共識流程如圖2所示。

圖2 CBFT 共識流程Fig.2 CBFT consensus procedure

2.1 分組策略

基于節(jié)點(diǎn)之間的響應(yīng)速度設(shè)計分組策略，以最大限度地提高各節(jié)點(diǎn)間的通信效率。具體步驟如下：

1）利用節(jié)點(diǎn)加入聯(lián)盟鏈的身份驗(yàn)證機(jī)制，隨機(jī)選取m個節(jié)點(diǎn)作為初始管理節(jié)點(diǎn)，以其余節(jié)點(diǎn)對管理節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)速度作為分組依據(jù)，將節(jié)點(diǎn)劃分為G個共識集。

2）管理節(jié)點(diǎn)i檢查組內(nèi)成員列表Gi，判斷節(jié)點(diǎn)數(shù)量是否大于Nmax：若節(jié)點(diǎn)數(shù)量大于Nmax，則不再允許組內(nèi)加入新節(jié)點(diǎn)；若節(jié)點(diǎn)數(shù)量小于Nmax，則廣播接收成員消息σi，其中，Nmax為組內(nèi)允許的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)，t1為計時器，Gi為當(dāng)前組內(nèi)包含的節(jié)點(diǎn)列表，σi是管理節(jié)點(diǎn)i的簽名。

3）節(jié)點(diǎn)x收到管理節(jié)點(diǎn)的廣播消息后，驗(yàn)證消息簽名是否正確，無誤則向管理節(jié)點(diǎn)發(fā)起入組申請σx。

4）管理節(jié)點(diǎn)收到入組申請，驗(yàn)證無誤，將節(jié)點(diǎn)x加入組內(nèi)成員列表Gi并向其發(fā)送消息確認(rèn)σi。

5）分組結(jié)束，管理節(jié)點(diǎn)廣播各自的小組列表Gi，若驗(yàn)證無誤，將該信息下發(fā)至各組內(nèi)成員，完成分組確認(rèn)。

管理節(jié)點(diǎn)是組內(nèi)信用值最高的節(jié)點(diǎn)，其作為本組的委托代理節(jié)點(diǎn)參與全局共識。因此，經(jīng)過一輪共識后，更新節(jié)點(diǎn)信用值，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的新信用值選擇一個新的管理節(jié)點(diǎn)，并按上述流程重新分組。

針對PBFT 中節(jié)點(diǎn)不能動態(tài)連接的問題，CBFT建立了節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)入與退出機(jī)制。準(zhǔn)入與退出機(jī)制可以使授權(quán)節(jié)點(diǎn)在不影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下動態(tài)加入共識網(wǎng)絡(luò)，如圖3 所示。

圖3 新節(jié)點(diǎn)入組過程Fig.3 New node entry process

1）節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)入機(jī)制。當(dāng)新節(jié)點(diǎn)要加入網(wǎng)絡(luò)時，首先尋找最近的管理節(jié)點(diǎn)，向周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)送搜尋請求，節(jié)點(diǎn)將管理節(jié)點(diǎn)的信息轉(zhuǎn)發(fā)給新節(jié)點(diǎn)并附帶時間戳，對比時間戳，向先收到回復(fù)的節(jié)點(diǎn)的管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送入組申請，管理節(jié)點(diǎn)需要將新節(jié)點(diǎn)信息添加至組內(nèi)成員列表，并向新節(jié)點(diǎn)提供組內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的信息，則新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)完成。新節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后為普通節(jié)點(diǎn)，不參與共識，只接收共識結(jié)果。

2）節(jié)點(diǎn)退出機(jī)制。若退出網(wǎng)絡(luò)的為管理節(jié)點(diǎn)，首先要廣播消息將身份降為候選節(jié)點(diǎn)，等待新的管理節(jié)點(diǎn)選舉成功，然后向管理節(jié)點(diǎn)報告退出；若是候選節(jié)點(diǎn)或普通節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)，則直接向管理節(jié)點(diǎn)提出申請即可。

