基于动态授权的拜占庭容错共识算法的区块链性能改进研究

随着以比特币为代表的数字货币的风靡,区块链作为其关键底层技术也越来越受各国政府和企业巨头的关注。区块链的去中心化、数据不可篡改性、动态灵活的体系特征,使得其在银行、征信、金融等多领域应用前景非常广泛。但目前区块链系统在交易吞吐量、时延等方面远远无法满足大部分应用场景的性能需求。以工作量证明(POW)、权益证明(POS)为主的公有区块链的TPS只有7不到,一笔交易平均确认时间为10分钟,交易无法篡改的时间更是达到1小时;且POW、POS等共识算法效率低下,耗能严重,无法满足区块链系统性能需求;而Paxos、Raft为代表的传统分布式一致性算法没有考虑拜占庭容错问题,同样不适用于诚实与恶意节点共存的区块链系统;实用拜占庭容错算法设计初衷是面向分布式系统消息、系统指令执行顺序问题而设计的的,采用的是C/S的架构,三阶段的广播协议严重浪费了带宽,静态的网络拓扑结构,无法符合区块链动态对等的系统特征。本文在研究了以上共识算法的原理后,将DPOS算法的授权机制应用到PBFT中,对PBFT加以改进,提出了适用于区块链应用的动态授权拜占庭容错算法。DDBFT相比于PBFT具有以下三方面的优势:1)授权选举机制,共识记账节点专业化并辅以"升降级"机制,动态更新共识记账代表2)精简的共识状态,减少PBFT三阶段共识广播机制带来的网络开销3)去C/S架构,纯P2P网络拓扑,完全符合区块链系统特征最后,用Java程序设计并测试基于DDBFT的区块链系统。实验结果表明,该算法在最佳出块时间20秒的时间间隔下,可以最大限度地利用网路带宽,TPS可以达到10000-12000,时延控制在100-200ms之间,可以满足绝大部分应用系统的性能需求。