基于实用拜占庭容错的改进的多主节点共识机制

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2021050772

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2022, Vol. 42 ›› Issue (5): 1500-1507.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2021050772

基于实用拜占庭容错的改进的多主节点共识机制

任秀丽, 张雷()

辽宁大学信息学院，沈阳 110036

收稿日期:2021-05-13 修回日期:2021-09-09 接受日期:2021-09-16 发布日期:2022-03-08 出版日期:2022-05-10
通讯作者: 张雷
作者简介:任秀丽（1965—），女，吉林四平人，教授，博士，主要研究方向：无线网络与通信、区块链
张雷（1996—），男，江苏徐州人，硕士研究生，CCF会员，主要研究方向：区块链。 1638938145@qq.com
基金资助:
辽宁省自然科学基金资助项目(201202089)

Improved multi-primary-node consensus mechanism based on practical Byzantine fault tolerance

Xiuli REN, Lei ZHANG()

College of Information，Liaoning University，Shenyang Liaoning 110036，China

Received:2021-05-13 Revised:2021-09-09 Accepted:2021-09-16 Online:2022-03-08 Published:2022-05-10
Contact: Lei ZHANG
About author:REN Xiuli，born in 1965，Ph. D.，professor. Her research interestsinclude wireless network and communication，blockchain.
ZHANG Lei， born in 1996，M. S. candidate. His research interestsinclude blockchain.
Supported by:
Natural Science Foundation of Liaoning Province(201202089)

摘要/Abstract

摘要：

针对实用拜占庭容错（PBFT）共识协议通信复杂度高导致的共识效率低、单一主节点发生故障或存在拜占庭行为时会导致共识过程停止的问题，提出了改进的多主节点实用拜占庭容错（IMPBFT）共识机制。首先，通过节点的共识轮数、存在拜占庭行为的共识轮数以及节点被赋予的优先值，计算出节点的有效共识轮数，再依据有效共识轮数的大小选出多个主节点。其次，对原共识机制进行改进，使所有节点利用改进的机制进行共识。最后，引入流水线来实现IMPBFT共识的并发执行。在进行流水线操作时，不同轮共识的多阶段消息统一签名，并且不再使用固定周期来控制流水线。理论研究和实验结果表明，IMPBFT的多主节点结构相较单一主节点的共识结构更加安全稳定；与平方级通信量的PBFT和信用委托拜占庭容错（CDBFT）共识相比，IMPBFT将通信量降至线性级；在交易吞吐量、扩展性和交易时延方面，IMPBFT的性能要优于PBFT和CDBFT；使用“多阶段消息统一签名、无固定周期”流水线的IMPBFT，比未使用流水线的IMPBFT在交易吞吐量上提高了75.2%。

关键词: 区块链, 联盟链, 共识机制, 实用拜占庭容错, 流水线

Abstract:

The high communication complexity of Practical Byzantine Fault Tolerance （PBFT） consensus protocol will lead to low consensus efficiency， the failure or the existing of Byzantine behavior of the single primary node will lead to the stop of consensus process. In order to solve these problems， an Improved Multi-primary-node Practical Byzantine Fault Tolerance （IMPBFT） consensus mechanism was proposed. Firstly， the number of effective consensus rounds of nodes was calculated by the number of consensus rounds of nodes， the number of consensus rounds with Byzantine behavior and the priority values assigned to the nodes， and several primary nodes were selected according to the size of effective consensus rounds. Then， the original consensus mechanism was improved to make all nodes use the improved consensus mechanism for consensus. Finally， pipeline was introduced to implement the concurrent execution of IMPBFT consensus. In the pipeline operation， multi-stage messages of different rounds’ consensus were signed together， and no fixed cycle was used to control the pipeline. Theoretical research and experimental results show that， the multi-primary-node structure of IMPBFT is more secure and stable than the consensus structure of single primary node. Compared with PBFT and Credit-Delegated Byzantine Fault Tolerance （CDBFT） consensus with square level traffic， the proposed IMPBFT reduces the traffic to linear level. The IMPBFT has better performance than PBFT and CDBFT in terms of transaction throughput， scalability and transaction delay. The IMPBFT using the “multi-stage messages signed together with no fixed cycle” pipeline has improved the transaction throughput by 75.2% compared with the IMPBFT without pipeline.

