王春東，姜鑫

基于可驗(yàn)證延遲函數(shù)的改進(jìn)實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法

王春東*，姜鑫

（天津理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384）（ ? 通信作者電子郵箱michael3769@163.com）

針對(duì)實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（PBFT）共識(shí)機(jī)制的主節(jié)點(diǎn)選擇不合理和高交易延遲問(wèn)題，提出一種基于可驗(yàn)證延遲函數(shù)（VDF）的改進(jìn)實(shí)用拜占庭容錯(cuò)共識(shí)機(jī)制VPBFT。首先，針對(duì)原有的PBFT算法引入投票機(jī)制進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選取，并根據(jù)隨機(jī)投票結(jié)果將節(jié)點(diǎn)劃分為普通節(jié)點(diǎn)、投票節(jié)點(diǎn)、備份節(jié)點(diǎn)和共識(shí)節(jié)點(diǎn)；其次，改進(jìn)PBFT算法主節(jié)點(diǎn)選舉機(jī)制，即使用VDF進(jìn)行主節(jié)點(diǎn)選舉，并利用上一區(qū)塊哈希值和用戶私鑰生成隨機(jī)數(shù)，增加主節(jié)點(diǎn)的不可預(yù)測(cè)性，保證共識(shí)安全；最后，優(yōu)化PBFT算法的共識(shí)過(guò)程，將共識(shí)過(guò)程簡(jiǎn)化為三個(gè)階段，從而降低算法復(fù)雜度，減少通信開銷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的VPBFT在安全性和共識(shí)性能方面優(yōu)于原有PBFT算法。

區(qū)塊鏈；實(shí)用拜占庭容錯(cuò)；可驗(yàn)證延遲函數(shù)；投票機(jī)制；哈希函數(shù)；交易延遲

0 引言

區(qū)塊鏈技術(shù)是結(jié)合密碼學(xué)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、分布式存儲(chǔ)、共識(shí)機(jī)制和激勵(lì)機(jī)制的分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，具有分布式對(duì)等結(jié)構(gòu)、去中心化信任、數(shù)據(jù)公開透明和防篡改特點(diǎn)［1］，近年來(lái)已經(jīng)被應(yīng)用于醫(yī)療數(shù)據(jù)共享［2］、輔助醫(yī)療決策和解決重大公共衛(wèi)生等領(lǐng)域。

區(qū)塊鏈沒有中央權(quán)威節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)都可平等地參與共識(shí)過(guò)程。因此，共識(shí)機(jī)制［3］是確保數(shù)據(jù)一致性，維護(hù)系統(tǒng)安全的核心要素。區(qū)塊鏈主要共識(shí)算法有工作量證明（Proof of Work， PoW）、權(quán)益證明（Proof of Stake， PoS）、委托權(quán)益證明（Delegated Proof of Stake， DPoS）和實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（Practical Byzantine Fault Tolerance， PBFT）等［4］。其中，PoW算法主要應(yīng)用于公有鏈中，以比特幣為代表的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)通過(guò)算力競(jìng)爭(zhēng)主節(jié)點(diǎn)地位，主導(dǎo)共識(shí)過(guò)程；PoS算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)擁有的幣齡決定挖礦難度，擁有最高權(quán)益的節(jié)點(diǎn)更容易獲得新區(qū)塊的記賬權(quán)和區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)；DPoS算法［5］通過(guò)擁有權(quán)益的節(jié)點(diǎn)使用代幣投票選出共識(shí)節(jié)點(diǎn)，需要代幣激勵(lì)。所以，以上基于證明的共識(shí)機(jī)制不適用于醫(yī)療數(shù)據(jù)共享領(lǐng)域。

聯(lián)盟鏈中的PBFT共識(shí)算法不僅考慮系統(tǒng)中的故障節(jié)點(diǎn)，而且通過(guò)大多數(shù)誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)一致共識(shí)忽略惡意節(jié)點(diǎn)作惡行為。與公有鏈相比，PBFT節(jié)點(diǎn)更加穩(wěn)定，共識(shí)效率更高，更符合醫(yī)療數(shù)據(jù)共享聯(lián)盟鏈需求。

