區(qū)塊鏈以比特幣底層技術(shù)的身份出現(xiàn),經(jīng)過近年來的發(fā)展已經(jīng)被各個領(lǐng)域進行了深入的研究。作為一個典型的去中心化的分布式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng),區(qū)塊鏈系統(tǒng)中所有參與者之間達(dá)成的共識需要共識機制來實現(xiàn)。為使得區(qū)塊鏈能夠適用于不同的應(yīng)用場景,不同的共識機制被提出,隨著區(qū)塊鏈應(yīng)用的進一步發(fā)展,共識機制的相關(guān)研究也越來越多。但是,現(xiàn)有的一些共識機制仍在各種方面存在著一些問題。在本文的工作當(dāng)中,首先分析總結(jié)了區(qū)塊鏈技術(shù)中經(jīng)典的分布式共識機制,重點研究分析了PBFT共識機制及其相關(guān)的改進方案及PBFT現(xiàn)存的問題。以此為基礎(chǔ),提出了兩種不同的改進方案。首先,針對PBFT缺乏動態(tài)性的問題,提出了基于投票機制的拜占庭容錯共識機制（Votingbased Practical Byzantine Fault Tolerance,VPBFT）。在VPBFT中引入了投票機制,將系統(tǒng)中的節(jié)點劃分為具有不同職責(zé)的4種類型,并賦予節(jié)點之間的數(shù)量關(guān)系,當(dāng)節(jié)點數(shù)目發(fā)生變化時,可自行根據(jù)數(shù)量關(guān)系計算,保證有動態(tài)性。同時,使用“兩階段”共識模式代替PBFT“三階段”,降低網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗。另外,通過實驗和仿真對比分析了VPBFT與PBFT及其改... 

【文章來源】：南京郵電大學(xué)江蘇省

【文章頁數(shù)】：87 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

當(dāng)Nv=20，Np=50，Nc=200時，候選節(jié)點成為生產(chǎn)節(jié)點的概率以及投票數(shù)K的最優(yōu)取值

南京郵電大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士研究生學(xué)位論文第三章基于投票機制的拜占庭容錯共識機制37實驗結(jié)果與分析本節(jié)內(nèi)容，將從功耗、可靠性、動態(tài)性、容錯性、時延以及安全性等方面對VPBFT、PBFT、GBC、DynamicPBFT、S-PBFT等共識機制進行數(shù)學(xué)計算仿真和分析對比。實驗環(huán)境包括硬件和軟件兩部分。硬件環(huán)境為Windows10操作系統(tǒng)，其基本的配置為：內(nèi)存為8GB、處理器為I5-8250U、硬盤為256GHz的SSD固態(tài)硬盤；軟件環(huán)境為MATLABR2017a和Python。3.3.1低功耗共識機制的共識過程需要各個節(jié)點之間彼此傳輸數(shù)據(jù)區(qū)塊，每一次數(shù)據(jù)區(qū)塊的傳輸都需要占用一定的網(wǎng)絡(luò)帶寬。被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)區(qū)塊的大小設(shè)為Blocksize，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的節(jié)點總數(shù)設(shè)為N，所有節(jié)點彼此之間完成一次數(shù)據(jù)區(qū)塊傳輸所占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬設(shè)為Bandwidth。那么，公式3.8則可表示網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中所有節(jié)點之間完成一次數(shù)據(jù)區(qū)塊傳輸所需要的網(wǎng)絡(luò)帶寬：Bandwidth=N(N1)Blocksize(3.8)通過公式3.8能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Blocksize固定不變時，Bandwidth是隨著節(jié)點總數(shù)N的增加而增加的，如圖3.4的Bandwidth。圖3.4VPBFT共識機制與其他共識機制共識過程所需消耗的網(wǎng)絡(luò)帶寬對比在改進方案VPBFT中，共識過程供分為準(zhǔn)備階段、確認(rèn)階段。生產(chǎn)節(jié)點在準(zhǔn)備階段中需要把相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)塊和請求廣播發(fā)送給投票節(jié)點，這個過程需要消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬為Bandwidth。在確認(rèn)階段中投票節(jié)點在驗證通過時廣播回復(fù)確認(rèn)消息及相關(guān)數(shù)據(jù)，驗證未通過則不予回復(fù)，

南京郵電大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士研究生學(xué)位論文第三章基于投票機制的拜占庭容錯共識機制41圖3.5考慮評分時候選節(jié)點成功被投票為生產(chǎn)節(jié)點的概率當(dāng)a分別取值為0，0.1，0.2，0.3時，經(jīng)公式3.9計算可得圖3.5。通過圖3.5看出，擁有較高分?jǐn)?shù)的節(jié)點，即可靠的節(jié)點在K值固定時成為生產(chǎn)節(jié)點的可能性更高。第二個是生產(chǎn)節(jié)點獲得的總工資W。公式3.9揭示了候選節(jié)點成為生產(chǎn)節(jié)點的概率P與投票數(shù)K和評分a之間具有的因果關(guān)系：P隨K和a的增加而增加。假設(shè)生產(chǎn)節(jié)點在自己的生產(chǎn)周期內(nèi)成功生產(chǎn)一次有效的數(shù)據(jù)區(qū)塊能夠獲得w的工資，那么生產(chǎn)節(jié)點總共能夠獲得到的總工資W滿足W=Pw，由此可見，所得工資數(shù)W時隨著概率P的增加而增加的，表現(xiàn)越可靠的節(jié)點越能夠獲得比較高的工資，反過來越高的工資能夠有效的激勵節(jié)點可靠的工作。綜上所述，在共識過程中的變現(xiàn)越可靠的節(jié)點越有可能生獲得投票和高工資，反之，高概率的獲得投票和獲得高工資將激勵節(jié)點愈發(fā)的可靠。3.3.3動態(tài)性PBFT采用的原理是狀態(tài)機復(fù)制，其請求響應(yīng)模式為C/S模式，是一種靜態(tài)共識機制。因上述內(nèi)容，其僅能夠被應(yīng)用于參與節(jié)點不會發(fā)生變化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，當(dāng)節(jié)點總數(shù)發(fā)生變動時不能夠感知到。當(dāng)有新節(jié)點加入到系統(tǒng)中時并未重新啟動系統(tǒng)，也未重新配置和計算，系統(tǒng)會按照原有的節(jié)點數(shù)目進行共識，那么新加入的節(jié)點就沒有參與共識過程，無法獲取到相應(yīng)的共識數(shù)據(jù)，同時新加入的節(jié)點為被使用，造成了資源浪費。當(dāng)有節(jié)點離開系統(tǒng)時未重新啟動系統(tǒng)，也未重新配置和計算，那么系統(tǒng)中存在的節(jié)點在共識過程中仍會向不存在的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)消息，使得不存在的節(jié)點占用一定的系統(tǒng)資源和浪費一定的共識時間，降低共識效率。而提出的改進方案VPBFT，正是針對這一問題而進行改進的，具有動態(tài)的特點。

【參考文獻】：
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碩士論文
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本文編號：3225173