Key words: blockchain, consortium chain, consensus mechanism, Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT), pipeline

中图分类号:

TP311.5

任秀丽, 张雷. 基于实用拜占庭容错的改进的多主节点共识机制[J]. 计算机应用, 2022, 42(5): 1500-1507.

Xiuli REN, Lei ZHANG. Improved multi-primary-node consensus mechanism based on practical Byzantine fault tolerance[J]. Journal of Computer Applications, 2022, 42(5): 1500-1507.

图/表 7

图1 IMPBFT共识流程

Fig. 1 Consensus process of IMPBFT

图2 流水线共识

Fig. 2 Pipeline consensus

图3 无固定周期流水线

Fig. 3 Pipeline without fixed cycle

图4 主节点数与共识停止的概率关系

Fig. 4 Probability relationship between number of primary nodes and consensus stopping

图5 PBFT、CDBFT、IMPBFT与使用流水线的IMPBFT的交易吞吐量对比

Fig. 5 Comparison of transaction throughput of PBFT，CDBFT， IMPBFT and IMPBFT using pipeline

图6 PBFT、CDBFT与IMPBFT的扩展性对比

Fig. 6 Comparison of scalability of PBFT，CDBFT and IMPBFT

图7 PBFT、CDBFT与IMPBFT的交易时延对比

Fig. 7 Comparison of transaction delays of PBFT， CDBFT and IMPBFT

参考文献 23

1	韩璇，袁勇，王飞跃.区块链安全问题：研究现状与展望［J］.自动化学报，2019，45（1）：206-225. 10.16383/j.aas.c180710
	HAN X， YUAN Y， WANG F Y. Security problems on blockchain： the state of the art and future trends ［J］. Acta Automatica Sinica， 2019， 45（1）： 206-225. 10.16383/j.aas.c180710
2	邵奇峰，金澈清，张召，等.区块链技术：架构及进展［J］.计算机学报，2018，41（5）：969-988. 10.11897/SP.J.1016.2018.00969
	SHAO Q F， JIN C Q， ZHANG Z， et al. Blockchain： architecture and research progress ［J］. Chinese Journal of Computers， 2018， 41（5）： 969-988. 10.11897/SP.J.1016.2018.00969
3	唐长兵，杨珍，郑忠龙，等.PoW共识算法中的博弈困境分析与优化［J］.自动化学报，2017，43（9）：1520-1531. 10.16383/j.aas.2017.c160672
	TANG C B， YANG Z， ZHENG Z L， et al. Game dilemma analysis and optimization of PoW consensus algorithm ［J］. Acta Automatica Sinica， 2017， 43（9）： 1520-1531. 10.16383/j.aas.2017.c160672
4	李芳，李卓然，赵赫.区块链跨链技术进展研究［J］.软件学报，2019，30（6）：1649-1660. 10.13328/j.cnki.jos.005741
	LI F， LI Z R， ZHAO H. Research on the progress in cross-chain technology of blockchains ［J］. Journal of Software， 2019， 30（6）： 1649-1660. 10.13328/j.cnki.jos.005741
5	CASTRO M， LISKOV B. Practical Byzantine fault tolerance ［C］// Proceedings of the 1999 3rd Symposium on Operating Systems Design and Implementation. Berkeley： USENIX Association， 1999： 173-186. 10.1109/dsn.2001.941437
6	张超，李强，陈子豪，等.Medical chain：联盟式医疗区块链系统［J］.自动化学报，2019，45（8）：1495-1510. 10.16383/j.aas.c180131
	ZHANG C， LI Q， CHEN Z H， et al. Medical chain： alliance medical blockchain system ［J］. Acta Automatica Sinica， 2019， 45（8）： 1495-1510. 10.16383/j.aas.c180131
7	AHMAD A， SAAD M， NJILLA L， et al. BlockTrail： a scalable multichain solution for blockchain-based audit trails ［C］// Proceedings of the 2019 IEEE International Conference on Communications. Piscataway： IEEE， 2019： 1-6. 10.1109/icc.2019.8761448
8	JIANG Y J， LIAN Z. Scalable efficient Byzantine fault tolerance ［C］// Proceedings of the 2019 IEEE 3rd Advanced Information Management， Communicates， Electronic and Automation Control Conference. Piscataway： IEEE， 2019： 1736-1742. 10.1109/imcec46724.2019.8983827
9	LI X F， LV F R， XIANG F， et al. Research on key technologies of logistics information traceability model based on consortium chain ［J］. IEEE Access， 2020， 8： 69754-69762. 10.1109/access.2020.2986220
10	包振山，王凯旋，张文博.基于树形拓扑网络的实用拜占庭容错共识算法［J］.应用科学学报，2020，38（1）：34-50. 10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.003
	BAO Z S， WANG K X， ZHANG W B. A practical Byzantine fault tolerance consensus algorithm based on tree topological network ［J］. Journal of Applied Sciences， 2020， 38（1）： 34-50. 10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.003
