基于选举的区块链共识算法研究

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共识算法负责区块链(Blockchain)系统中服务器节点信息的同步,是区块链系统中最重要的技术之一。由于每个节点都需要能够正确处理不同客户端的请求,若是节点状态不同就会影响系统处理消息的准确性。合适的共识算法能够快速地完成共识工作,保证系统的平稳运行。因此,选择恰当的共识算法是构建区块链系统的首要任务,一个良好的共识算法能够避免系统共识时间的浪费,从而提高系统运行效率。通过对现有算法的总结,将共识算法分为选举类、证明类、随机类、联盟类和混合类。研究选举类共识算法中的Raft算法的共识过程可分解为选举阶段和日志复制阶段。而在选举阶段中,系统集群内若出现由于网络原因无法与其他节点进行通信的“过时”节点,该算法缺少对此类节点的处理;在日志复制阶段,若是集群中Leader节点突发状况停止工作,Raft算法只能再次进入选举阶段重新选举Leader节点。考虑到以上两点不足,提出了一种能够将Leader权限转移的共识算法(Raft with Leadership Transfer,LTRaft)。在系统出现“过时”节点后,通过状态监测机制在其选举阶段剥夺该节点的选举权;通过Leader权限转移机制在选举阶段选出候补Leader,发生Leader节点宕机后,候补Leader节点会代替Leader节点完成共识工作,保证系统稳定运行。通过Golang语言完成LTRaft算法编码以及模拟实验,在选举阶段耗时、日志复制阶段耗时、系统时延、吞吐量以及系统出现“过时”节点后的共识耗时与其他共识算法进行对比。实验结果表明,在正常情况下LTRaft算法与未改进的Raft算法的共识时间略有增加,而在出现上述两种情况后LTRaft算法的共识时间会明显缩短。
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