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

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

参考文献 27

1	NAKAMOTO S. Bitcoin： a peer-to-peer electronic cash system ［EB/OL］. ［2023-05-10］. . 10.2139/ssrn.3977007
2	TRELEAVEN P， BROWN R G， YANG D. Blockchain technology in Finance ［J］. Computer， 2017， 50（9）： 14-17. 10.1109/mc.2017.3571047
3	董黛莹，汪学明.基于区块链的电子医疗记录共享研究［J］.计算机技术与发展，2019，29（5）：121-125. 10.3969/j.issn.1673-629X.2019.05.026
	DONG D Y， WANG X M. Research on electronic medical record sharing model based on blockchain ［J］. Computer Technology and Development， 2019， 29（5）： 121-125. 10.3969/j.issn.1673-629X.2019.05.026
4	DWIVEDI A D， SRIVASTAVA G， DHAR S， et al. A decentralized privacy-preserving healthcare blockchain for IoT ［J］. Sensors， 2019， 19（2）： 326. 10.3390/s19020326
5	TURKANOVÍC M， HÖLBL M， KOŠIČ K， et al. EduCTX： a blockchain based higher education credit platform ［J］. IEEE Access， 2018， 6： 5112-5127. 10.1109/access.2018.2789929
6	代闯闯，栾海晶，杨雪莹，等.区块链技术研究综述［J］.计算机科学，2021，48（11A）：500-508. 10.11896/jsjkx.201200163
	DAI C C， LUAN H J， YANG X Y， et al. Overview of blockchain technology ［J］. Computer Science， 2021， 48（11A）： 500-508. 10.11896/jsjkx.201200163
7	刘远振，杨颜博，张嘉伟，等.一种抗分布式机器学习恶意节点的区块链方案［J］.西安电子科技大学学报（自然科学版），2023，50（2）：178-187.
	LIU Y Z， YANG Y B， ZHANG J W， et al. Blockchain scheme for anti malicious nodes in distributed machine learning ［J］. Journal of Xidian University （Natual Science）， 2023， 50（2）： 178-187.
8	徐万山，张建标，袁艺林.基于区块链的动态可验证对称可搜索加密方案［J］.软件学报， 2023， 34（11）： 5392-5407.
	XU W S， ZHANG J B， YUAN Y L. Verifiable dynamic searchable symmetric encryption based on blockchain ［J］. Journal of Software， 2023， 34（11）： 5392-5407.
9	李达，郭庆雷，王栋，等.基于区块链的能源电力数据验证与溯源模型［J］.中国电力， 2023， 56（5）： 203-208.
	LI D， GUO Q L， WANG D， et al. Research on electric power data verification and traceability method based on blockchain technology ［J］. Electric Power， 2023， 56（5）： 203-208.
10	颜亮，葛丽娜，胡政.基于区块链的属性基多关键词排序搜索方案［J］.计算机应用研究， 2023， 40（7）： 1952-1956.
	YAN L， GE L N， HU Z. Attribute-based multi-keyword ranking search scheme based on blockchain ［J］. Application Research of Computers， 2023， 40（7）： 1952-1956.
11	陈胜，方明哲，蒋步云，等.基于录制重放的区块链交易执行追溯方法［J］.软件学报， 2023，34（10）： 4681-4704.
	CHEN S， FANG M Z， JIANG B Y， et al. Tracing method for blockchain transaction execution based on recoding and replay ［J］. Journal of Software， 2023，34（10）： 4681-4704.
12	黄子鑫，党建武，王阳萍，等.基于改进PBFT的区块链工程监理数据共享模型［J］.无线电工程， 2023， 53（2）： 298-307. 10.3969/j.issn.1003-3106.2023.02.006
	HUANG Z X， DANG J W， WANG Y P， et al. Project supervision data sharing model using blockchain based on improved PBFT ［J］. Radio Engineering， 2023， 53（2）： 298-307. 10.3969/j.issn.1003-3106.2023.02.006
13	李向阳，刘扬，闫志全，等.基于区块链的知识产权交易平台研究与实现［J］.计算机工程与应用，2023，59（3）：308-316. 10.3778/j.issn.1002-8331.2205-0269
	LI X Y， LIU Y， YAN Z Q， et al. Research and implementation of intellectual property trading platform based on blockchain［J］. Computer Engineering and Applications， 2023， 59（3）： 308-316. 10.3778/j.issn.1002-8331.2205-0269
14	王静怡，刘百祥，方宁，等.基于区块链与属性密码体制的匿名数据共享访问控制［J］.计算机工程， 2023，49（10）： 41-52.
	WANG J Y， LIU B X， FANG N， et al. Anonymous data sharing and access control based on blockchain and attribute-based cryptography ［J］. Computer Engineering， 2023，49（10）： 41-52.
15	王琪，张嘉政，刘文奇.一种基于区块链技术的公安执法电子证据系统的设计与实现［J］.智能系统学报，2022，17（6）：1182-1193. 10.11992/tis.202112034
	WANG Q， ZHANG J Z， LIU W Q. Design and implementation of a public security law enforcement electronic evidence system based on blockchain technology ［J］. CAAI Transactions on Intelligent Systems， 2022， 17（6）： 1182-1193. 10.11992/tis.202112034
16	宋传罡，李雷孝，高昊昱.区块链系统性能优化关键方法综述［J］.计算机工程与应用， 2023， 59（16）： 16-30. 10.3778/j.issn.1002-8331.2211-0457
	SONG C G， LI L X， GAO H Y. Review of key technologies for blockchain system performance optimization ［J］. Computer Engineering and Applications， 2023， 59（16）： 16-30. 10.3778/j.issn.1002-8331.2211-0457
17	蔡维德，郁莲，王荣，等.基于区块链的应用系统开发方法研究［J］.软件学报，2017，28（6）：1474-1487.
	CAI W D， YU L， WANG R， et al. Blockchain application development techniques ［J］. Journal of Software， 2017， 28（6）： 1474-1487.
18	WANG Y. Byzantine fault tolerance for distributed ledgers revisited［J］. Distributed Ledger Technologies： Research and Practice， 2022， 1（1）： No.2. 10.1145/3538227
19	袁勇，王飞跃.区块链技术发展现状与展望［J］.自动化学报，2016，42（4）：481-494. 10.16383/j.aas.2016.c160158
	YUAN Y， WANG F Y. Blockchain： the state of the art and future trends［J］. Acta Automatica Sinica， 2016， 42（4）： 481-494. 10.16383/j.aas.2016.c160158
20	CHEN J， MICALI S. Algorand： a secure and efficient distributed ledger［J］. Theoretical Computer Science， 2019， 777： 155-183. 10.1016/j.tcs.2019.02.001
21	张苗，李绍稳，吴雨婷，等.实用拜占庭容错共识算法的奖惩机制优化研究［J/OL］.计算机工程与应用， 1-9［2023-05-10］. .
	ZHANG M， LI S W， WU Y T， et al. Research on the optimization of reward and punishment mechanism of PBFT ［J/OL］. Computer Engineering and Applications， 1-9 ［2023-05-10］. .
22	PAQUETTE M， PELC A. Fast broadcasting with Byzantine faults［J］. International Journal of Foundations of Computer Science， 2006， 17（6）： 1423-1439. 10.1142/s0129054106004492
23	AUGUSTINE J， PANDURANGAN G， ROBINSON P. Fast Byzantine leader election in dynamic networks ［C］// Proceedings of the 29th International Symposium on Distributed Computing. Berlin： Springer， 2015： 276-291. 10.1007/978-3-662-48653-5_19
24	FENG L， ZHANG H， CHEN Y， et al. Scalable dynamic multi-agent practical Byzantine fault-tolerant consensus in permissioned blockchain［J］. Applied Sciences， 2018， 8（10）：1919. 10.3390/app8101919
25	韩磊，陈武平，曾志强，等.区块链层级网络结构与应用研究［J］.信息网络安全，2020， 20（9）：112-116. 10.3969/j.issn.1671-1122.2020.09.023
	HAN L， CHEN W P， ZENG Z Q， et al. Research on hierarchical network structure and application of blockchain ［J］. Netinfo Security， 2020， 20（9）： 112-116. 10.3969/j.issn.1671-1122.2020.09.023
26	李强，舒展翔，余祥，等.区块链系统的认证机制研究［J］.指挥与控制学报，2019，5（1）：1-17. 10.3969/j.issn.2096-0204.2019.01.0001
	LI Q， SHU Z X， YU X， et al. Authentication mechanism in blockchain systems ［J］. Journal of Command and Control， 2019， 5（1）： 1-17. 10.3969/j.issn.2096-0204.2019.01.0001
27	李启南，薛志浩，张学军. 改进Fast-HotStuff区块链共识算法［J］. 计算机工程， 2021， 47（8）： 14-21.
	LI Q N， XUE Z H， ZHANG X J. Improved Fast-HotStuff blockchian consensus algorithm［J］. Computer Engineering， 2021， 47（8）： 14-21.