11	闵新平，李庆忠，孔兰菊，等.许可链多中心动态共识机制［J］.计算机学报，2018，41（5）：1005-1020. 10.11897/SP.J.1016.2018.01005
	MIN X P， LI Q Z， KONG L J， et al. Permissioned blockchain dynamic consensus mechanism based multi-centers ［J］. Chinese Journal of Computers， 2018， 41（5）： 1005-1020. 10.11897/SP.J.1016.2018.01005
12	CHEN X L， HU X， LI Y， et al. A blockchain based access authentication scheme of energy internet ［C］// Proceedings of the 2018 2nd IEEE Conference on Energy Internet and Energy System Integration. Piscataway： IEEE， 2018： 1-9. 10.1109/ei2.2018.8582570
13	XU H， LONG Y， LIU Z Q， et al. Dynamic practical Byzantine fault tolerance ［C］// Proceedings of the 2018 IEEE Conference on Communications and Network Security. Piscataway： IEEE， 2018： 1-8. 10.1109/cns.2018.8433150
14	GAO S， YU T Y， ZHU J M， et al. T-PBFT： an EigenTrust-based practical Byzantine fault tolerance consensus algorithm ［J］. China Communications， 2019， 16（12）： 111-123. 10.23919/jcc.2019.12.008
15	赖英旭，薄尊旭，刘静.基于改进PBFT算法防御区块链中sybil攻击的研究［J］.通信学报，2020，41（9）：104-117.
	LAI Y X， BO Z X， LIU J. Research on sybil attack in defense blockchain based on improved PBFT algorithm ［J］. Journal on Communications， 2020， 41（9）： 104-117.
16	苑超，徐蜜雪，斯雪明.基于聚合签名的共识算法优化方案［J］.计算机科学，2018，45（2）：53-56，83. 10.11896/j.issn.1002-137X.2018.02.009
	YUAN C， XU M X， SI X M. Optimization scheme of consensus algorithm based on aggregation signature ［J］. Computer Science， 2018， 45（2）： 53-56， 83. 10.11896/j.issn.1002-137X.2018.02.009
17	甘俊，李强，陈子豪，等.区块链实用拜占庭容错共识算法的改进［J］.计算机应用，2019，39（7）：2148-2155. 10.11772/j.issn.1001-9081.2018112343
	GAN J， LI Q， CHEN Z H， et al. Improvement of blockchain practical Byzantine fault tolerance consensus algorithm ［J］. Journal of Computer Applications， 2019， 39（7）： 2148-2155. 10.11772/j.issn.1001-9081.2018112343
18	王日宏，张立锋，徐泉清，等.可应用于联盟链的拜占庭容错共识算法［J］.计算机应用研究，2020，37（11）：3382-3386. 10.19734/j.issn.1001-3695.2019.07.0268
	WANG R H， ZHANG L F， XU Q Q， et al. Byzantine fault tolerance algorithm for consortium blockchain ［J］. Application Research of Computers， 2020， 37（11）： 3382-3386. 10.19734/j.issn.1001-3695.2019.07.0268
19	韩镇阳，宫宁生，任珈民.一种区块链实用拜占庭容错算法的改进［J］.计算机应用与软件，2020， 37（2）：226-233，294. 10.3969/j.issn.1000-386x.2020.02.035
	HAN Z Y， GONG N S， REN J M. An improved blockchain practical Byzantine fault tolerance algorithm ［J］. Computer Applications and Software， 2020， 37（2）： 226-233， 294. 10.3969/j.issn.1000-386x.2020.02.035
20	韩嗣诚，朱晓荣，张秀贤.优化可扩展的拜占庭容错共识算法［J］.物联网学报，2020，4（2）：18-25. 10.11959/j.issn.2096-3750.2020.00166
	HANG S C， ZHU X R， ZHANG X X. Optimized scalable Byzantine fault tolerance algorithm ［J］. Chinese Journal on Internet of Things， 2020， 4（2）： 18-25. 10.11959/j.issn.2096-3750.2020.00166
21	方维维，王子岳，宋慧丽，等.一种面向区块链的优化PBFT共识算法［J］.北京交通大学学报，2019，43（5）：58-64.
	FANG W W， WANG Z Y， SONG H L， et al. An optimized PBFT consensus algorithm for blockchain ［J］. Journal of Beijing Jiaotong University， 2019， 43（5）： 58-64.
22	李青鹏，赵相福，陈中育，等.GVGBC：全视图情形下基于Gossip协议的拜占庭共识算法［J］.浙江师范大学学报（自然科学版），2020，43（1）：50-55.
	LI Q P， ZHAO X F， CHEN Z Y， et al. GVGBC： a Byzantine consensus algorithm in global view based on Gossip protocol ［J］. Journal of Zhejiang Normal University （Natural Sciences）， 2020， 43（1）： 50-55.
23	WANG Y H， CAI S B， LIN C L， et al. Study of blockchains’ consensus mechanism based on credit ［J］. IEEE Access， 2019， 7： 10224-10231. 10.1109/access.2019.2891065

