基于可验证延迟函数的改进实用拜占庭容错算法

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2022111708

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (11): 3484-3489.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2022111708

所属专题：网络空间安全

基于可验证延迟函数的改进实用拜占庭容错算法

王春东(), 姜鑫

天津理工大学计算机科学与工程学院，天津 300384

收稿日期:2022-11-18 修回日期:2023-02-24 接受日期:2023-02-25 发布日期:2023-11-14 出版日期:2023-11-10
通讯作者: 王春东
作者简介:王春东（1969－），男，天津人，教授，博士，CCF会员，主要研究方向：网络信息安全、普适计算、移动计算、智能信息处理 michael3769@163.com
姜鑫（1997－），男，山东菏泽人，硕士研究生，主要研究方向：区块链、数据共享。
基金资助:
“科技助力经济2020”重点专项(SQ2020YFF0413781);天津市科委重大专项(15ZXDSGX00030);国家自然科学基金面上—联合基金资助项目(U1536122)

Improved practical Byzantine fault tolerance algorithm based on verifiable delay function

Chundong WANG(), Xin JIANG

School of Computer Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China

Received:2022-11-18 Revised:2023-02-24 Accepted:2023-02-25 Online:2023-11-14 Published:2023-11-10
Contact: Chundong WANG
About author:WANG Chundong， born in 1969， Ph. D.， professor. His research interests include network information security， ubiquitous computing， mobile computing， intelligent information processing.
JIANG Xin， born in 1997， M. S. candidate. His research interests include blockchain， data sharing.
Supported by:
“National High Science and Technology for Economy 2020” Key Project(SQ2020YFF0413781);Major Project of Tianjin Science and Technology Commission(15ZXDSGX00030);National Natural Science Foundation of China （General Joint Fund）(U1536122)

摘要/Abstract

摘要：

针对实用拜占庭容错（PBFT）共识机制的主节点选择不合理和高交易延迟问题，提出一种基于可验证延迟函数（VDF）的改进实用拜占庭容错共识机制VPBFT。首先，针对原有的PBFT算法引入投票机制进行节点选取，并根据随机投票结果将节点划分为普通节点、投票节点、备份节点和共识节点；其次，改进PBFT算法主节点选举机制，即使用VDF进行主节点选举，并利用上一区块哈希值和用户私钥生成随机数，增加主节点的不可预测性，保证共识安全；最后，优化PBFT算法的共识过程，将共识过程简化为三个阶段，从而降低算法复杂度，减少通信开销。实验结果表明，所提出的VPBFT在安全性和共识性能方面优于原有PBFT算法。

关键词: 区块链, 实用拜占庭容错, 可验证延迟函数, 投票机制, 哈希函数, 交易延迟

Abstract:

To solve the problems of unreasonable primary node selection and high transaction delay in Practical Byzantine Fault Tolerance （PBFT） consensus mechanism， an improved PBFT consensus mechanism based on Verifiable Delay Function （VDF） was proposed， called VPBFT. Firstly， a voting mechanism was introduced into original PBFT algorithm to select nodes， which were divided into ordinary nodes， voting nodes， backup nodes and consensus nodes according to random voting results. Secondly， the primary node selection mechanism of PBFT algorithm was improved by using VDF for primary node selection， and random numbers were generated by the hash value of the previous block and the user’s private key to increase the unpredictability of the primary node and ensure the consensus security. Finally， the consensus process of PBFT algorithm was optimized by simplifying consensus process into three stages， thereby reducing the algorithm complexity and communication overhead. Experimental results show that the proposed VPBFT outperforms the original PBFT algorithm in terms of security and consensus performance.

Key words: blockchain, Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT), Verifiable Delay Function (VDF), voting mechanism, hash function, transaction delay

中图分类号:

TP301

王春东, 姜鑫. 基于可验证延迟函数的改进实用拜占庭容错算法[J]. 计算机应用, 2023, 43(11): 3484-3489.

Chundong WANG, Xin JIANG. Improved practical Byzantine fault tolerance algorithm based on verifiable delay function[J]. Journal of Computer Applications, 2023, 43(11): 3484-3489.

图/表 9

图1 PBFT共识过程

Fig. 1 PBFT consensus process

图2 VDF算法流程

Fig. 2 VDF algorithm flow

图3 VPBFT算法流程

Fig. 3 Flow of VPBFT algorithm

图4 VPBFT节点模型

Fig. 4 VPBFT node model

图5 VPBFT主节点选举流程

Fig. 5 Voting flow of VPBFT primary node

图6 VPBFT和PBFT的可靠性比较

Fig. 6 Comparison of reliability between VPBFT and PBFT

图7 VPBFT和PBFT的交易延迟比较

Fig. 7 Comparison of transaction delay between VPBFT and PBFT

图8 不同事务量下VPBFT和PBFT的出块效率比较

Fig. 8 Comparison of block generation rate between VPBFT and PBFT at different transaction volumes

图9 不同节点规模下VPBFT和PBFT的区块生成率比较

Fig. 9 Comparison of block generation rate between VPBFT and PBFT at different node sizes

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