針對(duì)現(xiàn)有研究和PBFT算法的不足，本文提出一種基于可驗(yàn)證延遲函數(shù)（Verifiable Delay Function， VDF）的實(shí)用拜占庭改進(jìn)算法VPBFT。首先，在原有PBFT算法中引入投票機(jī)制進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選舉，并成立共識(shí)節(jié)點(diǎn)委員會(huì)，根據(jù)隨機(jī)投票結(jié)果將節(jié)點(diǎn)分為普通節(jié)點(diǎn)、候選節(jié)點(diǎn)、投票節(jié)點(diǎn)和共識(shí)節(jié)點(diǎn)；其次，提出一種基于VDF的主節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制，參與節(jié)點(diǎn)分布式運(yùn)行VDF并相互驗(yàn)證結(jié)果，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前視圖下主節(jié)點(diǎn)的分布式選舉；最后，將PBFT算法的共識(shí)過(guò)程修改為請(qǐng)求、響應(yīng)和承諾三階段，降低通信開銷，提高共識(shí)效率。

1 相關(guān)知識(shí)

1.1　PBFT共識(shí)算法

1.1.1PBFT共識(shí)過(guò)程

PBFT共識(shí)過(guò)程如圖1所示。具體共識(shí)流程［16］如下：

圖1　PBFT共識(shí)過(guò)程

1.1.2垃圾回收機(jī)制

垃圾回收機(jī)制［17］是指PBFT算法定期生成系統(tǒng)日志文件，當(dāng)共識(shí)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行恢復(fù)，以確保系統(tǒng)中大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都可保存狀態(tài)機(jī)中最新數(shù)據(jù)。主要協(xié)議如下：

1.1.3視圖更換協(xié)議

主節(jié)點(diǎn)選舉：共識(shí)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)如下計(jì)算公式生成新視圖下主共識(shí)節(jié)點(diǎn)。

1.2　可驗(yàn)證延遲函數(shù)

VDF［19］是有固定運(yùn)算順序并且可以快速驗(yàn)證的大規(guī)模并行算法，由初始化算法Setup、計(jì)算算法Eval和驗(yàn)證算法Verify組成，算法流程如圖2所示。

圖2　VDF算法流程

2 VPBFT算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1　整體思想

PBFT作為強(qiáng)一致性共識(shí)機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)目過(guò)多時(shí)很難快速達(dá)成共識(shí)，同時(shí)區(qū)塊生成率較低。為了使PBFT算法更符合醫(yī)療數(shù)據(jù)共享場(chǎng)景，本文提出一種基于VDF的改進(jìn)算法VPBFT。該算法使用投票機(jī)制進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選取，并改進(jìn)主節(jié)點(diǎn)選舉策略，利用VDF延遲可驗(yàn)證特性分布式選舉主節(jié)點(diǎn)。最后，優(yōu)化PBFT算法共識(shí)過(guò)程，提高通信效率。VPBFT算法設(shè)計(jì)流程如圖3所示。具體改進(jìn)措施如下：

在PBFT算法中引入投票機(jī)制進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選舉，根據(jù)投票結(jié)果將節(jié)點(diǎn)劃分為普通節(jié)點(diǎn)、投票節(jié)點(diǎn)、備份節(jié)點(diǎn)和共識(shí)節(jié)點(diǎn)，由可信度較高的投票節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選舉產(chǎn)生備份節(jié)點(diǎn)和共識(shí)節(jié)點(diǎn)主導(dǎo)共識(shí)過(guò)程，減少通信開銷。

提出基于VDF的主節(jié)點(diǎn)分布式選舉，在節(jié)點(diǎn)選取階段生成主節(jié)點(diǎn)后，各主節(jié)點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)行VDF的初始化函數(shù)，通過(guò)將上一區(qū)塊哈希值和自身私鑰作為函數(shù)輸入保證VDF輸出唯一性。同時(shí)，設(shè)置延遲參數(shù)檢測(cè)惡意挖礦競(jìng)爭(zhēng)，抵抗曠工硬件優(yōu)勢(shì)帶來(lái)的并行加速優(yōu)勢(shì)，保證共識(shí)安全。

為減少通信開銷，本文方案將共識(shí)過(guò)程簡(jiǎn)化為請(qǐng)求、響應(yīng)、承諾三個(gè)階段。投票式節(jié)點(diǎn)選取和分布式主節(jié)點(diǎn)選舉策略保證了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的可靠性，因此刪除PBFT算法中客戶端和系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間的交互操作，由主節(jié)點(diǎn)完成與客戶端的交互。

