【摘 要】
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以去中心化方式运行长达五年的比特币系统,因其令人惊叹的稳定性,在2014年被发掘出其背后的关键技术——区块链（Blockchain）。区块链技术的可靠性和创新性,在互联网的高效信息交换之后,实现了价值传递,为更高效率信用社会的建立提供了新的技术支撑。随着央行数字货币、溯源等应用的迅速开展,由传统技术实现的区块链早期技术远不能满足实际的应用需求,区块链核心技术亟待创新与突破。其中以公链的吞吐量大幅提
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以去中心化方式运行长达五年的比特币系统,因其令人惊叹的稳定性,在2014年被发掘出其背后的关键技术——区块链（Blockchain）。区块链技术的可靠性和创新性,在互联网的高效信息交换之后,实现了价值传递,为更高效率信用社会的建立提供了新的技术支撑。随着央行数字货币、溯源等应用的迅速开展,由传统技术实现的区块链早期技术远不能满足实际的应用需求,区块链核心技术亟待创新与突破。其中以公链的吞吐量大幅提升和时延降低为代表的区块链扩容技术,是最急迫的全球热点难题。本文针对区块链经典共识算法中的实用拜占庭容错共识算法（Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT）,探索算法的改进与共识性能的提升,并提出一种主节点随机选取的实用拜占庭容错共识算法（Random Practical Byzantine Fault Tolerance,RPBFT）,弥补了PBFT共识算法在性能上的不足,可以更好地支持区块链扩容技术,论文主要研究内容如下。（1）针对PBFT共识算法在共识流程中的通信复杂度过高的难题,引入聚合签名技术对PBFT共识算法的共识流程进行改进,让主节点对准备和确认阶段的消息进行聚合,并将聚合后的结果发送给从节点验证,降低共识流程的通信开销。（2）针对PBFT共识算法在视图切换阶段的主节点选取策略进行改进,将原来按照编号轮流当选主节点,改为根据随机数选取主节点,降低由于作恶节点预测主节点编号而发起的连续视图切换攻击,提高PBFT共识算法的有效性和安全性。（3）针对PBFT共识算法中节点动态性较差的问题,本文给节点新增一个待同步状态,新加入网络的节点先进入待同步状态,进行状态信息的同步过程,状态信息同步完成之后再转变为共识状态,参与新交易的验证,提高算法的可用性。最后在实验室环境下对RPBFT共识算法和PBFT共识算法进行了模拟对比实验,分别从吞吐量、时延、容错性和稳定性四个方面进行对比实验,实验结果表明本文提出的RPBFT共识算法可以在不降低算法容错性的前提下,提高算法吞吐量、降低算法时延、增强算法的稳定性,可以更好地支持区块链扩容需求。
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