2.2 信用模型

PBFT 算法根據(jù)公式p=vmodN按順序確定主節(jié)點(diǎn)，異常節(jié)點(diǎn)很可能被選為主節(jié)點(diǎn)，影響系統(tǒng)的安全［14］。在改進(jìn)的CBFT 算法中，引入信用模型評估節(jié)點(diǎn)的信用狀態(tài)，對網(wǎng)絡(luò)中的共識節(jié)點(diǎn)分類，優(yōu)化主節(jié)點(diǎn)的選舉，提高信用值高的節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn)的概率，減少惡意節(jié)點(diǎn)對系統(tǒng)的破壞，從而提高整個網(wǎng)絡(luò)的效率。

本文提出的信用模型將節(jié)點(diǎn)信用值區(qū)間設(shè)置為［0，100］，初始值為30，并根據(jù)信用值的大小，將參與CBFT 共識的節(jié)點(diǎn)分為管理節(jié)點(diǎn)、候選節(jié)點(diǎn)、普通節(jié)點(diǎn)等3 類。管理節(jié)點(diǎn)和候選節(jié)點(diǎn)都是共識節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)信用值偏低，只接收共識結(jié)果，不參與共識過程。不同區(qū)間的信用值劃分的節(jié)點(diǎn)類別如表1所示。

表1 不同節(jié)點(diǎn)信用值劃分的節(jié)點(diǎn)類別Table 1 Node categories devided by different node credit value

為了評估節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的信用值，以節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)性能、歷史信用值、選舉投票的完成情況和達(dá)成交易共識的正確率等數(shù)據(jù)作為衡量指標(biāo)［24-26］，對節(jié)點(diǎn)可信度進(jìn)行測量。

定義1延遲指數(shù)指對各種消息響應(yīng)過程中的延遲，表達(dá)式如下：

其中：dij表示節(jié)點(diǎn)i第j筆交易的延遲；dmax表示交易所允許的最大延遲，如果超過最大延遲，則表示節(jié)點(diǎn)未能執(zhí)行該交易。

定義2帶懲罰機(jī)制的交易完成率指進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后節(jié)點(diǎn)成功參與各交易的比例，表達(dá)式如下：

其中：n為系統(tǒng)交易總數(shù)；m表示節(jié)點(diǎn)i完成的交易數(shù)量；μ為交易是否成功的標(biāo)識符，交易成功μ=1，交易失敗μ=-1，這樣既考慮了成功完成交易對節(jié)點(diǎn)的促進(jìn)作用，又考慮了影響交易正常進(jìn)行對節(jié)點(diǎn)的不良影響，能夠更好地區(qū)分節(jié)點(diǎn)的信用值。

定義3歷史信用值的影響指當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的信用狀態(tài)受歷史信用值的影響，表達(dá)式如下：

其中：系數(shù)z表示歷史狀態(tài)影響的程度。

定義4 節(jié)點(diǎn)的最終信用分?jǐn)?shù)計算公式如下：

其中：x為節(jié)點(diǎn)交易延遲的權(quán)重；y為節(jié)點(diǎn)自身完成交易的權(quán)重；x+y+z=1。信用模型直觀地反映了節(jié)點(diǎn)在共識中的性能。如果節(jié)點(diǎn)延遲小，交易完成率高，歷史信用值好，則可信度高；反之，節(jié)點(diǎn)延遲大，交易完成率低，歷史信用值差，則可信度低。

2.3 CBFT 改進(jìn)共識流程

CBFT 共識算法包含組內(nèi)外共識，主要實(shí)現(xiàn)參與共識的節(jié)點(diǎn)之間的共識。組員節(jié)點(diǎn)接收管理節(jié)點(diǎn)廣播，在組內(nèi)準(zhǔn)備和確認(rèn)階段，管理節(jié)點(diǎn)接收到足夠的建議信息，當(dāng)組外準(zhǔn)備階段完成時，意味著已經(jīng)有足夠多的節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證并通過了客戶端發(fā)起的提議，組外的確認(rèn)階段僅是對提議在準(zhǔn)備階段通過的確認(rèn)，確保有足夠的節(jié)點(diǎn)完成對提議的驗(yàn)證。因此，組外的三階段協(xié)議可以優(yōu)化為2 個階段，如圖4所示。

圖4 CBFT 改進(jìn)共識流程Fig.4 Improved CBFT consensus procedure

具體共識流程如下：

1）組外預(yù)準(zhǔn)備階段。收到來自客戶端的請求后，管理節(jié)點(diǎn)對請求進(jìn)行驗(yàn)證和排序，并向組員廣播預(yù)準(zhǔn)備消息σi，其中，n為請求分配的序列號，t為時間戳，v表示視圖編號，D（m）為消息摘要，σi為管理節(jié)點(diǎn)i的簽名。

