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考虑信任度和权值的区块链数据通信性能优化研究

李皎  
【摘要】:随着互联网信息量的日益增长,数据存储管理趋向于分布式。在分布式存储环境中,用户越来越重视用户交互体验的时效性和信息交互的可靠性。然而用户的工作效率常常被分布式站点间数据通信效率所制约。分布式数据管理的重要目标之一是提高数据传输的效率和确保数据传输的可靠性。区块链技术是支撑管理信息系统发展的新兴技术之一,为分布式数据的存储、验证、传递和交流提供了一种解决方案。本文重点解决区块链数据传输问题,从提升数据通信的效率,确保传输的可靠性,改善服务的公平性三方面进行研究,在节点通信能力、节点信任度、权值、服务请求优先级等多个影响因素的约束下,提出了不同的区块链数据通信性能优化策略。研究成果及创新点如下:1)为了从通信拓扑结构和通信机制方面优化通信性能,本文首先构建了多连接并发通信树模型。该模型基于树形通信结构,引入并发通信机制,采用“各尽其能,能者多劳”思想,最大限度的发挥节点通信能力,提高了数据通信效率。通过性能分析表明:树形拓扑结构避免了传输瓶颈效应和冗余重传问题,并且具有良好的故障隔离性;整个通信属于多节点多任务并发无间歇传输,通信并发度和传输效率高。另外,参与转发数据的节点比例较小,有效地降低了区块链节点维护和管理的难度。2)在确保数据传输稳定、可靠的基础上,进一步优化了区块链中数据传输的效率,提出综合因子通信树算法(Integrated Factor communication Tree algorithm,IFT)。本文首先给出了基于AHP时间帧动态更新的节点信任度评价方法,该方法充分体现了信任的多属性、多粒度、时间动态变化特性。通过评价方法计算出节点信任度,基于多连接并发通信树模型,提出了IFT算法,理论证明和仿真实验表明该算法构造的通信树具有高可靠性低延迟的特点。3)为了解决节点之间的传输延时对通信性能的影响,提出一种考虑权值的多连接多因子通信树算法(a Multi-link Multi-factor Weighted communication Tree algorithm,MMWT)。该算法引入通信权值的概念,基于多连接并发通信树模型,将节点通信连接数、节点信任度和通信权值多个因素综合权衡。通过设置信任度阀值和权值阀值使得通信能力强、信任度高和权值小的节点位于通信树顶层和上层,从而缩短并发通信时间,提高了区块链通信可靠性。仿真结果分析表明,与现有算法相比,MMWT算法在并发通信时间、平均端到端延时、并发度、通信树信任度、平均链路压力和通信树深度等方面均能表现出较好的通信性能。4)为了解决区块链节点失效而导致区块链通信性能下降问题,提出一种考虑节点失效的区块链通信算法。该算法的基本思想是通过设置响应阀值判断节点是否失效,采用提前预防措施避免在数据传输过程中出现分支错误。理论推导出节点在等通信连接数情况下,节点所处通信树深度与级联失效节点数目之间的关系,及节点失效数目与并发通信时间之间的关系。仿真实验表明失效节点比例低于15%,通信效率不会显著增加。另外,低性能节点失效对通信性能影响甚小,高性能节点失效会导致通信性能降低。5)在保证区块链通信效率的前提下,为了提升区块链节点服务请求的公平性,本文提出了考虑节点服务优先级的区块链通信算法。该算法基于多连接并发通信树模型,通过对节点服务请求优先级队列进行局部调整,使得通信能力强的节点优先加入通信树,提高通信的并发度,缩短传输延时。仿真实验得到了通信树队列调整比率最优范围为5%-10%之间,并验证了算法在通信效率和通信公平性方面的有效性。


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