基于二项交换林和HotStuff的改进共识算法

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2021040659

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2022, Vol. 42 ›› Issue (7): 2112-2117.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2021040659

• 网络空间安全 • 上一篇

基于二项交换林和HotStuff的改进共识算法

汤春明¹(), 陈雨晴², 张梓迪³

^1.天津工业大学人工智能学院, 天津 300387
^2.天津工业大学控制科学与工程学院, 天津 300387
^3.天津大学计算机科学与技术学院, 天津 300350

收稿日期:2021-04-25 修回日期:2021-06-25 接受日期:2021-07-15 发布日期:2022-07-15 出版日期:2022-07-10
通讯作者: 汤春明
作者简介:陈雨晴（1997—），女，河北廊坊人，硕士研究生，主要研究方向：区块链、数据安全
张梓迪（2001—），男，吉林长春人，主要研究方向：计算机视觉、区块链。

Improved consensus algorithm based on binomial swap forest and HotStuff

Chunming TANG¹(), Yuqing CHEN², Zidi ZHANG³

^1.School of Artificial Intelligence，Tiangong University，Tianjin 300387，China
^2.School of Control Science and Engineering，Tiangong University，Tianjin 300387，China
^3.School of Computer Science and Technology，Tianjin University，Tianjin 300350，China

Received:2021-04-25 Revised:2021-06-25 Accepted:2021-07-15 Online:2022-07-15 Published:2022-07-10
Contact: Chunming TANG
About author:CHEN Yuqing， born in 1997， M. S. candidate. Her research interests include blockchain， data security.
ZHANG Zidi， born in 2001. His research interests include computer vision， blockchain.

摘要/Abstract

摘要：

针对区块链中拜占庭容错类的共识机制存在通信复杂度高、视图切换复杂以及扩展性差的问题，提出了一种基于二项交换林和HotStuff的改进共识算法，即增强HotStuff（HSP）共识算法。为实现签名批量验证和签名聚合，采用了BLS签名算法；为降低系统的通信复杂度，采用了门限签名技术；为降低视图切换时的通信复杂度，共识过程采用了三阶段确认方式；为减少主副节点间的通信次数并降低主节点聚合签名的压力，采用了改进的二项交换林技术。测试结果表明，HSP共识算法在系统节点总数为64且请求和响应均为256字节的情况下，吞吐量较HotStuff共识机制提升了33.8%，共识延迟缩短了16.4%。HSP共识算法在节点多的情况下，具有较好的性能。

关键词: 区块链, 共识机制, 门限签名, 二项交换林, 视图切换

Abstract:

Aiming at the problems of Byzantine Fault Tolerant （BFT） consensus mechanisms in the blockchain such as high communication complexity， complex view change and poor scalability， a consensus algorithm based on binomial swap forest and HotStuff named HSP （HotStuff Plus） consensus algorithm was proposed. In order to realize signature batch verification and signature aggregation， the Boneh-Lynn-Shacham （BLS） signature algorithm was adopted； in order to reduce the communication complexity of the system， threshold signature technology was adopted； in order to reduce the communication complexity during view change， the consensus process adopted a three-phase confirmation method； in order to reduce the number of communications between the primary and secondary nodes and reduce the pressure on the primary node when aggregating signatures， an improved binomial swap forest technology was adopted. Test results show that when the total number of system nodes is 64 and the request and reply are both 256 bytes， the throughput of HSP consensus algorithm is 33.8% higher than that of HotStuff consensus mechanism， and the consensus delay of HSP consensus algorithm is 16.4% lower than that of HotStuff consensus mechanism. It can be seen that HSP consensus algorithm has better performance when the number of nodes is large.

Key words: blockchain, consensus mechanism, threshold signature, binomial swap forest, view change

中图分类号:

TP311

汤春明, 陈雨晴, 张梓迪. 基于二项交换林和HotStuff的改进共识算法[J]. 计算机应用, 2022, 42(7): 2112-2117.

Chunming TANG, Yuqing CHEN, Zidi ZHANG. Improved consensus algorithm based on binomial swap forest and HotStuff[J]. Journal of Computer Applications, 2022, 42(7): 2112-2117.

