区块链DPoS共识机制改进研究.pdf
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1、区块链共识算法可用于增强物联网安全性,提高网络节点之间的协作效率。委托权益证明(Delegated Proof ofStake,DPoS)可以同时满足低成本和高效率的要求,提高节点协作的服务质量。然而,协作节点的恶意攻击、自私行为和投票积极性不高都会影响 DPoS 的共识过程。针对这些挑战,该文对 DPoS 共识机制进行了改进,为了提高节点的投票积极性,提出了一种信任值模型,根据节点行为将信用评价指标分为“交易情况冶“性能冶“信用级别冶三个一级指标以及对应的二级指标,并采用动态分配二级指标权重的方法对节点信任值进行计算,从而使选出的节点更加可信。同时,针对恶意节点以及自私行为,提出了一种基于高
2、斯混合模型的异常节点剔除算法,对投票数据进行划分,计算其混合高斯概率密度值,并设定阈值,将低于阈值的节点剔除,从而识别并剔除异常数据。相对于传统的 DPoS,改进后的 DPoS 节点出块速率以及异常节点剔除率都有显著提升。关键词:区块链;DPoS 共识机制;信任值模型;高斯混合模型;共识节点中图分类号:TP399摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标识码:A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号:1673-629X(2023)09-0078-05doi:10.3969/j.issn.1673-629X.2023.09.012Research on Improvement of Blockchain DP
3、oS Consensus MechanismZHANG Xing-xing,HE Li-wen(Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)Abstract:The blockchain consensus algorithm can be used to enhance the security of the Internet of Things and improve the cooperationefficiency between network nodes.Delegated Proo
4、f of Stake(DPoS)can meet the requirements of low cost and high efficiency at thesame time,and improve the service quality of node collaboration.However,malicious attacks,selfish behavior and low voting enthusiasmof cooperative nodes will affect the consensus process of DPoS.In response to these chal
5、lenges,we improve the DPoS consensusmechanism.In order to improve the voting enthusiasm of nodes,a trust value model is proposed.According to the behavior of nodes,credit evaluation indicators are divided into three first-level indicators:“transaction status冶“performance冶“credit level冶 and the corre
6、鄄sponding second-level indicators.The method of dynamically allocating the weight of the second-level indicators is used to calculate thetrust value of nodes,which makes the selected node more reliable.At the same time,aiming at malicious nodes and selfish behaviors,anoutlier removal algorithm based
7、 on Gaussian mixture model is proposed,which divides the voting data,calculates its Gaussian mixtureprobability density value,and sets a threshold to remove nodes below the threshold,so as to identify and remove outlier data.Comparedwith the traditional DPoS,the improved DPoS has significantly impro
8、ves node block rate and exception node rejection rate.Key words:blockchain;DPoS consensus mechanism;trust value model;Gaussian mixture model;consensus node0摇 引摇 言2008 年 11 月 1 日,中本聪发表的比特币白皮书:一种点对点的电子现金系统1标志着比特币的诞生,同时也将区块链展示在世人面前。区块链本质上是一种数据结构,由封装数据信息的块按照时间顺序链接。区块链使用非对称加密的分布式账本来确保区块链中数据的安全性和可靠性。随着区块链
9、技术的不断发展,它将对金融、教育改革、物联网、人工智能等产生深远影响2。共识算法作为区块链的核心部分,它的效率直接决定了区块链的性能。共识算法解决的是区块链数据记录的合法性与数据存储的同一性,它的漏洞很容易被不法分子利用并对网络产生巨大的破坏作用。因此,研究更加高效安全的共识算法对推动区块链技术的广泛运用有着重要且深远的现实意义。随着区块链技术的发展、应用场景和协议条件选择的不同,提出了许多不同的共识算法,如用于区块链中的共识算法 PoW、PoS、DPoS,用于非拜占庭网络的Paxos 算法和 Raft 算法、解决拜占庭问题的 BFT 和第 33 卷摇 第 9 期2023 年 9 月摇 摇 摇
