基于BDLS的区块链共识改进算法

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2023050581

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (4): 1139-1147.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2023050581

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基于BDLS的区块链共识改进算法

赵莉朋, 郭兵()

四川大学计算机学院，成都 610065

收稿日期:2023-05-13 修回日期:2023-06-15 接受日期:2023-06-16 发布日期:2023-08-01 出版日期:2024-04-10
通讯作者: 郭兵
作者简介:赵莉朋（1999—），男，河南周口人，硕士研究生，CCF会员，主要研究方向：区块链
郭兵（1970—），男，四川成都人，教授，博士，主要研究方向：大数据、区块链。guobing@scu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划项目(2020YFB1711800)

Blockchain consensus improvement algorithm based on BDLS

Lipeng ZHAO, Bing GUO()

College of Computer Science，Sichuan University，Chengdu Sichuan 610065，China

Received:2023-05-13 Revised:2023-06-15 Accepted:2023-06-16 Online:2023-08-01 Published:2024-04-10
Contact: Bing GUO
About author:ZHAO Lipeng， born in 1999， M. S. candidate. His research interests include blockchain.
GUO Bing， born in 1970， Ph. D.， professor. His research interests include big data， blockchain.
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2020YFB1711800)

摘要/Abstract

摘要：

针对BDLS（Blockchain version of DLS）共识算法在含有大量节点且具有层次结构的系统中共识效率低下的问题，提出一种基于BDLS的区块链共识改进算法HBDLS（Hierarchical BDLS）。首先，根据实际应用中节点的属性将节点分为两个层次，每个高层节点分别管理一个低层节点簇；其次，将所有低层节点进行分簇共识，并将共识结果汇报至相应的高层节点；最后，所有高层节点对低层的共识结果再次共识，通过高层共识的数据将被写入区块链。理论分析和仿真实验结果表明，在36个节点且单个区块包含4 500个交易的情况下，HBDLS的吞吐量相较于BDLS算法提高了21%；在44个节点且单个区块包含3 000个交易的情况下，HBDLS的吞吐量相较于BDLS算法提高了约52%；在44个节点且单个区块包含1个交易的情况下，HBDLS的共识时延相较于BDLS算法下降了26%。实验结果表明，在节点数多且交易量大的系统中，HBDLS能够大幅提高系统的共识效率。

关键词: BDLS共识算法, 区块链, 吞吐量, 层级结构, 共识效率

Abstract:

To solve the problem of low consensus efficiency of Blockchain version of DLS （BDLS） consensus algorithm in a system with a large number of nodes and hierarchy， an blockchain consensus improvement algorithm HBDLS （Hierarchical Blockchain version of DLS） based on BDLS was proposed. Firstly， nodes were divided into two levels according to the attributes of nodes in practical applications. Each high-level node managed a low-level node cluster respectively. Then， cluster consensus was carried out on all lower-level nodes， and the consensus results were reported to the corresponding higher-level nodes. Finally， the consensus results of all the high-level nodes to the lower level nodes were agreed again， and the data passed the high-level consensus was written into the blockchain. Theoretical analysis and simulation experimental results show that in the case of 36 nodes and a single block containing 4 500 transactions， the throughput of HBDLS is about 21% higher than that of BDLS algorithm； in the case of 44 nodes and a single block containing 3 000 transactions， the throughput of HBDLS is about 52% higher than that of BDLS algorithm； in the case of 44 nodes and a single block containing 1 transaction， the consensus latency of HBDLS is about 26% lower than that of BDLS algorithm. Experimental results show that HBDLS can significantly improve the consensus efficiency for the system with a large number of nodes and a large transaction volume.

Key words: Blockchain version of DLS (BDLS) consensus algorithm, blockchain, throughput, hierarchical structure, consensus efficiency

中图分类号:

TP301

赵莉朋, 郭兵. 基于BDLS的区块链共识改进算法[J]. 计算机应用, 2024, 44(4): 1139-1147.

Lipeng ZHAO, Bing GUO. Blockchain consensus improvement algorithm based on BDLS[J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(4): 1139-1147.

图/表 20

图1 BDLS共识算法的Stage 3流程

Fig. 1 Process of the Stage 3 in BDLS consensus algorithm

图2 BDLS共识算法步骤

Fig. 2 Steps of BDLS consensus algorithm

图3 BDLS共识算法的层级结构

Fig. 3 Hierarchical structure of BDLS consensus algorithm

图4 HBDLS的完整步骤

Fig. 4 Complete steps of HBDLS

表1 两种算法在节点数为400时的通信量对比

Tab. 1 Comparison of communication times of two algorithms with 400 nodes

每簇节点数	通信量
每簇节点数	BDLS算法	HBDLS
4	1 600	1 025
20	1 600	641
40	1 600	701
50	1 600	749
80	1 600	911
100	1 600	1 025

图5 系统使用的层级结构

Fig. 5 Hierarchy structure used in system

图6 列车链结构

Fig. 6 Train chain structure

图7 用户链结构

Fig. 7 User chain structure

表2 区块头数据结构

Tab. 2 Block header data structure

序号	字段名	描述	类型
1	Height	当前区块高度	uint64
2	PreviousHash	上一区块hash值	［］byte
3	BlockBodyHash	区块体hash值	［］byte
4	TimeStamp	时间戳	uint64
5	Hash	当前区块hash值	［］byte
6	Nonce	保留字段	uint64

表3 区块体数据结构

Tab. 3 Block body data structure

序号	字段名	描述	类型
1	Hash	区块体hash值	［］byte
2	InfoHashes	列车信息hash值	［］［］byte

表4 列车信息数据结构

Tab. 4 Train information data structure

序号	字段名	描述	类型
1	Hash	信息的hash值	［］byte
2	PublicKey	信息发布者公钥	［］byte
3	Signature	信息的数字签名	［］byte
4	Event	信息的事件类型	string
5	UserName	信息发布者姓名	string
6	Time	信息发布时间	string
7	Infos	详细信息	string
8	PreviousTrain	前一信息的hash值	［］byte

表5 用户信息数据结构

Tab. 5 User information data structure

序号	字段名	描述	类型
1	Hash	信息hash值	［］byte
2	PublicKey	该用户授权者公钥	［］byte
3	Signature	信息的数字签名	［］byte
4	Account	待注册账户	［］byte
5	Uinfo	用户详细信息	［］byte
6	PreviousUser	前一信息hash值	［］byte

图8 列车信息和用户信息关系

Fig. 8 Relationship of train information and user information

图9 不同节点数下的吞吐量

Fig. 9 Throughput under different node numbers

图10 不同交易数下的吞吐量

Fig. 10 Throughput under different transaction numbers

图11 系统共识时延测试结果

Fig. 11 Test results of system consensus delay

图12 账户注册流程

Fig. 12 Account registration process

图13 用户链查询过程

Fig. 13 User chain query process

图14 高铁数据处理流程

Fig. 14 High speed rail data processing process

图15 列车链查询过程

Fig. 15 Train chain query process

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Blockchain consensus improvement algorithm based on BDLS

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