图/表 9

图 1 HotStuff共识流程

Fig.1 HotStuff consensus process

图 2 改进二项交换林

Fig.2 Improved binomial swap forest

图 3 HSP共识流程

Fig.3 HSP consensus process

图 4 吞吐量对比（实验一）

Fig.4 Throughput Comparison （Experiment 1）

图 5 共识延迟对比（实验一）

Fig.5 Consensus delay comparison （Experiment 1）

图 6 吞吐量对比（实验二）

Fig.6 Throughput comparison （Experiment 2）

图 7 共识延迟对比（实验二）

Fig.7 Consensus delay comparison （Experiment 2）

图 8 视图切换时的吞吐量（实验三）

Fig.8 Throughput during view change （Experiment3）

图 9 视图切换时共识延迟（实验三）

Fig.9 Consensus delay during view change（Experiment3）

参考文献 20

1	JOHNSON D， MENEZES A， VANSTONE S. The Elliptic Curve Digital Signature Algorithm （ECDSA）［J］. International Journal of Information Security， 2001， 1（1）：36-63. 10.1007/s102070100002
2	SCHNORR C P. Efficient signature generation by smart cards ［J］. Journal of Cryptology， 1991， 4（3）：161-174. 10.1007/bf00196725
3	BONEH D， DRIJVERS M， NEVEN G. Compact multi-signatures for smaller blockchains ［C］// Proceedings of the 2018 International Conference on the Theory and Application of Cryptology and Information Security， LNCS 11273. Cham： Springer， 2018： 435-464.
4	SHAMIR A. How to share a secret［J］. Communications of the ACM， 1979， 22（11）： 612-613. 10.1145/359168.359176
5	FELDMAN P. A practical scheme for non-interactive verifiable secret sharing ［C］// Proceedings of the 28th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. Piscataway： IEEE， 1987： 427-438. 10.1109/sfcs.1987.4
6	SYTA E， TAMAS I， VISHER D， et al. Keeping authorities “honest or bust” with decentralized witness cosigning［C］// Proceedings of the 2016 IEEE Symposium on Security and Privacy. Piscataway： IEEE， 2016：526-545. 10.1109/sp.2016.38
7	BANO S， SONNINO A， AL-BASSAM M， et al. SoK： consensus in the age of blockchains ［C］// Proceedings of the 1st ACM Conference on Advances in Financial Technologies. New York： ACM， 2019： 183-198. 10.1145/3318041.3355458
8	WAN S H， LI M J， LIU G Y， et al. Recent advances in consensus protocols for blockchain： a survey［J］. Wireless Networks， 2020， 26（8）：5579-5593. 10.1007/s11276-019-02195-0
9	袁勇，倪晓春，曾帅，等. 区块链共识算法的发展现状与展望［J］. 自动化学报， 2018， 44（11）：2011-2022.
	YUAN Y， NI X C， ZENG S， et al. Blockchain consensus algorithms： the state of the art and future trends［J］. Acta Automatica Sinica， 2018， 44（11）：2011-2022.
10	SOMPOLINSKY Y， ZOHAR A. Secure high-rate transaction processing in Bitcoin［C］// Proceedings of the 2015 International Conference on Financial Cryptography and Data Security， LNCS 8975. Berlin： Springer， 2015： 507-527.
11	EYAL I， GENCER A E， SIRER E G， et al. Bitcoin-NG： a scalable blockchain protocol［C］// Proceedings of the 13th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation. Berkeley： USENIX Association， 2016： 45-59.
12	LI C X， LI P L， ZHOU D， et al. A decentralized blockchain with high throughput and fast confirmation［C］// Proceedings of the 2020 USENIX Annual Technical Conference. Berkeley： USENIX Association， 2020： 515-528.
13	CASTRO M， LISKOV B. Practical Byzantine fault tolerance and proactive recovery［J］. ACM Transactions on Computer Systems， 2002， 20（4）： 398-461. 10.1145/571637.571640
14	孙一蓬.基于联盟链的多链式区块链共识性能研究［D］. 南昌：东华理工大学，2019.
	SUN Y P. Research on consensus performance of multi-chain blockchain based on league chain［D］. Nanchang： East China University of Technology， 2019.
15	王海勇，郭凯璇，潘启青. 基于投票机制的拜占庭容错共识算法［J］.计算机应用， 2019， 39（6）：1766-1771. 10.11772/j.issn.1001-9081.2018102049
	WANG H Y， GUO K X， PAN Q Q. Byzantine fault tolerance consensus algorithm based on voting mechanism［J］. Journal of Computer Applications， 2019， 39（6）： 1766-1771. 10.11772/j.issn.1001-9081.2018102049
16	GUETA G G， ABRAHAM I， GROSSMAN S， et al. SBFT： a scalable and decentralized trust infrastructure ［C］// Proceedings of the 49th Annual IEEE/IFIP International Conference on Dependable Systems and Networks. Piscataway： IEEE， 2019： 568-580. 10.1109/dsn.2019.00063
17	YIN M F， MALKHI D， REITER M K， et al. HotStuff： BFT consensus with linearity and responsiveness［C］// Proceedings of the 2019 ACM Symposium on Principles of Distributed Computing. New York： ACM， 2019： 347-356. 10.1145/3293611.3331591
18	ABRAHAM I， MALKHI D， NAYAK K， et al. Sync HotStuff： simple and practical synchronous state machine replication［C］// Proceedings of the 2020 IEEE Symposium on Security and Privacy. Piscataway： IEEE， 2020： 106-118. 10.1109/sp40000.2020.00044
19	CAPPOS J， HARTMAN J H. San Fermín： aggregating large data sets using a binomial swap forest［C］// Proceedings of the 5th USENIX Symposium on Networked System Design and Implementation. Berkeley： USENIX Association， 2008： 147-160.
20	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.
	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.

[1]	张杰, 许姗姗, 袁凌云. 基于区块链与边缘计算的物联网访问控制模型[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2022, 42(7): 2104-2111.
[2]	许蕴韬, 朱俊武, 孙彬文, 孙茂圣, 陈四海. 选举供应链：基于区块链的供应链自治框架[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2022, 42(6): 1770-1775.
[3]	狄筝, 曹一凡, 仇超, 罗韬, 王晓飞. 新型算力网络架构及其应用案例分析[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2022, 42(6): 1656-1661.
[4]	李杨, 徐龙, 李研强, 李绍鹏. 基于智能合约的物联网访问控制架构与验证[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2022, 42(6): 1922-1931.
[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》唯一官方网站, 2022, 42(5): 1500-1507.
[6]	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.
[7]	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.
[8]	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.
[9]	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.
[10]	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.
[11]	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.
[12]	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.
[13]	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.
[14]	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.
[15]	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.

基于二项交换林和HotStuff的改进共识算法

Improved consensus algorithm based on binomial swap forest and HotStuff

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 9

参考文献 20

相关文章 15

编辑推荐

Metrics