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随着比特币等数字货币的风靡,作为其底层技术的区块链技术引起各国政府以及商业巨头的关注。由于区块链技术具有去中心化、可追溯、防篡改的特点,开始被应用于版权保护、物流管理、供应链金融、供应链管理、跨境支付等各个领域。共识算法作为区块链的引擎与核心,不仅是区块链实现分布式一致性的保障,还影响区块链应用的系统吞吐量、交易确认延迟、应用场景等方面。面对在区块链应用中当前共识算法存在的吞吐量低、交易时延长以及应用场景受限的问题,本文提出三种共识优化算法来改善。本文的主要研究内容如下:(1)针对区块链存在的应用场景受限,通信带宽浪费的问题,本文提出基于动态权重调整的拜占庭容错共识算法(DWA-BFT)。算法通过将共识投票过程连续化,保留更丰富的共识投票细节。该算法在共识流程中进行用户行为评估,并进行投票动态权重调整,丰富了共识算法的应用场景。算法还将优化PBFT三阶段协议中的通信,减少无效通信次数,一定程度上提高共识性能。在相同环境下对DWA-BFT算法和PBFT算法进行仿真测试,得出DWA-BFT拥有更低的交易确认时延,更少的通信带宽浪费。(2)针对区块链应用中存在的交易确认时延长,隐私泄露的问题,本文提出基于关联环签名的拜占庭容错共识算法(ringPBFT)。该算法利用关联环签名在共识过程中提供隐私保护,增加系统安全性。此外,算法对PBFT的三阶段协议和视图切换协议进行优化,降低了共识算法的复杂度,提高共识流程和视图切换的性能。对ringPBFT进行仿真测试并与PBFT算法进行对比,仿真结果显示在共识节点等于100时,主域节点为10的ringPBFT算法的交易确认时延比PBFT大约降低了11倍,而视图切换效率大约提高了20倍。(3)针对区块链中共识算法存在的系统吞吐量低的问题,本文提出基于分域和保证金机制的拜占庭容错共识算法(DM-BFT)。通过将闪电网络的思想应用于联盟链中,大大提高区块链应用的系统吞吐量(TPS),降低交易确认时延,解决了PBFT共识算法存在着共识节点规模影响共识效率的问题。对DM-BFT进行仿真测试并与比特币以及以太坊的TPS进行对比,在相同的区块大小情况下,DM-BFT子域的TPS是以太坊的8~9倍,大约是比特币的40倍。并且随着子域数量的增加,DM-BFT的TPS会成倍增长,将DM-BFT算法与联盟链中主流算法对比,DM-BFT算法吞吐量性能优化明显。