【摘 要】
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区块链的逐渐兴起引起了社会各界的高度重视与广泛关注,共识算法作为区块链技术的核心组成,直接影响着区块链的效率,因此逐渐成为了区块链领域的研究重点。区块链的吞吐量主要由共识算法所决定,因此提高吞吐量成为了目前共识算法的主要研究目的,若能够提高区块链的吞吐量,则能够使区块链执行更多的交易或请求,对进一步促进区块链的发展与应用有着重要意义。本文总结了目前常用的区块链共识算法,并在DBFT算法以及Fast
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区块链的逐渐兴起引起了社会各界的高度重视与广泛关注,共识算法作为区块链技术的核心组成,直接影响着区块链的效率,因此逐渐成为了区块链领域的研究重点。区块链的吞吐量主要由共识算法所决定,因此提高吞吐量成为了目前共识算法的主要研究目的,若能够提高区块链的吞吐量,则能够使区块链执行更多的交易或请求,对进一步促进区块链的发展与应用有着重要意义。本文总结了目前常用的区块链共识算法,并在DBFT算法以及Fast-HotStuff算法的基础上进行了一定改进,本文的主要工作概括如下:（1）委托拜占庭容错（Delegated Byzantine Fault Tolerant,DBFT）算法是一种公有链共识算法,该算法中由普通节点选出一部分共识节点执行共识过程,从而适应公有链中大规模节点的网络环境。DBFT的共识过程为节点间相互广播消息对一个区块进行两轮投票的过程,存在着节点间通信次数过多的问题。本文提出一种改进的公有链共识算法Improved-DBFT,利用公有链允许临时分叉这一特点,采用了一轮投票与两轮投票混合的共识过程,将DBFT算法改变为弱一致性算法,其中一轮投票用于减少节点间通信次数,两轮投票用于唯一的确定下一个共识组。其次改进了分叉处理规则,用于处理一轮投票情况下的区块链分叉问题,若存在两个冲突的区块同时被添加至区块链中,则首先根据视图编号最大的区块所在的分支作为有效分支,然后根据该分支继续生成区块从而延长区块链,最后根据最长链原则确定唯一的一条有效链。算法分析表明,ImprovedDBFT能够满足公有链的持久性和活性要求,并有效降低了节点间通信次数。仿真实验显示,节点数量为7时,DBFT的吞吐量约为6000TPS,Improved-DBFT的吞吐量约为8000TPS,结果表明Improved-DBFT有效提升了吞吐量。（2）Fast-HotStuff算法是一种联盟链共识算法,由于联盟链不允许分叉的情况发生,因此该算法采用了两轮投票的共识过程保证了区块链的强一致性。在该算法中,若共识能够正常执行,或主节点在第二轮投票发生错误的情况下,均能够提供较高的吞吐量,然而若主节点在第一轮投票发生错误,吞吐量则会大幅降低。本文提出一种改进的联盟链共识算法Improved-Fast-HotStuff,算法中引入了一个新的区块扩展方式,在某一区块的共识过程中,若主节点在第一轮投票发生错误而导致视图更换,则副本节点将其投票消息传递至新的视图,新视图中的主节点收到足够的投票消息,则根据该区块进行扩展生成新区块并发起共识,因此Improved-Fast-HotStuff能够在出错情况下使更多区块上链,从而提高吞吐量。算法分析表明,Improved-Fast-HotStuff具备安全性、活性、乐观响应性以及乐观扩展性。仿真实验显示,主节点在第一轮投票发生错误的情况下,HotStuff与Fast-HotStuff在节点数量为7时吞吐量均为4500TPS以下,而Improved-FastHotStuff则为8000TPS以上,结果表明即使在主节点出错的情况下,Improved-FastHotStuff算法依旧能够提供较高的吞吐量。
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