2）組內(nèi)準(zhǔn)備階段。組員接收預(yù)準(zhǔn)備消息并進(jìn)行驗(yàn)證，此時網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)已接收預(yù)準(zhǔn)備消息。

3）組內(nèi)確認(rèn)階段。組員驗(yàn)證提議，若無誤則將對提議的回應(yīng)σx發(fā)送給組長，其中，σx為節(jié)點(diǎn)x的簽名。

4）組外準(zhǔn)備階段。管理節(jié)點(diǎn)收到足夠數(shù)量組員的回應(yīng)，開啟全局共識，向所有管理節(jié)點(diǎn)廣播組內(nèi)共識的結(jié)果σi。

5）組內(nèi)回復(fù)階段。若管理節(jié)點(diǎn)收到超過2f個相同的消息，則向組內(nèi)成員發(fā)送請求確認(rèn)σi。

6）組外回復(fù)階段。同時，管理節(jié)點(diǎn)回復(fù)客戶端σi，客戶端接收到f+1 個相同的回復(fù)消息時，將該信息添加到區(qū)塊鏈的末尾，共識結(jié)束。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

基于Java 編程語言模擬實(shí)現(xiàn)一個區(qū)塊鏈系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)的初始條件如下：硬件條件為CPU AMD R7 5800H，內(nèi)存為16 GB，操作系統(tǒng)為Windows 10 64 位，軟件環(huán)境為Eclipse 4.21。在該系統(tǒng)中對CBFT 算法進(jìn)行驗(yàn)證，分別對20、25、30、35、40、45、50 個節(jié)點(diǎn)從安全性、時延、通信開銷、吞吐量等4 個方面來評估算法的性能。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行1 000 次，每次客戶端發(fā)送200 個請求消息，取1 000 次的平均值作為測試結(jié)果。

3.2 安全性

CBFT 算法基于實(shí)用拜占庭容錯機(jī)制改進(jìn)，由于算法沒有改變PBFT 的核心容錯機(jī)制，因此組長間的共識容錯性與PBFT 的拜占庭攻擊容錯性相同，但CBFT 算法基于分組策略與信用模型，使組內(nèi)可以容忍更多的拜占庭節(jié)點(diǎn)，例如，若組內(nèi)全為拜占庭節(jié)點(diǎn)，組長參與組外PBFT 共識，僅代表一個拜占庭節(jié)點(diǎn)；若組內(nèi)拜占庭節(jié)點(diǎn)數(shù)小于50%，組外組長則作為正常節(jié)點(diǎn)參與共識，因此，CBFT 算法能容忍的最大拜占庭節(jié)點(diǎn)數(shù)為1/3 組內(nèi)節(jié)點(diǎn)全為拜占庭節(jié)點(diǎn)與2/3 組內(nèi)拜占庭節(jié)點(diǎn)占比小于50%的數(shù)量之和。綜上，在同等條件下采用CBFT 共識協(xié)議容錯性更高，且區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)會在一段時間的共識后提高容錯性，提高共識效率和系統(tǒng)整體可信度。

圖5 為不同數(shù)量節(jié)點(diǎn)下PBFT、GRBFT［27］、CBFT算法最大可容忍惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化情況。從圖中可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，CBFT 算法比PBFT、GRBFT 算法可以容忍更多的惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)，因此CBFT 算法具有更好的安全性。

圖5 PBFT、GRBFT 和CBFT 算法最大可容忍惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)Fig.5 Maximum number of malicious nodes tolerated by PBFT，GRBFT，and CBFT algorithms

3.3 共識延遲

共識延遲是指從交易開始到交易結(jié)束所經(jīng)歷的時間，是共識算法運(yùn)行速度的一個重要指標(biāo)，較低的共識延遲可以使交易迅速得到確認(rèn)，使系統(tǒng)更加安全和實(shí)用。共識延遲公式表示如下：

