基于多阶段传播的区块链网络低延迟邻居选择方案

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2024111678

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (12): 3939-3946.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2024111678

基于多阶段传播的区块链网络低延迟邻居选择方案

李功丽¹^,², 陈晓迪¹, 李露¹

^1.河南师范大学计算机与信息工程学院，河南新乡 453007
^2.河南省教育人工智能与个性化学习重点实验室（河南师范大学），河南新乡 453007

收稿日期:2024-11-27 修回日期:2025-01-24 接受日期:2025-02-11 发布日期:2025-02-14 出版日期:2025-12-10
通讯作者: 陈晓迪
作者简介:李功丽（1981—），女，河南信阳人，副教授，博士，CCF会员，主要研究方向：现代密码学
陈晓迪（2000—），男，河南濮阳人，硕士研究生，主要研究方向：区块链技术及其应用
李露（2001—），女，河南信阳人，硕士研究生，主要研究方向：安全多方计算、可搜索加密。
基金资助:
河南省科技攻关计划项目(232102211057)

Low-latency neighbor selection scheme for blockchain networks based on multi-stage propagation

Gongli LI¹^,², Xiaodi CHEN¹, Lu LI¹

^1.School of Computer and Information Engineering，Henan Normal University，Xinxiang Henan 453007，China
^2.Henan Key Laboratory of Educational Artificial Intelligence and Personalized Learning （Henan Normal University），Xinxiang Henan 453007，China

Received:2024-11-27 Revised:2025-01-24 Accepted:2025-02-11 Online:2025-02-14 Published:2025-12-10
Contact: Xiaodi CHEN
About author:LI Gongli， born in 1981， Ph. D.， associate professor. Her research interests include modern cryptography.
CHEN Xiaodi， born in 2000， M. S. candidate. His research interests include blockchain technology and its applications.
LI Lu， born in 2001， M. S. candidate. Her research interests include secure multiparty computing， searchable encryption.
Supported by:
Henan Provincial Science and Technology Program(232102211057)

摘要/Abstract

摘要：

区块链基于非结构化的点对点（P2P）覆盖网络传播交易和区块。在这种网络结构上，传播具有延迟性且传播的长尾问题显著，而这些会导致节点存储信息的不一致，即区块链的分叉现象。分叉不仅浪费了整个区块链网络的算力资源，还带来了一系列的安全问题。为了减少区块链网络的传播延迟，提出一种基于多阶段传播的邻居选择方案（NSMP），通过邻居节点的选择优化网络拓扑结构。首先，根据传播能力和邻近度两个因素，将节点Outbound邻居分为强传播和弱传播两部分，并针对网络传播的不同阶段应用不同的邻居选择方案，从而减少传播跳跃和缩短传播时间；并且，进一步解决现有方案和默认方案都存在的传播长尾问题；最后，根据节点局部特征的拟合函数量化节点的传播能力，通过Ping协议量化节点的邻近度信息，并使用网络模拟器SimBlock对设计的方案进行模拟实验。实验结果表明，NSMP比默认方案的分叉率降低了52.17%，验证了NSMP的可行性和有效性。此外，根据实验模拟数据，确定了邻居节点邻近度远近分配的最佳参数设置。

关键词: 区块链, 点对点网络, 分叉, 传播延迟, 邻居选择

Abstract:

Blockchain relies on an unstructured Peer-to-Peer （P2P） overlay network for the propagation of transactions and blocks. In this network structure， propagation is delayed， and the long-tail propagation problem is significant， which lead to inconsistencies in the information stored by nodes， that is the phenomenon of blockchain forks. Forks not only waste computational resources in the entire blockchain network， but also introduce a series of security issues. To reduce propagation delays in blockchain networks， a Neighbor Selection scheme based on Multi-stage Propagation （NSMP） was proposed to optimize the network topology by selecting neighbor nodes. Firstly， the nodes’ Outbound neighbors were divided into strong and weak propagators based on two factors： propagation ability and proximity， and different neighbor selection schemes were applied at different stages of network propagation， thereby reducing propagation hops and shortening propagation time. At the same time， the long-tail propagation problems in both existing and default schemes were further solved. Finally， the propagation ability of nodes was quantified by a fitting function based on node local characteristics， proximity information of the nodes was quantified using the Ping protocol， and the designed scheme was tested through simulation experiments using the network simulator SimBlock. Experimental results show that NSMP reduces the fork rate by 52.17% compared to the default scheme， demonstrating the feasibility and effectiveness of NSMP. Besides， according to the simulation data of experiments， the optimal parameter setting for the distribution of neighbor node proximity was determined.

