物联网中基于容错机制共识算法的研究与应用

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区块链的优势主要表现为两方面,分别是去中心化和数据不可更改,这使得该项技术能够应用于包括物联网在内的多个领域。然而,由于当前区块链系统各个功能尚未完全完善,与物联网应用场景的性能要求之间还存在较大差距。共识算法的性能在很大程度上决定了时延等性能。共识算法在区块链技术中处于核心地位,它能够通过在节点间开展大规模协作来为区块链节点提供支持,以应对无信任、去中心化的网络环境,从而发挥其性能优势,进一步改变区块链技术的系统吞吐量、交易确认延迟、应用场景等方面。针对PBFT算法存在主节点选取随意和侵占网络资源等问题,本文分别就两种常见的物联网环境提出了两种基于拜占庭容错机制的PBFT改进算法,具体内容主要有:(1)物联网环境下,节点间在性能、安全性方面存在较大差异。而传统PBFT算法在主节点选择方面存在较大随意性且未处理非法节点,进而导致频繁的视图切换,降低了共识效率。因此,在改进算法时加入了评分排序机制,通过评分排序的方式来合理地选择主节点以避免上述问题的出现。通过对比仿真,最终结论为:改进后的算法在主节点的选择上能够有效避开恶意节点,无限趋向优质节点,大幅度减少了视图切换的次数。(2)在较大规模的物联网环境下,节点数量较大且功能复杂,常常存在需要动态变更的需求。而传统PBFT网络具有节点数量固定的特点,需要通过初始化共识网络来实现节点的增加或减少;在网络带宽方面,带宽随着节点的数量的增加呈多项式级别的增长,在节点较多时同时效率严重下降。因此,本文引入了门限签名代替传统PBFT算法中需要两两通信的投票环节,以此降低通信开销。同时,提出支持节点动态变更的解决方案,设计弱中心路由表,制定节点状态表,为节点加入和退出设置消息流程,并将恶意节点纳入黑名单。通过仿真结果可知,与传统PBFT算法相比,改进后的算法实现了功能的增加,能够动态变更各个节点,在系统吞吐量、交易确认时间等性能指标上的提升也符合预期。
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