其中：Tc表示交易確認(rèn)時間；Tr表示交易生成時間。從圖6 中可以看出，共識延遲隨著節(jié)點(diǎn)的增加而逐漸增加，但CBFT 的共識延遲明顯低于PBFT 和GRBFT 算法，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，PBFT 的延遲迅速增加，而CBFT 的延遲增加相對較緩慢。產(chǎn)生上述結(jié)果的主要原因是CBFT 的分組策略減少了參與共識的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和節(jié)點(diǎn)間相互發(fā)送的信息量。因此，當(dāng)參與共識節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時，CBFT 仍然可以保證較高的共識度。

圖6 PBFT、GRBFT 和CBFT 算法共識延遲Fig.6 Consensus latency of PBFT，GRBFT，and CBFT algorithms

3.4 通信開銷

通信開銷是指系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行共識算法時所產(chǎn)生的通信次數(shù)。假設(shè)每個共識集的節(jié)點(diǎn)數(shù)量是相同的（不少于3 個），共識集的數(shù)量應(yīng)該不少于4 個，系統(tǒng)總節(jié)點(diǎn)數(shù)為N個（N>12）。在PBFT 中有3 個階段需要發(fā)送消息以進(jìn)行通信。首先，客戶端將請求發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)將預(yù)準(zhǔn)備消息發(fā)送到所有從節(jié)點(diǎn)，預(yù)準(zhǔn)備階段的通信開銷為（N-1）次；然后，節(jié)點(diǎn)接收到消息后，驗(yàn)證并發(fā)送準(zhǔn)備階段的消息，此階段的通信開銷為（N-1）2次；最后，在確認(rèn)階段，節(jié)點(diǎn)接收準(zhǔn)備消息，當(dāng)驗(yàn)證結(jié)果一致時，提交的消息將被發(fā)送給所有節(jié)點(diǎn)，此階段的通信開銷為N（N-1）次。根據(jù)上述3 個階段的通信開銷，簡化得到PBFT 算法完成一致性協(xié)議的通信開銷T1計算式如下：

當(dāng)N>12 時，T4

圖7 顯示了CBFT、GRBFT 和PBFT 共識算法通信開銷的比較?？梢钥闯?，在整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，CBFT的通信開銷要小得多且隨著共識節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，通信開銷增長緩慢。例如，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為30 個時，PBFT 的通信開銷為1 916 次，CBFT 的通信開銷為897次（4個分組），通信開銷較PBFT 降低了53.2%。

圖7 PBFT、GRBFT 和CBFT 算法通信開銷Fig.7 Communications overhead of PBFT，GRBFT，and CBFT algorithms

3.5 吞吐量

在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，吞吐量是指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)處理的事務(wù)數(shù)，是衡量系統(tǒng)并發(fā)處理能力的重要指標(biāo)。吞吐量計算公式如下：

其中：TTransactions，Δt表示Δt時間內(nèi)處理的事務(wù)數(shù)。

為了驗(yàn)證分組策略，分別設(shè)置分組數(shù)為4、5、6，測試CBFT 算法在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的系統(tǒng)吞吐量，從圖8 中可以看出，CBFT 共識算法的分組數(shù)量對系統(tǒng)吞吐量的影響很小，其吞吐量始終高于傳統(tǒng)的PBFT 共識算法。PBFT 算法在節(jié)點(diǎn)數(shù)超過25 個后，吞吐量迅速下降，但即使節(jié)點(diǎn)數(shù)超過40 個時，CBFT依然保持較高的吞吐量。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，2 種算法的吞吐量均呈下降趨勢，但CBFT 算法具有更高的吞吐量，并且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，優(yōu)勢更加明顯，因此，在一個大型的聯(lián)盟鏈中，CBFT 算法可以保持高效率和穩(wěn)定性。

圖8 PBFT、CBFT 算法吞吐量Fig.8 Throughput of PBFT，CBFT algorithms

4 結(jié)束語

PBFT 算法所支持的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有限，不利于大型聯(lián)盟鏈的發(fā)展。針對該問題，本文提出基于分組和信用分級的改進(jìn)CBFT 算法，將大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)劃分為不同的共識集并基于信用值選擇共識節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，與PBFT、GRBFT 算法相比，CBFT 在安全性、時延、通信開銷和吞吐量等方面都有顯著改善，提高了系統(tǒng)的性能以及可靠性。在未來的工作中，將研究如何進(jìn)行節(jié)點(diǎn)身份認(rèn)證，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)安全，促進(jìn)區(qū)塊鏈的發(fā)展。