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Hyperledger Fabric共识机制优化方案

已有 197 次阅读 2021-9-18 10:10 |系统分类:博客资讯

共识机制是指:在无中心、弱信任的分布式系统中,通过信息交互或运算使各个节点对某个值或某种状态产生相同的看法,实现异地环境中的数据或状态同步。

 

作为区块链的核心技术,共识机制需要注重安全性、效率和能耗等问题, 从而保证区块链系统能够正常运行. 目前主流的共识机制有工作量证明(Proof of work, PoW)、权益证明(Proof of stake, PoS)和授权权益证明(Delegated proof of stake, DPoS)等证明类共识机制, 以及实用拜占庭容错(Practical Byzantine fault tolerance, PBFT)等传统分布式系统一致性算法. 


孟吴同,  张大伟.  Hyperledger fabric共识机制优化方案.  自动化学报,  2021,  47(8): 1885−1898

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c190516?viewType=HTML


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图1  主流共识算法


Hyperledger 是Linux基金会于2015年主导发起的开源项目, 其子项目Hyperledger fabric是一个允许多方参与、开发、部署和运行区块链应用的联盟链平台. Hyperledger fabric旨在创造一个模块化和可扩展的区块链开发框架, 为企业级区块链应用的开发提供解决方案.Hyperledger fabric将应用层的信任模型同底层的共识协议解耦, 拆分共识过程为交易内容合法性验证和交易顺序一致性保证两个步骤. 背书和验证保证交易内容的合法性, 排序保证交易顺序的一致性. 通过将这两部分进行解耦, 智能合约的开发者可以设计更为灵活的信任模型, Hyperledger fab-ric网络也获得了更快的交易处理速度. 


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图2  Hyperledger fabric项目


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图3  Hyperledger fabric共识机制


在Hyperledger fabric中, 背书节点属于关键节点, 数量较少却承担着对所有交易内容的合法性进行背书的重要任务; 并且为了便于交易客户端识别和验证,背书节点的身份必须公开. 在区块链网络中身份公开且承载着大量的敏感交易数据, 这必然使得背书节点成为敌手的首要攻击目标. 此外, 由于每个背书节点都要处理所有的交易, 这使其成为系统中交易处理的性能瓶颈, 从而导致单个背书节点的处理能力限制了整个区块链网络的交易速度.


本文针对联盟链中共识机制的安全性问题, 在 “背书−排序−验证”共识模型的基础上引入非交互式可验证随机节点抽取方法, 提出了一种Hyperledger fabric共识机制的优化方案:


1) 引入背书节点候选集, 使用可验证随机函数(Verifiable random functions, VRF)的随机输出特性在非交互模式下抽取背书节点, 降低背书节点中心化程度, 增加系统的抗攻击能力;


2) 交易客户端利用可验证随机函数的验证特性来完成背书节点的身份认证, 从而在节点随机抽取过程中确保背书节点身份的真实性和可验证性;


3) 将原有的一组背书节点为所有交易背书, 改进为多组背书节点为交易进行背书, 使用并行处理的方式来提高交易处理速度.


实验结果表明, 优化后的共识机制在保证通信成本基本不变的前提下, 具有更高的安全性、更低的交易延迟和更快的交易处理速度.


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图4  优化后的Hyperledger fabric共识机制


作者简介


孟吴同

北京交通大学硕士研究生. 2017年获得河北大学网络工程学士学位. 主要研究方向为区块链.

E-mail: mengwt@bjtu.edu.cn


张大伟

北京交通大学计算机与信息技术学院副教授.2004 年于北京航空航天大学获得通信与信息系统专业博士学位. 主要研究方向为区块链, 安全协议, 可信计算. 本文通信作者.

E-mail: dwzhang@bjtu.edu.cn




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