电子学报 ›› 2022, Vol. 50 ›› Issue (2): 257-266.DOI: 10.12263/DZXB.20201212
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张文芳1, 孙海锋1, 张晏端1, 唐荣骏1, 王小敏1, 马征1, 李暄2, 黄路非2
收稿日期:
2020-10-29
修回日期:
2021-03-30
出版日期:
2022-02-25
发布日期:
2022-02-25
作者简介:
基金资助:
ZHANG Wen-fang1, SUN Hai-feng1, ZHANG Yan-duan1, TANG Rong-jun1, WANG Xiao-min1, MA Zheng1, LI Xuan2, HUANG Lu-fei2
Received:
2020-10-29
Revised:
2021-03-30
Online:
2022-02-25
Published:
2022-02-25
摘要:
区块链构建了一种价值互联的去中心化网络,是继互联网之后的最具革命性和颠覆性的创新技术.但现有区块链存在性能低下,隐私保护不足,单层链式结构难以支持多种场景下数字资产的分类并发处理,单链共识算法难以实现多链乃至全局的一致性等问题.为解决上述问题,本文基于树形结构设计一种适用于联盟链场景的主从多链架构,可实现不同数字资产的分类、并发处理和达到数据隔离的隐私需求.针对该树形主从多链架构,进一步提出一个基于门限签名的改进拜占庭容错共识算法,可解决多样化数字资产分类并发处理带来的一致性问题.性能分析和仿真结果表明:所提方案在实现隐私数据隔离保护的同时,兼具高并发交易性能,通信复杂度由O(n2)降为O(n),可满足企业多样化业务需求.
中图分类号:
张文芳, 孙海锋, 张晏端, 唐荣骏, 王小敏, 马征, 李暄, 黄路非. 基于树形结构构造的联盟链主从多链共识算法[J]. 电子学报, 2022, 50(2): 257-266.
ZHANG Wen-fang, SUN Hai-feng, ZHANG Yan-duan, TANG Rong-jun, WANG Xiao-min, MA Zheng, LI Xuan, HUANG Lu-fei. A Consensus Algorithm for Consortium Chain with Tree Based Master-Slave Multi-Chain Architecture[J]. Acta Electronica Sinica, 2022, 50(2): 257-266.
方案 | 架构 | 共识机制 | 容错率 | 去中心化程度 | 分叉 | 数据隔离 | 跨链处理 | 抗双花 | 通信复杂度 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Bitcoin[ | 单链 | PoW | 50% | 完全 | 有 | × | × | √ | |
Bitcoin-NG[ | 单链 | PoW | 50% | 完全 | 有 | × | × | √ | |
Ethereum[ | 单链 | PoW | 50% | 完全 | 有 | × | × | √ | |
T-PBFT[ | 单链 | PBFT | 50% | 半去中心化 | 无 | × | × | × | O(n2) |
MBFT[ | 单链 | MBFT | 33% | 半去中心化 | 无 | × | × | √ | O(n) |
文献[ | 单链 | TTNPBFT | 33% | 半去中心化 | 无 | × | × | √ | O(nk ) |
Fabric[ | 多链 | PBFT | 33% | 半去中心化 | 无 | √ | × | √ | O(n2) |
文献[ | 多链 | PBFT | 33% | 半去中心化 | 无 | √ | √ | × | O(n2) |
本方案 | 多链 | * | 33% | 半去中心化 | 无 | √ | √ | √ | O(n) |
表1 方案性能对比
方案 | 架构 | 共识机制 | 容错率 | 去中心化程度 | 分叉 | 数据隔离 | 跨链处理 | 抗双花 | 通信复杂度 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Bitcoin[ | 单链 | PoW | 50% | 完全 | 有 | × | × | √ | |
Bitcoin-NG[ | 单链 | PoW | 50% | 完全 | 有 | × | × | √ | |
Ethereum[ | 单链 | PoW | 50% | 完全 | 有 | × | × | √ | |
T-PBFT[ | 单链 | PBFT | 50% | 半去中心化 | 无 | × | × | × | O(n2) |
MBFT[ | 单链 | MBFT | 33% | 半去中心化 | 无 | × | × | √ | O(n) |
文献[ | 单链 | TTNPBFT | 33% | 半去中心化 | 无 | × | × | √ | O(nk ) |
Fabric[ | 多链 | PBFT | 33% | 半去中心化 | 无 | √ | × | √ | O(n2) |
文献[ | 多链 | PBFT | 33% | 半去中心化 | 无 | √ | √ | × | O(n2) |
本方案 | 多链 | * | 33% | 半去中心化 | 无 | √ | √ | √ | O(n) |
SDK接口名 | 接口功能 | 接口接收参数 |
---|---|---|
open | 开户 | 账户名、金额 |
transfer | 转账 | 账户名、账户名、金额 |
delete | 销户 | 账户名 |
表2 链码接口
SDK接口名 | 接口功能 | 接口接收参数 |
---|---|---|
open | 开户 | 账户名、金额 |
transfer | 转账 | 账户名、账户名、金额 |
delete | 销户 | 账户名 |
