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基于拜占庭容错机制的区块链共识算法研究与应用

李剑锋  
【摘要】:随着比特币的风靡和金融科技时代的到来,区块链技术也越来越受各国政府、组织和企业的关注。作为比特币的底层技术,区块链具有去中心化、防篡改和可追溯等特性,在征信、融资、债券、股权、知识产权以及不动产证明等领域具有广阔应用前景。共识算法是区块链的引擎与核心,决定系统能否满足分布式一致性,对系统吞吐量、交易确认时间、应用场景及容错性等方面也具有重要影响。在此背景下,本文提出了CBFT(Consortium Byzantine Fault Tolerance,拜占庭容错)算法,实验验证该算法的同时,将其应用于具体场景。本文的主要研究内容如下:(1)分析了区块链及其底层技术原理,重点介绍了以太坊区块链技术,分层阐述了以太坊架构模型,同时,分析了PoW、PoS等区块链共识算法的原理与实现,对PBFT等分布式一致性算法的结构和流程进行了说明,这些技术原理为区块链共识算法研究与改进提供了理论依据和技术支撑。(2)针对PoW等算法吞吐量低、交易确认时间长、应用场景及容错性问题,提出了在联盟链场景下,将拜占庭容错机制作为区块链共识机制,并加以改进,具体包括:结合以太坊区块链技术和拜占庭容错机制,转变共识网络的计算和处理模式,减少检查点等额外开销,同时,通过区块缓存机制提高共识效率,通过针对不同区块高度的同步与签名算法保证联盟链场景下数据一致性,通过智能合约技术实现节点动态变更功能。在此基础之上,设计并实现了CBFT算法,实验验证了该算法在吞吐量、交易确认时间等方面较比特币和以太坊等系统具有一定优势,同时具有一定容错性。(3)针对传统集中式仓单交易系统过度中心化、单点故障、伪造数据和难以规避票据市场风险等问题,将CBFT算法应用于仓单交易模型,重新定义了仓单交易模式。同时,在联盟链环境下,构建了基于该算法的仓单交易平台,通过模拟仓单挂牌交易业务的操作,验证了该算法在实际场景中能够满足需求,并有效地完成该业务的共识工作。


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