Key words: block chain, Peer-to-Peer (P2P) network, fork, propagation delay, neighbor selection

中图分类号:

TP301.6

李功丽, 陈晓迪, 李露. 基于多阶段传播的区块链网络低延迟邻居选择方案[J]. 计算机应用, 2025, 45(12): 3939-3946.

Gongli LI, Xiaodi CHEN, Lu LI. Low-latency neighbor selection scheme for blockchain networks based on multi-stage propagation[J]. Journal of Computer Applications, 2025, 45(12): 3939-3946.

图/表 12

图1 传播协议

Fig. 1 Propagation protocol

图2 4种方案的PDF对比

Fig. 2 Comparison of PDF of four schemes

表1 算法中使用的符号

Tab. 1 Symbols used in algorithm

符号	描述
i，j	区块链网络中的节点
N_i	节点i的Outbound节点集
λ	区块节点邻近度的索引，λ∈［0，7］
$N i$	节点i的Outbound节点数
$N n e a r$	节点Outbound集的邻近节点数
D_i	节点i的度
D_th	延迟阈值
W	网络传播跳跃波数
N_i₁	节点i的强传播Outbound节点集
N_i₂	节点i的弱传播Outbound节点集
$N i 1$ ， $N i 2$	节点i强、弱传播Outbound节点数
φ_i	节点i的传播能力
θ	节点i的工作Outbound节点集，θ∈｛N_i₁，N_i₂｝
T_ij	邻居节点j将区块传播到节点i所花费的时间

表1 算法中使用的符号

Tab. 1 Symbols used in algorithm

符号	描述
i，j	区块链网络中的节点
N_i	节点i的Outbound节点集
λ	区块节点邻近度的索引，λ∈［0，7］
$N i$	节点i的Outbound节点数
$N n e a r$	节点Outbound集的邻近节点数
D_i	节点i的度
D_th	延迟阈值
W	网络传播跳跃波数
N_i₁	节点i的强传播Outbound节点集
N_i₂	节点i的弱传播Outbound节点集
$N i 1$ ， $N i 2$	节点i强、弱传播Outbound节点数
φ_i	节点i的传播能力
θ	节点i的工作Outbound节点集，θ∈｛N_i₁，N_i₂｝
T_ij	邻居节点j将区块传播到节点i所花费的时间

图3 简单网络拓扑

Fig. 3 Simple network topology

图4 不同节点的度下区块传播时间对比

Fig. 4 Comparison of block propagation time under different node degrees

图5 不同聚类系数的节点传播时间对比

Fig.5 Comparison of node propagation time of different clustering coefficients

图6 带宽与挖矿能力对传播时间的影响

Fig. 6 Influence of bandwidth and mining ability on propagation time

图7 理论函数和模拟实验结果的对比

Fig.7 Comparison of theoretical function and simulation results

图8 网络拓扑的传播时间对比

Fig.8 Comparison of propagation time of network topologies

图9 网络拓扑的PDF对比

Fig. 9 Comparison of PDF of network topologies

表2 网络拓扑的分叉率和传播开销对比

Tab. 2 Comparison of fork rate and propagation overhead of network topologies

网络拓扑	分叉率/%	传播开销/GB
Default	1.61	4.81
GDS	1.34	3.62
TDS	1.12	2.86
NSMP	0.77	1.95

图10 3种延迟阈值下节点的分配传播对比

Fig. 10 Comparison of node allocation propagation under three delay thresholds

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Low-latency neighbor selection scheme for blockchain networks based on multi-stage propagation

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