1 | 邵奇峰, 金澈清, 张召, 等. 区块链技术: 架构及进展[J]. 计算机学报, 2018, 41(5): 969-988. |
SHAO Q F, JIN C Q, ZHANG Z, et al. Blockchain: Architecture and research progress[J]. Chinese Journal of Computers, 2018, 41(5): 969-988. (in Chinese) | |
2 | EFANOV D, ROSCHIN P. The all-pervasiveness of the blockchain technology[J]. Procedia Computer Science, 2018, 123: 116-121. |
3 | NAKAMOTO S. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system[EB/OL]. (2008-11-01)[2022-01-17]. . |
4 | 蔡维德, 郁莲, 王荣, 等. 基于区块链的应用系统开发方法研究[J]. 软件学报, 2017, 28(6): 1474-1487. |
TSAI W D, YU L, WANG R, et al. Blockchain application development techniques[J]. Journal of Software, 2017, 28(6): 1474-1487. (in Chinese) | |
5 | POON J, DRYJA T. The bitcoin lightning network: Scalable off-chain instant payments[R/OL]. (2016-01-14)[2022-01-17]. . |
6 | EYAL I, GENER A E, SIRER E G . et al . Bitcoin-NG: A scalable blockchain protocol[C]//13th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation. Santa Clara, USA: USENIX, 2016: 45-59. |
7 | JAE K. Tendermint: Consensus without mining[R/OL]. (2014)[2022-01-17]. . |
8 | PASS, RAFAEL, ELAINE S. Hybrid consensus: Efficient consensus in the permissionless model[C]//31st International Symposium on Distributed Computing(DISC 2017). Vienna, Austria: Schloss Dagstuhl-Leibniz-Zentrum fuer Informatik, 2017: 39-55. |
9 | KOGIAS E K, JOVANOVIC P, GAILLY N, et al. Enhancing bitcoin security and performance with strong consistency via collective signing[C]//25th USENIX Security Symposium(USENIX Security 16). Austin, USA: USENIX ASSOC, 2016: 279-296. |
10 | PASS R, SHI E. Thunderella: Blockchains with optimistic instant confirmation[C]//Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques. New York, USA: Springer, 2018: 3-33. |
11 | VASIN P. Blackcoin's proof-of-stake protocol v2[R/OL]. (2014-07-01)[2022-01-17]. . |
12 | FENG L B, ZHANG H, CHEN Y, et al. Scalable dynamic multi-agent practical Byzantine fault-tolerant consensus in permissioned blockchain[J]. Applied Sciences, 2018, 8(10): 1919. |
13 | GAO S, YU T Y, ZHU J M, et al. T-PBFT: An EigenTrust-based practical Byzantine fault tolerance consensus algorithm[J]. China Communications, 2019, 16(12): 111-123. |
14 | DU M X, CHEN Q J, MA X F. MBFT: A new consensus algorithm for consortium blockchain[J]. IEEE Access, 2020, 8: 87665-87675. |
15 | 包振山, 王凯旋, 张文博. 基于树形拓扑网络的实用拜占庭容错共识算法[J]. 应用科学学报, 2020, 38(1): 34-50. |
BAO Z S, WANG K X, ZHANG W B. A practical Byzantine fault tolerance consensus algorithm based on tree topological network[J]. Journal of Applied Sciences, 2020, 38(1): 34-50. (in Chinese) | |