圖3　VPBFT算法流程

2.2　算法設(shè)計(jì)

2.2.1系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)選取

為了增加參與節(jié)點(diǎn)的可信度，保證共識(shí)安全，本方案使用投票機(jī)制進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選取，通過(guò)隨機(jī)節(jié)點(diǎn)廣播投票，其余節(jié)點(diǎn)相互驗(yàn)證方式選舉系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。設(shè)置節(jié)點(diǎn)委員會(huì)實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)間相互制約，同時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模設(shè)定節(jié)點(diǎn)數(shù)量，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

委員會(huì)節(jié)點(diǎn)由普通節(jié)點(diǎn)、投票節(jié)點(diǎn)、備份節(jié)點(diǎn)和共識(shí)節(jié)點(diǎn)組成，其中，投票節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)備份節(jié)點(diǎn)和共識(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行推薦和投票，并驗(yàn)證和轉(zhuǎn)發(fā)主節(jié)點(diǎn)廣播交易。作為系統(tǒng)選舉初始化節(jié)點(diǎn)，投票節(jié)點(diǎn)由普通節(jié)點(diǎn)實(shí)名認(rèn)證生成；共識(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)起新區(qū)提案并對(duì)交易進(jìn)行驗(yàn)證，主導(dǎo)當(dāng)前視圖的共識(shí)過(guò)程；備份節(jié)點(diǎn)不可發(fā)起新區(qū)塊共識(shí)，但可以驗(yàn)證和接收新區(qū)塊，并擁有全網(wǎng)數(shù)據(jù)副本，當(dāng)共識(shí)節(jié)點(diǎn)有違規(guī)和退出行為時(shí)，由備份節(jié)點(diǎn)遞補(bǔ)；普通節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布交易，不可參與共識(shí)，可以隨機(jī)加入和退出。VPBFT節(jié)點(diǎn)模型如圖4所示。

VPBFT網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量可動(dòng)態(tài)調(diào)整。從共識(shí)節(jié)點(diǎn)中選擇主節(jié)點(diǎn)，同時(shí)隔離惡意節(jié)點(diǎn)，在視圖更換時(shí)伴隨系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)重新選舉，根據(jù)節(jié)點(diǎn)可靠性對(duì)普通節(jié)點(diǎn)、投票節(jié)點(diǎn)、備份節(jié)點(diǎn)和共識(shí)節(jié)點(diǎn)角色動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化共識(shí)性能。

圖4　VPBFT節(jié)點(diǎn)模型

VPBFT節(jié)點(diǎn)選擇投票過(guò)程如下：

2）投票節(jié)點(diǎn)匯總本地投票信息表，得到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下各共識(shí)節(jié)點(diǎn)、備份節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)數(shù)目，生成委員會(huì)節(jié)點(diǎn)列表并相互廣播確認(rèn)。

3）各投票節(jié)點(diǎn)收集委員會(huì)各投票節(jié)點(diǎn)廣播信息，當(dāng)有效廣播信息超過(guò)/2時(shí)，完成本視圖下節(jié)點(diǎn)選取過(guò)程。

2.2.2主節(jié)點(diǎn)選舉策略

VPBFT分布式主節(jié)點(diǎn)選舉過(guò)程如下：

1）初始化階段：各共識(shí)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立計(jì)算私鑰哈希值初始化隨機(jī)安全參數(shù)，通過(guò)私鑰保密性保證分布式隨機(jī)生成，確保VDF去中心化運(yùn)行。根據(jù)節(jié)點(diǎn)規(guī)模設(shè)置延遲時(shí)間，保證共識(shí)速度和出塊效率，參數(shù)的設(shè)置使得惡意節(jié)點(diǎn)使用硬件優(yōu)勢(shì)并行加速不可行。最后各共識(shí)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行Setup函數(shù)生成計(jì)算參數(shù)和用于驗(yàn)證參數(shù)，Setup函數(shù)計(jì)算公式如下：

