主从多链模型下的区块链共识性能研究

【摘要】：区块链是互联网应用的一种信任建立和价值传递机制,从根本上改进了信任及价值传递,推动了信息互联网向价值互联网的进化。区块链技术从1.0发展到3.0,从单纯的货币、支付和金融这些经济领域进入到人类社会的方方面面,其所承载的数字资产也从单一化上升为多样化,多样化数字资产的上链需求将对区块链性能提出新挑战。诸如比特币这样的区块链应用,其所支持的依然只是单纯的货币支付等这类单一的简单交易,用此承载多样化数字资产只能在链上对数字资产进行混合处理,这将使区块链性能更加低下。同时,多样化数字资产将带来更复杂的交易合法性验证规则,例如:交易验证依赖数字资产的整个交易记录。现存的区块链技术只能通过遍历以支撑复杂验证规则的交易验证,这又将大大降低共识性能。如何确保共识性能必将是多样化数字资产上链必须解决的问题。为满足多样化数字资产的上链需求,提升区块链的表达和处理能力,实现高可信、高并发的价值传递,本文针对现有区块链的共识性能存在的一些不足进行研究。本文的主要工作和贡献概括如下:1.提出一种基于哈希锚定的主从多链模型,解决单链模型将多样化数字资产混合处理导致的性能低下问题。首先,通过设计主从多链架构模型,重构区块数据结构,构建针对不同数字资产不同从链管理的多链模型;其次,使用基于哈希值的主从多链锚定方法保障多链模型下数据的不可篡改性,利用代价计算方式,杜绝拜占庭节点对数据发起的篡改行为。2.提出一种基于延迟边界的多共识动态协作策略,适用于主从多链模型。首先,使用改进的PBFT算法作为多中心协作共识机制,减少共识过程中的通信代价,并使用时间阈值设置延迟边界,杜绝非恶意的网络故障带来的共识延迟;其次,使用验证节点群组动态构建策略动态选择节点进行验证区块的共识,这种方法可大幅度增加拜占庭节点作恶代价;实验针对多种情况进行了数据统计,并进行了性能比对,实验结果表明在主从多链模型下多共识动态协作策略可实现秒级的交易延迟以及万级的交易吞吐量。3.提出一种基于MPT的交易快速验证支持模型,主要解决在主从多链模型下,如何快速验证多样化数字资产交易的合法性,减少交易验证带来的共识延迟。交易快速验证支持模型通过在交易结构中增加前驱交易的索引,并结合MPT结构,构建MPT-Chain实现快速的交易集合查询用来支持交易合法性验证,其次,利用默克尔证明支持轻节点数据查询请求,在拜占庭节点存在的情况下仍然可以准确地为轻节点提供查询服务。实验结果表明本文所提出的交易快速验证支持模型可支持毫秒级的交易验证。