16 | TSAI W T, BLOWER R, ZHU Y, et al. A system view of financial blockchains[C]//2016 IEEE Symposium on Service-Oriented System Engineering(SOSE). Oxford, UK: IEEE, 2016: 450-457. |
17 | BACKA A, CORALLO M, DASHJRET L, et al. Enabling blockchain innovations with pegged sidechains[R/OL]. (2014-10-22)[2022-01-17]. . |
18 | ROOTSTOCK. Sidechains, drivechains and RSK 2-way peg designs[EB/OL]. (2015)[2022-01-17]. . |
19 | SOUSA J, BESSANI A, VUKOLIC M. A Byzantine fault-tolerant ordering service for the hyperledger fabric blockchain platform[C]//Proceedings of the 1st Workshop on Scalable and Resilient Infrastructures for Distributed Ledgers. Las Vegas, Nevada, USA: ACM, 2017, 6: 1-2. |
20 | 闵新平, 李庆忠, 孔兰菊, 等. 许可链多中心动态共识机制[J]. 计算机学报, 2018, 41(5): 1005-1020. |
MIN X P, LI Q Z, KONG L J, et al. Permissioned blockchain dynamic consensus mechanism based multi-centers[J]. Chinese Journal of Computers, 2018, 41(5):1005-1020. (in Chinese) | |
21 | PARK C, KUROSAWA K. New Elgamal type threshold digital signature scheme[J]. IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, 1996, 79(1): 86-93. |
22 | LESLIE L, ROBERT S, MARSHALL P. The Byzantine generals problem[J]. ACM Transactions on Programming Languages and Systems(TOPLAS), 1982, 4(3): 382-401. |
23 | WOOD GAVIN. Ethereum: A secure decentralised generalised transaction ledger[EB/OL]. (2014-01-14)[2022-01-17]. . |
[1] | 刘杰, 游品鸿, 田明, 刘金凤. 基于局部投影的视差图像拼接平滑优化[J]. 电子学报, 2022, 50(6): 1451-1456. |
[2] | 钱忠胜, 宋佳, 俞情媛, 成轶伟, 孙志旺. 利用函数影响力的相似程序间测试用例重用与生成[J]. 电子学报, 2022, (): 1-12. |
[3] | 李志博, 李清宝, 兰明敬, 孙剑帆. 基于镜像选择序优化的MART算法[J]. 电子学报, 2022, 50(2): 314-325. |
[4] | 范书平, 万里, 姚念民, 张岩, 马宝英. 基于关键用例获取的测试用例排序方法[J]. 电子学报, 2022, 50(1): 149-156. |
[5] | 柳菁, 李琪. DisHAP:基于层次亲和聚类的分布式大图划分算法[J]. 电子学报, 2021, 49(10): 2002-2011. |
[6] | 史先进, 曹爽, 张重生, 陶月锋, 吕灵灵, 沈夏炯. 基于锚点的字符级甲骨图像自动标注算法研究[J]. 电子学报, 2021, 49(10): 2020-2031. |
[7] | 王森, 王煜, 宁德军. 复杂软件系统健康状态智能感知与诊断模型[J]. 电子学报, 2021, 49(9): 1799-1808. |
[8] | 黄名选. 关联模式挖掘与词向量学习融合的伪相关反馈查询扩展[J]. 电子学报, 2021, 49(7): 1305-1313. |
[9] | 钱忠胜, 俞情媛, 宋涛, 朱懿敏, 祝洁, 赵畅. 基于支持向量机回归模型的测试用例生成与重用[J]. 电子学报, 2021, 49(7): 1386-1391. |
[10] | 杨良怀, 沈东海, 范玉雷, 高楠. 面向时空数据流的移动对象空间索引构建[J]. 电子学报, 2021, 49(5): 992-1000. |
[11] | 李斌, 陈定山, 孙小兵, 薄莉莉. 面向缺陷知识的多特征匹配搜索算法[J]. 电子学报, 2021, 49(4): 661-664. |
[12] | 王东升, 王卫民, 祁云松, 王石, 曹存根. 基于错误驱动的语义文法自动扩展学习方法研究[J]. 电子学报, 2021, 49(2): 248-259. |
[13] | 王丽, 杜鹏程, 许一鸣, 李必信. 基于分层架构模式识别的软件架构重构技术[J]. 电子学报, 2021, 49(1): 201-208. |
[14] | 王海东, 刘云敬, 康琳, 武迎春. 射频能量捕获传感网移动能量源的布置策略研究[J]. 电子学报, 2020, 48(12): 2367-2375. |
[15] | 汪孙律, 杨秋松, 李明树. 一种针对格式文件的符号执行优化方法[J]. 电子学报, 2020, 48(12): 2417-2424. |
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