[1]	李皎, 张秀山, 宁远航. 降低跨分片交易比例的区块链分片方法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(6): 1889-1896.
[2]	陈美宏, 袁凌云, 夏桐. 基于主从多链的数据分类分级访问控制模型[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(4): 1148-1157.
[3]	高改梅, 张瑾, 刘春霞, 党伟超, 白尚旺. 基于区块链与CP-ABE策略隐藏的众包测试任务隐私保护方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(3): 811-818.
[4]	马海峰, 李玉霞, 薛庆水, 杨家海, 高永福. 用于实现区块链隐私保护的属性基加密方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(2): 485-489.
[5]	宁娟桂, 董国芳. 基于区块链的车载自组网车与基础设施快速切换认证方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(1): 252-260.
[6]	李莉, 杨春艳, 朱江文, 胡荣磊. 区块链下社交网络用户抄袭识别方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(1): 242-251.
[7]	马海英, 李金舟, 杨及坤. 基于区块链可撤销属性的去中心化属性基加密方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(9): 2789-2797.
[8]	陈宛桢, 张恩, 秦磊勇, 洪双喜. 边缘计算下基于区块链的隐私保护联邦学习算法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(7): 2209-2216.
[9]	陈璐瑀, 马小峰, 何敬, 龚生智, 高建. 基于TrustZone的区块链智能合约隐私授权方法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(6): 1969-1978.
[10]	曹萌, 余孙婕, 曾辉, 史红周. 基于区块链的医疗数据分级访问控制与共享系统[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(5): 1518-1526.
[11]	王亦涵, 唐晨, 张兰. 大宗商品防欺诈抗篡改线上交易机制[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(4): 1309-1317.
[12]	童俊成, 赵波. 区块链智能合约漏洞检测与自动化修复综述[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(3): 785-793.
[13]	孙栋, 王彪, 徐云. 基于RDMA的区块传输机制设计与实现[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(2): 484-489.
[14]	唐淑敏, 金瑜. 区块链中基于中国剩余定理投票方案的共识机制[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(2): 458-466.
[15]	田洪亮, 葛平, 宪明杰. 基于区块链的配电网运行异常管理机制[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(11): 3504-3509.

基于BDLS的区块链共识改进算法

Blockchain consensus improvement algorithm based on BDLS

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