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基于链上扩展的区块链性能优化方案研究

潘吉飞  
【摘要】:2008年中本聪发表比特币白皮书,比特币诞生,引发了研究人员从事区块链技术研究的热潮。区块链作为分布式数据存储、P2P网络、共识机制、加密算法等多种计算机技术的新型应用范式,具有去中心化、不可篡改、可追溯等特点,在金融、数字版权、公证、商品溯源等领域获得越来越多的关注,具备广阔的应用前景。区块链系统目前的实现方案普遍存在性能和容量上的缺陷,使其无法取得更深度化的普及和应用。为了解决这些问题,研究者们相继提出了增大区块容量、见证隔离、闪电网络、DAG、分片等多种解决方案,这些方案按照设计层次的差异划分为链下(Off-chain)解决方案和链上(On-chain)解决方案。链下解决方案允许小型和频繁的交易发生在与主链并行并由主链信用背书的侧链实例上;链上解决方案直接修改区块链设计以支持更高性能,具有更高的研究价值。分片机制通过将交易划分到多个分片并行处理来提升系统整体的交易性能,被视为最有可能解决区块链瓶颈的链上方案。采用分片机制的区块链项目有Ethereum 2.0、Zilliqa和QuarkChain等。由于区块链分片技术的研究还处于起步阶段,以及分片技术本身的复杂性,目前的分片设计仍存在一定问题,如网络分片的合理性欠缺、交易分片的安全性不足、跨分片交易处理难度大等。本文主要工作和成果如下:1.介绍区块链的关键性技术和当下区块链系统存在的不足;2.总结目前主流的基于链上扩展的区块链性能提升方案;3.针对分片机制中节点划分不够合理,分片调整难度大的问题,提出了“基于动态权重的跳跃Hash分片构建算法”JHDWS,将分片映射到二维矩阵,节点划分到对应的目标分片只需要计算矩阵的行列信息,分片构建的时间复杂度由nO)(降低到nO)(log;分片的调整转换为二维矩阵的动态变换,降低了维护成本;4.针对分片交易安全性差、跨分片交易处理难度大的问题,提出了“多主节点异步共识组算法”MACG,通过多个分片授权选举综合性能良好的节点组成异步共识组来验证和处理交易,提升交易的安全性和交易吞吐量。5.通过理论分析和实验证明,基于JHDWS分片算法和MACG共识构建的区块链系统的交易性能可达5000tps,同时能有效抵御“1%”分片攻击和女巫攻击(Sybil Attacks),满足大部分应用系统的需求。区块链系统本身非常复杂,需要综合考量安全性、去中心化和可扩展性等因素,随着技术的飞速发展必将促进区块链更快的落地实际应用。


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