10、 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇计 算 机 技 术 与 发 展COMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇Vol.33摇 No.9Sep.摇 2023PBFT 算法等3。PoW 共识算法具有简单的验证和安全性,一个nonce 的验证只需要两次 SHA-256 操作,此验证模式可防止节点被伪 nonce 欺骗。此外 PoW 具有“51%攻击冶的容错率4,只有当攻击者拥有整个计算资源的51%以上时,它才有可能修改已上链的区块链信息,这是不现实的。但与此同时 PoW 也带来了过度的资源浪费,并且需要确认交易的时间过长。PoS 共识算法是为了
11、弥补 PoW 算法的不足而产生的,PoS 的核心思想是“节点的权益越大,更容易获得记账权冶5。PoS算法是在一个有限的空间里进行共识,不需要消耗过多的外部算力和资源,因此可以有效地弥补 PoW 的劣势,并且能够在一定程度上缩短达成共识的时间,提升系统运行性能6。虽然在一定程度上减少了系统的挖矿时间,但本质上还是需要挖矿,依然会造成算力浪费。Dan Larimer 设计并提出了委托权益证明机制(Delegated Proof of Stake,DPoS)7,它是 PoS 的一种演化版本。在 DPoS 算法中,所有的节点都可以通过投票来选举代理节点,被选举出的代理节点按照一定的规则负责区块生成及验
12、证。如果代理节点出现问题,例如没有在规定的时间内产生区块,那么它就会失去代理权。相比于 PoS 算法,DPoS 减少了参与验证区块的节点数量,提升了区块确认速率8,同时也降低了能耗,区块链系统的性能得到了进一步的提升。但DPoS 也存在一些缺点,总结来说有以下四点:(1)投票积极性不高,大多数节点只是持股,从来不参与投票。(2)垄断性高,只有持币的人才能参与区块验证。(3)没有对错误节点进行快速剔除,不仅影响代理节点投票结果,还增加了投票周期,耗费资源9。(4)恶意节点贿赂投票节点导致“腐败攻击冶,破坏整个系统。针对上述缺点,国内外一些学者对 DPoS 算法进行了改进。针对 DPoS 中没有生
13、成块故障的处理方案的问题,Tan C 和 Xiong L10将块生成的节点故障行为记录为下一次选择见证节点的投票数的计算因子,以降低恶意节点再次被选为见证节点的概率,但并没有考虑到大规模并发问题,用于商用时还需考虑吞吐量问题。Chen Y 和 Liu F11考虑时间动态因素的声誉模型,构建了基于声誉的投票机制和奖惩激励机制,实现了对节点的声誉激励,并设计了一种新的计票方法,提高了选举效率。何帅等12针对 DPoS 共识机制存在恶意节点相互勾结以及权益分配不合理的两大问题,引入 RBF 神经网络模型,计算综合信任值,使得通过综合信誉值选举出的节点更加权威可信;同时,加入基于动态博弈的信誉激励机制
14、,利用沙普利值对节点权益进行合理划分,使得节点的权益得到了分散,增强了“去中心化冶程度。但与神经网络算法的结合增加了整体算法的空间复杂度,反而降低了运行效率。该文提出一种信任评估模型,使用信任评估模型计算每个节点的信任值,根据节点行为将信用评价指标分为“交易情况冶“性能冶“信用级别冶 三个一级指标,每个一级指标下划分若干二级指标,动态分配二级指标权重,将二级指标根据量化函数进行量化后,根据对应的权重对节点信任值进行计算并排序,从而使选出的节点更加可信。同时,针对恶意节点以及自私行为,提出了一种基于高斯混合模型的异常节点剔除算法,首先对投票数据情况进行划分,根据高斯混合模型计算其混合高斯概率密度
15、值,并设定阈值,将计算出的混合高斯概率密度值低于阈值的节点剔除,从而达到在节点的恶意攻击和自私行为中识别并剔除异常数据的目的。最后通过仿真实验得出结论。1摇 DPoS 共识机制的改进1.1摇 系统模型文中系统模型如图 1 所示。首先通过信任评估模型对节点信任值进行排序,利用基于高斯混合模型剔除算法剔除节点的异常投票,将最终投票数与信任值结合选出排名为前 2TN 的节点为候选节点,排名为前TN 的节点为见证节点,见证节点轮流产生区块并验证区块信息,然后开始下一轮出块权力竞争,n 轮区块产生之后开始下一轮见证节点以及候选节点的竞选。N1C1N2C2.NiCi图 1摇 系统模型1.2摇 信任值模型基
16、于 DPoS 共识算法的区块链节点主要包含三种类型:普通节点、见证人节点以及候选节点。普通节点在共识过程中负责投票选出见证节点,而见证节点负责产生区块。当见证节点没有在规定时间内产生新的区块或者产生了无效块,那么 DPoS 会跳过这个节点并由下一个候选节点负责区块的产生。为了使选出的见证节点更加安全可信,构建了信任值模型,结合每个97摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张星星等:区块链 DPoS 共识机制改进研究节点的行为对节点做出评估得出信任值并加入到选举机制当中。如表 1 所示,根据节点行为将信用评价指标分为交易情况、性能、信用级别三个一级指标。节点的交易情况
17、由二级指标交易总量 TNi(Total Numberof transactions)和货币流动性 CLi(Currency Liquidity)来衡 量。节 点 性 能 由 网 络 延 迟 NLi(NetworkLatency)、节 点 下 线 次 数 OTNi(Offline Times ofNodes)和节点活跃度 NAi(Node Activeness)来衡量。信用级别由有效区块数 EPi(Effective block ratio)和上一轮节点信任值 Ci(Credit degree of the lastround ofnodes)来衡量。表 1摇 节点信用评价指标一级指标二级指标(
18、INi)权重(Wi)交易情况交易总量(TNi)t1货币流动性(CLi)t2性能网络延迟(NLi)p1节点下线次数(OTNi)p2节点活跃度(NAi)p3信用级别有效区块数(EPi)0.2上一轮节点信任值(Csi)0.2摇 摇 在节点信用评价指标中,有些二级指标的属性是离散的,如交易总量、网络延迟、节点离线次数等。这些值的波动幅度较大且不同属性不同范围的维度容易影响实验,所以在利用这些指标计算节点信任值之前,需要对离散的指标进行量化。该文采用 min-max 标准化方法将所有指标量化在0,1 之间,量化函数如下:字*=字-MINMAX-MIN其中,MAX 为样本数据的最大值,MIN 为样本数据的
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