支持高吞吐量区块链的块结构研究
发布时间：2021-03-25 04:43
区块链是由分布式节点维护而不是中心化组织维护的仅增量更新的账本。区块链技术的前景十分美好并且受到所有行业的热捧,例如比特币,以太坊和Hyperledger Fabric等项目,但当前的区块链解决方案仍面临可扩展性问题,该问题包括两个方面:交易吞吐量低和存储容量成本高。衡量区块链交易吞吐量性能的主要指标是每秒交易量（Transaction per Second,TPS）,传统区块链网络的吞吐量不会随着网络规模的增加而扩展。由于存储于区块链上的数据只能增量更新,不能删除,而每个节点都需要维护整个区块链系统的所有数据,这极大浪费了存储空间。目前为止,研究者们已经提出了许多方法解决此问题,例如链下交易和有向无环图（Directed Acyclic Graph,DAG）解决方案。但是,它们不仅具有诸如形成寄生链等缺点,还无法解决存储开销问题。分片技术是最有前景的扩展区块链解决方案之一,该方案将有效解决区块链性能问题。本文研究基于分片技术的区块链结构,用以解决不可扩展性问题。本文设计并实现了区块链网络分片,交易分片和状态分片方案,并提出网络分片规模预测算法,用于预测最优的分片大小,使区块链具有高吞...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
包含四个分片的区块链网络分片示意图
第三章区块链网络分片技术研究33易）的时间开销。图3-8分片大小与P2P网络通信时间开销的关系图图3-8表示式（3-8）在不同拜占庭限制下，每个分片的节点数量与网络通信时间开销的关系。图3-8中的节点数量即为一级节点数量，因为只有一级节点才在本文提到的区块链结构中进行共识协议，因此只有一级节点才能威胁到整个区块链的安全性。从图3-8中可以发现，当进行共识算法的节点数越多时，区块链网络延时也会增大，趋近于指数级增长。图3-8中有两条趋势线，趋势线的交点表示具体的节点数对应的通信时间开销。假设区块链网络每隔10秒发布一个区块，即F(s,0.25)≤10000，那么sslogs0.25≤10000(3-10)计算（3-10）式得到结果s≈80，s为80具有两种含义，含义一：在拜占庭限制值为0.25和区块链网络出块限制为10秒的条件下，区块链网络中允许每个分片的最大一级节点数为80个，假设选举一级节点的概率为0.3，那么每个分片可容纳的最小验证者数量是267个；含义二：在拜占庭限制值为0.25和区块链网络出块限制为10秒的条件下，每个网络分片中每个一级节点能处理处理80条消息（交易），即每个网络分片能处理6400条消息（交易），每个网络分片的TPS为640笔交易每秒，整个区块链网络的吞吐量为640*m笔交易每秒。本文计算得到分片规模为80与AbdelatifHafid[61]文献中利用边界概率计算每个分片发生故障的概率得到的分片大小一致。AbdelatifHafid提到：如果委员会（完成共识的节点，与本文的一级节点功能相同）拜占庭限制低于1/2，则每个委员会
第三章区块链网络分片技术研究37内节点数量越少，恶意节点占据的比例就越大，即分片被攻击的可能性会更高。但是，当全网的恶意节点总数少于1/3时，如图3-11所示，当n=400，此时约120个恶意节点，因此分片数量越大，某个分片被攻击的可能性越低且区块链网络的吞吐量越高。所有分片的安全性，最终保证了整个区块链系统的安全。图3-11恶意节点数与某个分片被攻击的概率分布图2.抵御女巫攻击女巫攻击是在P2P网络中的一种攻击形式，攻击者利用单个节点伪装多个身份存在于P2P网络中，从而破坏区块链网络的目的。本文利用VRF随机抽签的方式且与PoS思想相结合的VRF_POS算法抵御女巫攻击，即参与区块链打包工作的节点是随机选举并且节点必须拥有一定的权益，并且在每一轮的打包工作完成后，该节点权益的某些属性，例如权益的时间会清零。其他身份的节点也是随机选举产生但是并不会进行共识操作，因此，如果一个节点伪装多个身份，但是该节点的其它身份并不持有资本就一定不会对整个区块链网络构成威胁。3.网络分片性能对于传统的区块链来讲，区块链的吞吐量不存在可扩展性，即n个挖矿节点组成的区块链网络的吞吐量与100n个挖矿节点组成的区块链网络的吞吐量是旗鼓相当。在本文所描述的区块链网络中，假设整个区块链网络共有n个节点在线，整个区块链网络由m个分片组成，每一个分片单位时间内能处理的交易数量为tx，每个分片的共识时间开销为t0，网络分片时间开销为t1，则本文所描述的区块链结
【参考文献】：
期刊论文
[1]全球区块链技术与应用创新现状、趋势和启示[J]. 刘曦子. 科技中国. 2020(01)
[2]区块链共识算法研究综述[J]. 郑敏,王虹,刘洪,谭冲. 信息网络安全. 2019(07)
[3]区块链技术研究综述[J]. 舒航,张高煜,赵厚宝,舒洲. 福建电脑. 2019(01)
[4]区块链吞吐率提升研究[J]. 潘业达,陈恭亮,郭乃网. 通信技术. 2019(01)
[5]主流开源区块链框架可扩展性分析[J]. 朱延杰,张志生,段琳. 云南电力技术. 2018(06)
[6]区块链技术综述及应用[J]. 白宇嘉,尼玛扎西,曹学琪. 电脑知识与技术. 2018(32)