2）競(jìng)爭(zhēng)階段：各共識(shí)節(jié)點(diǎn)完成參數(shù)初始化后，以最新區(qū)塊高度的哈希值作為輸入，運(yùn)行VDF計(jì)算函數(shù)Eval，競(jìng)爭(zhēng)主節(jié)點(diǎn)地位，廣播計(jì)算結(jié)果、證明和證明參數(shù)，便于其余節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證。Eval函數(shù)計(jì)算公式如下：

共識(shí)節(jié)點(diǎn)和備份節(jié)點(diǎn)收到驗(yàn)證廣播后，運(yùn)行VDF驗(yàn)證函數(shù)Verify，校驗(yàn)通過(guò)后保存結(jié)果值哈希值到本地索引表并轉(zhuǎn)播廣播內(nèi)容，驗(yàn)證失敗將消息丟棄。Verify函數(shù)計(jì)算公式如下：

在時(shí)間段中，參與競(jìng)爭(zhēng)共識(shí)節(jié)點(diǎn)不斷接收計(jì)算哈希值廣播，并與當(dāng)前存儲(chǔ)哈希值進(jìn)行比較，小于當(dāng)前哈希值則進(jìn)行替換操作，否則丟棄此哈希值。最終每個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)保留一份時(shí)間段內(nèi)生成最小哈希值記錄，廣播此記錄。

圖5　VPBFT主節(jié)點(diǎn)選舉流程

2.2.3VPBFT共識(shí)過(guò)程

本方案提出的VPBFT算法使用分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，事務(wù)的發(fā)起方從原始客戶端變?yōu)橹鞴?jié)點(diǎn)。假設(shè)共識(shí)網(wǎng)絡(luò)中參與節(jié)點(diǎn)原始狀態(tài)一致，那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)的配置信息、存儲(chǔ)備份和區(qū)塊高度等也相同，保證了節(jié)點(diǎn)參與競(jìng)爭(zhēng)主節(jié)點(diǎn)的公平性。

PBFT是一個(gè)經(jīng)典的分布式共識(shí)算法，它的三階段請(qǐng)求方法也基于分布式進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要目的是在以狀態(tài)機(jī)副本為主的分布式系統(tǒng)中正確執(zhí)行指令順序，由于在區(qū)塊鏈上達(dá)成共識(shí)需要在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行多次信息廣播和驗(yàn)證，因此可以合并原始客戶端發(fā)送階段，由當(dāng)前主節(jié)點(diǎn)完成與客戶端的交互行為，減少共識(shí)過(guò)程中信息的傳遞，提高共識(shí)效率。

VPBFT共識(shí)過(guò)程具體步驟如下：

1）發(fā)起共識(shí)。主節(jié)點(diǎn)根據(jù)共識(shí)策略從內(nèi)存池中選舉事務(wù)并將它們打包到一個(gè)請(qǐng)求消息中進(jìn)行廣播，以啟動(dòng)新一輪共識(shí)。如果共識(shí)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)在超時(shí)之前接收到廣播消息，將對(duì)消息進(jìn)行驗(yàn)證；否則主節(jié)點(diǎn)違規(guī)超時(shí)，其余共識(shí)節(jié)點(diǎn)廣播視圖更換消息，請(qǐng)求更換視圖。

2）廣播響應(yīng)消息。共識(shí)節(jié)點(diǎn)和備份節(jié)點(diǎn)如果在超時(shí)之前接收所有的請(qǐng)求消息，對(duì)消息進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)進(jìn)行廣播回復(fù)，否則嘗試更換視圖。

3）收集響應(yīng)消息并廣播承諾消息。主節(jié)點(diǎn)和其余節(jié)點(diǎn)在超時(shí)前收集足夠的回復(fù)消息并進(jìn)行驗(yàn)證，如果驗(yàn)證通過(guò)將進(jìn)行廣播驗(yàn)證，否則將更改視圖。

4）收集承諾消息并生成新區(qū)塊。參與共識(shí)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)如果在超時(shí)前收集到足夠多有效承諾消息，則在驗(yàn)證通過(guò)后將生成新區(qū)塊并相互廣播，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊同步，完成共識(shí)。

