基于信誉奖惩机制的区块链共识算法研究与应用

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共识算法作为区块链的核心,其性能直接影响区块链系统的效率。行动证明共识算法(Proof of Activity,Po A)是一种结合工作量证明和权益证明的混合式算法,具有易扩展网络结构、处理事务速度更快等优点,但也存在节点间信任缺失、代表节点离线造成区块丢弃等问题。针对以上问题,本文提出了两种改进的共识算法,并设计了可溯源学业信息监管系统的共识框架和整体架构,具体研究内容如下:(1)针对Po A算法中存在的信任缺失、区块丢弃造成的资源浪费等问题,本文提出了基于信誉奖励机制的行动证明共识算法(CPo A)。算法中首先引入信誉机制,依据信誉值改善区块的创建方式,调节节点创建区块的成本和难度。其次设定代表节点依据单个区块头生成多个数据块的区块创建方式,减少区块丢弃造成的资源浪费。最后设立信誉奖惩方案以实现对恶意节点的及时处理,并提高节点的积极性。通过实验测试,CPo A算法中数据块的生成速率相比Po A增加了约1.75倍;设立的奖惩方案能够实现快速处理恶意节点的目的,当恶意节点占比由30%增加到70%时,恶意节点总体信誉值的平均下降速率增加了约1.7倍,增加了恶意节点后续创建区块的成本,增强了系统的稳定性。(2)针对CPo A算法中信誉奖惩方案缺少历史数据评判,以及在节点数量较多情况下代表节点选取合理性不足等问题,本文提出了基于K-medoids聚类的行动证明共识算法(KPo A)。算法中通过follow-the-satoshi机制和K-medoids算法,先后选出参与者节点和代表节点,并依据聚类后的节点分组实现区块的分层共识。其次依据节点历史和当前行为数据设置信誉奖惩方案,更加全面评判节点的优劣,实现对恶意节点的及时处理。仿真实验表明,KPo A算法通过节点分组提高了共识效率,数据块的产出速率相比Po A增加了约2.5倍;设置的信誉奖惩方案能够有效处理恶意节点,维护系统的稳定性。(3)基于改进的共识算法,本文设计了可溯源学业信息监管系统的共识框架和整体架构。根据需求分析,将系统的共识框架设计成校内、校外两层结构,并将改进的两种共识算法应用于不同层次,以此有效提高了学业信息的存储及溯源效率。依据应用需求,设计了系统的功能模块和运行机制,并实现了系统的主要功能及测试。
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