[7]区块链共识算法的发展现状与展望[J]. 袁勇,倪晓春,曾帅,王飞跃. 自动化学报. 2018(11)
[8]区块链技术的实质、落地条件和应用前景[J]. 邓柯. 深圳大学学报(人文社会科学版). 2018(04)
[9]探索数据库分片技术[J]. 刘京义. 网络安全和信息化. 2017(06)
[10]区块链技术发展现状与展望[J]. 袁勇,王飞跃. 自动化学报. 2016(04)
硕士论文
[1]基于区块链技术的安全DNS系统设计[D]. 马宇生.电子科技大学 2018
本文编号：3099048
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
包含四个分片的区块链网络分片示意图
第三章区块链网络分片技术研究33易）的时间开销。图3-8分片大小与P2P网络通信时间开销的关系图图3-8表示式（3-8）在不同拜占庭限制下，每个分片的节点数量与网络通信时间开销的关系。图3-8中的节点数量即为一级节点数量，因为只有一级节点才在本文提到的区块链结构中进行共识协议，因此只有一级节点才能威胁到整个区块链的安全性。从图3-8中可以发现，当进行共识算法的节点数越多时，区块链网络延时也会增大，趋近于指数级增长。图3-8中有两条趋势线，趋势线的交点表示具体的节点数对应的通信时间开销。假设区块链网络每隔10秒发布一个区块，即F(s,0.25)≤10000，那么sslogs0.25≤10000(3-10)计算（3-10）式得到结果s≈80，s为80具有两种含义，含义一：在拜占庭限制值为0.25和区块链网络出块限制为10秒的条件下，区块链网络中允许每个分片的最大一级节点数为80个，假设选举一级节点的概率为0.3，那么每个分片可容纳的最小验证者数量是267个；含义二：在拜占庭限制值为0.25和区块链网络出块限制为10秒的条件下，每个网络分片中每个一级节点能处理处理80条消息（交易），即每个网络分片能处理6400条消息（交易），每个网络分片的TPS为640笔交易每秒，整个区块链网络的吞吐量为640*m笔交易每秒。本文计算得到分片规模为80与AbdelatifHafid[61]文献中利用边界概率计算每个分片发生故障的概率得到的分片大小一致。AbdelatifHafid提到：如果委员会（完成共识的节点，与本文的一级节点功能相同）拜占庭限制低于1/2，则每个委员会
第三章区块链网络分片技术研究37内节点数量越少，恶意节点占据的比例就越大，即分片被攻击的可能性会更高。但是，当全网的恶意节点总数少于1/3时，如图3-11所示，当n=400，此时约120个恶意节点，因此分片数量越大，某个分片被攻击的可能性越低且区块链网络的吞吐量越高。所有分片的安全性，最终保证了整个区块链系统的安全。图3-11恶意节点数与某个分片被攻击的概率分布图2.抵御女巫攻击女巫攻击是在P2P网络中的一种攻击形式，攻击者利用单个节点伪装多个身份存在于P2P网络中，从而破坏区块链网络的目的。本文利用VRF随机抽签的方式且与PoS思想相结合的VRF_POS算法抵御女巫攻击，即参与区块链打包工作的节点是随机选举并且节点必须拥有一定的权益，并且在每一轮的打包工作完成后，该节点权益的某些属性，例如权益的时间会清零。其他身份的节点也是随机选举产生但是并不会进行共识操作，因此，如果一个节点伪装多个身份，但是该节点的其它身份并不持有资本就一定不会对整个区块链网络构成威胁。3.网络分片性能对于传统的区块链来讲，区块链的吞吐量不存在可扩展性，即n个挖矿节点组成的区块链网络的吞吐量与100n个挖矿节点组成的区块链网络的吞吐量是旗鼓相当。在本文所描述的区块链网络中，假设整个区块链网络共有n个节点在线，整个区块链网络由m个分片组成，每一个分片单位时间内能处理的交易数量为tx，每个分片的共识时间开销为t0，网络分片时间开销为t1，则本文所描述的区块链结
【参考文献】：
期刊论文
[1]全球区块链技术与应用创新现状、趋势和启示[J]. 刘曦子. 科技中国. 2020(01)
[2]区块链共识算法研究综述[J]. 郑敏,王虹,刘洪,谭冲. 信息网络安全. 2019(07)
[3]区块链技术研究综述[J]. 舒航,张高煜,赵厚宝,舒洲. 福建电脑. 2019(01)
[4]区块链吞吐率提升研究[J]. 潘业达,陈恭亮,郭乃网. 通信技术. 2019(01)
[5]主流开源区块链框架可扩展性分析[J]. 朱延杰,张志生,段琳. 云南电力技术. 2018(06)
[6]区块链技术综述及应用[J]. 白宇嘉,尼玛扎西,曹学琪. 电脑知识与技术. 2018(32)
[7]区块链共识算法的发展现状与展望[J]. 袁勇,倪晓春,曾帅,王飞跃. 自动化学报. 2018(11)
[8]区块链技术的实质、落地条件和应用前景[J]. 邓柯. 深圳大学学报(人文社会科学版). 2018(04)
[9]探索数据库分片技术[J]. 刘京义. 网络安全和信息化. 2017(06)
[10]区块链技术发展现状与展望[J]. 袁勇,王飞跃. 自动化学报. 2016(04)
硕士论文
[1]基于区块链技术的安全DNS系统设计[D]. 马宇生.电子科技大学 2018
本文编号：3099048
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