3 VPBFT算法實(shí)驗(yàn)分析

3.1　安全性分析

VPBFT的安全性主要體現(xiàn)在高可靠性和高容錯(cuò)性兩方面，具體分析如下。

3.1.1可靠性分析

VPBFT安全性主要受兩個(gè)方面影響：投票式節(jié)點(diǎn)選取保證只有隨機(jī)投票數(shù)較高的節(jié)點(diǎn)才能參與系統(tǒng)，維持系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)安全性；主節(jié)點(diǎn)選舉策略實(shí)現(xiàn)當(dāng)前視圖下主節(jié)點(diǎn)的分布式隨機(jī)選舉，避免惡意節(jié)點(diǎn)控制共識(shí)過(guò)程，危害系統(tǒng)安全。

在節(jié)點(diǎn)選取階段，普通節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)實(shí)名認(rèn)證獲得投票權(quán)利，保證了投票節(jié)點(diǎn)的可信度與安全性。備份節(jié)點(diǎn)和共識(shí)節(jié)點(diǎn)都由投票節(jié)點(diǎn)隨機(jī)投票選取獲得，同時(shí)備份節(jié)點(diǎn)監(jiān)督共識(shí)節(jié)點(diǎn)行為，當(dāng)共識(shí)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生違規(guī)行為時(shí)，投票節(jié)點(diǎn)和備份節(jié)點(diǎn)都可啟動(dòng)視圖更換協(xié)議，完成主節(jié)點(diǎn)更換，保證共識(shí)過(guò)程安全。

主節(jié)點(diǎn)選舉過(guò)程中根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模設(shè)置延遲參數(shù)抵抗惡意用戶通過(guò)硬件優(yōu)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)主節(jié)點(diǎn)地位，避免算力浪費(fèi)。同時(shí)，用戶分布式獨(dú)立生成安全參數(shù)保證系統(tǒng)去中心化特性，并使用區(qū)塊哈希值和用戶私鑰組合方式增加主節(jié)點(diǎn)選舉的不可預(yù)測(cè)性，通過(guò)一系列節(jié)點(diǎn)廣播和累計(jì)有效廣播保證當(dāng)選節(jié)點(diǎn)有效主導(dǎo)共識(shí)，增加系統(tǒng)可靠性。

隨著系統(tǒng)運(yùn)行，節(jié)點(diǎn)選取策略和主節(jié)點(diǎn)安全選舉保證了VPBFT共識(shí)的可靠性，降低惡意節(jié)點(diǎn)當(dāng)選主節(jié)點(diǎn)概率，使主節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤率降低，提高了VPBFT的效率，即單位時(shí)間內(nèi)的工作量（Transaction Per Second， TPS），共識(shí)結(jié)果更加可靠，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，VPBFT算法比PBFT算法可靠性更高。

圖6　VPBFT和PBFT的可靠性比較

3.1.2容錯(cuò)性分析

3.2　性能驗(yàn)證

本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Python語(yǔ)言的區(qū)塊鏈原型系統(tǒng)，并分別運(yùn)行PBFT和VPBFT算法，通過(guò)測(cè)試和比較驗(yàn)證了VPBFT算法的整體效果。測(cè)試環(huán)境為Windows操作系統(tǒng)，CPU為Intel Core i5-6200U 2.30 GHz，內(nèi)存為8 GB，固態(tài)硬盤為512 GB。

3.2.1交易延遲測(cè)試

交易延遲指由節(jié)點(diǎn)發(fā)起的一筆交易從廣播到添加到區(qū)塊所消耗的時(shí)間。在P2P網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行測(cè)試，設(shè)定事務(wù)數(shù)為200，分別對(duì)5、10、15、20、25和30個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯琕PBFT算法交易延遲明顯比PBFT算法短，而且隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，PBFT算法的交易延遲增加得更快，而VPBFT算法交易延遲相對(duì)穩(wěn)定，增長(zhǎng)較慢。因此，在節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的情況下，VPBFT算法優(yōu)勢(shì)更明顯。

圖7　VPBFT和PBFT的交易延遲比較

3.2.2出塊效率比較

出塊效率為單位時(shí)間內(nèi)生成區(qū)塊數(shù)，是區(qū)塊鏈系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要標(biāo)志。如圖8所示，通過(guò)區(qū)塊鏈原型測(cè)試，在15個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)場(chǎng)景下，分別對(duì)100、200、300、400和500個(gè)事務(wù)量進(jìn)行比較，PBFT算法平均出塊效率為2.17，VPBFT算法的平均出塊效率為3.94，是PBFT的1.8倍。因此，與PBFT算法相比，VPBFT算法的出塊效率有較大的提高，在穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢(shì)。