[1]	谢家贵, 李志平, 金键. 基于星火区块链的跨链机制[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2022, 42(2): 519-527.
[2]	林定康, 颜嘉麒, 巴楠登, 符朕皓, 姜皓晨. 门罗币匿名及追踪技术综述[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2022, 42(1): 148-156.
[3]	李莉, 吴怡, 杨祉坤, 陈云鹏. 基于分区型区块链医疗电子病历共享方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2022, 42(1): 183-190.
[4]	葛纪红, 沈韬. 基于区块链的能源数据访问控制方法[J]. 计算机应用, 2021, 41(9): 2615-2622.
[5]	黄程程, 董霄霄, 李钊. 基于二维Winograd算法的深流水线5×5卷积方法[J]. 计算机应用, 2021, 41(8): 2258-2264.
[6]	申玉民, 王金龙, 胡殿凯, 刘星宇. 基于区块链的建筑信息模型图纸多人协同创作系统[J]. 计算机应用, 2021, 41(8): 2338-2345.
[7]	卿欣艺, 陈玉玲, 周正强, 涂园超, 李涛. 基于中国剩余定理的区块链存储扩展模型[J]. 计算机应用, 2021, 41(7): 1977-1982.
[8]	杨龙海, 王学渊, 蒋和松. 改进SM2签名方法的区块链数字签名方案[J]. 计算机应用, 2021, 41(7): 1983-1988.
[9]	陈葳葳, 曹利, 顾翔. 基于区块链的车联网电子取证模型[J]. 计算机应用, 2021, 41(7): 1989-1995.
[10]	刘宏宇, 梁秀波, 吴俊涵. 基于Kubernetes的Fabric链码管理及高可用技术[J]. 计算机应用, 2021, 41(4): 956-962.
[11]	李蓓, 张问银, 王九如, 赵伟, 王海峰. 基于区块链的密封式投标拍卖方案[J]. 计算机应用, 2021, 41(4): 999-1004.
[12]	张利华, 王欣怡, 胡方舟, 黄阳, 白甲义. 基于双联盟链的智能电网数据共享模型[J]. 计算机应用, 2021, 41(4): 963-969.
[13]	田志宏, 赵金东. 面向物联网的区块链共识机制综述[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2021, 41(4): 917-929.
[14]	张学旺, 殷梓杰, 冯家琦, 叶财金, 付康. 基于区块链与可信计算的数据交易方案[J]. 计算机应用, 2021, 41(4): 939-944.
[15]	张国潮, 唐华云, 陈建海, 沈睿, 何钦铭, 黄步添. 基于区块链的数字音乐版权管理系统[J]. 计算机应用, 2021, 41(4): 945-955.

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Improved multi-primary-node consensus mechanism based on practical Byzantine fault tolerance

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