圖8　不同事務(wù)量下VPBFT和PBFT的出塊效率比較

為了進(jìn)一步比較大規(guī)模節(jié)點(diǎn)下VPBFT與PBFT的出塊效率，分別設(shè)置了100到500節(jié)點(diǎn)模擬驗(yàn)證區(qū)塊出塊效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9　不同節(jié)點(diǎn)規(guī)模下VPBFT和PBFT的區(qū)塊生成率比較

由圖9可以看出，在VPBFT與PBFT運(yùn)行期間出塊效率是穩(wěn)定的，由于VPBFT進(jìn)行了惡意節(jié)點(diǎn)識(shí)別與主節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選舉，改進(jìn)后的VPBFT共識(shí)機(jī)制更高效，在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)下出塊效率更高。

4 結(jié)語(yǔ)

為了提高PBFT算法主節(jié)點(diǎn)選擇安全性和共識(shí)效率，本文提出了VPBFT，并通過(guò)投票處理將節(jié)點(diǎn)分為普通節(jié)點(diǎn)、投票節(jié)點(diǎn)、備份節(jié)點(diǎn)和共識(shí)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)使用可驗(yàn)證延遲函數(shù)改進(jìn)PBFT主節(jié)點(diǎn)選舉方式，增加主節(jié)點(diǎn)選舉的不可預(yù)測(cè)性，保證共識(shí)安全。最后，共識(shí)節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)過(guò)程，并將共識(shí)過(guò)程簡(jiǎn)化為三個(gè)階段，減少帶寬資源消耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，VPBFT算法在可靠性、容錯(cuò)性、交易延遲和區(qū)塊生成率方面比PBFT算法具有優(yōu)勢(shì)，更適合于實(shí)際應(yīng)用。

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Improved practical Byzantine fault tolerance algorithm based on verifiable delay function

WANG Chundong*， JIANG Xin

（，，300384，）

To solve the problems of unreasonable primary node selection and high transaction delay in Practical Byzantine Fault Tolerance （PBFT） consensus mechanism， an improved PBFT consensus mechanism based on Verifiable Delay Function （VDF） was proposed， called VPBFT. Firstly， a voting mechanism was introduced into original PBFT algorithm to select nodes， which were divided into ordinary nodes， voting nodes， backup nodes and consensus nodes according to random voting results. Secondly， the primary node selection mechanism of PBFT algorithm was improved by using VDF for primary node selection， and random numbers were generated by the hash value of the previous block and the user’s private key to increase the unpredictability of the primary node and ensure the consensus security. Finally， the consensus process of PBFT algorithm was optimized by simplifying consensus process into three stages， thereby reducing the algorithm complexity and communication overhead. Experimental results show that the proposed VPBFT outperforms the original PBFT algorithm in terms of security and consensus performance.

blockchain; Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT); Verifiable Delay Function (VDF); voting mechanism; hash function; transaction delay

1001-9081（2023）11-3484-06

10.11772/j.issn.1001-9081.2022111708

2022?11?18；

2023?02?24；

“科技助力經(jīng)濟(jì)2020”重點(diǎn)專項(xiàng)（SQ2020YFF0413781）；天津市科委重大專項(xiàng)（15ZXDSGX00030）； 國(guó)家自然科學(xué)基金面上—聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（U1536122）。

王春東（1969－），男，天津人，教授，博士，CCF會(huì)員，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)信息安全、普適計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、智能信息處理； 姜鑫（1997－），男，山東菏澤人，碩士研究生，主要研究方向：區(qū)塊鏈、數(shù)據(jù)共享。

TP301

A

2023?02?25。

This work is partially supported by “National High Science and Technology for Economy 2020” Key Project （SQ2020YFF0413781）， Major Project of Tianjin Science and Technology Commission （15ZXDSGX00030）， National Natural Science Foundation of China （General Joint Fund） （U1536122）.

WANG Chundong， born in 1969， Ph. D.， professor. His research interests include network information security， ubiquitous computing， mobile computing， intelligent information processing.

JIANG Xin， born in 1997， M. S. candidate. His research interests include blockchain， data sharing.