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区块链是用于记录交易的分布式账本,账本通过使用密码学技术在参与节点之间进行共享和维护,具有防篡改、可追溯、去中心化等特点。然而目前的区块链面临着扩容问题,为了解决这一问题,国内外优秀学者提出众多方案。分片技术被认为是能有效解决扩容问题而不降低去中心化程度的关键技术,PBFT共识是被证明过的强一致性确定型共识算法,但在分片内采用PBFT共识后存在着分片规模与分片内验证有效性的矛盾。在分片后,拜占庭节点也被相应地分配到各个分片中。由于拜占庭节点分配不均匀这一自然因素,可能导致某些分片中的拜占庭节点比例超过1/3,无法验证分片数据的有效性,产生验证中断的问题。同时节点在被分配到分片时面临着分配不均、分配结果被不诚实节点提前预知的问题,增大了拜占庭节点聚集于同一分片的概率,因此采用一个安全有效的节点随机分配算法非常重要。本文的主要工作如下:(1)分析了当前区块链扩容问题所面临的困境以及当前主要扩容方案的优缺点,总结了当前分片技术和区块链中应用随机数的研究现状。研究发现,分片中采用PBFT共识算法后,可能出现分片内拜占庭节点比例超过1/3的情况,产生验证中断问题,引起分片规模小和验证有效性低的矛盾。论文从单个分片失效概率和所有分片均不失效的概率两个方面进行量化分析,揭示问题的严重性。(2)在现有区块链分片方案的基础上,针对分片内采用PBFT共识算法存在的分片规模与验证有效性之间的矛盾问题,本文提出多轮PBFT验证(MRPV,Multi-Round PBFT Verification)方案,同时引入了适应多轮方案的节点随机分配方法。MRPV方案的思想是当分片中的一笔交易未达成共识时,通过调用节点随机分配算法,更换一组新的节点对此交易进行新一轮共识,直至交易达成共识或者达到轮数上限。(3)在实验室模拟环境下,进行了平均轮数实验、最优情况与实际情况下轮数差异实验、节点连续两轮分配到同一分片的概率实验,而后从整体TPS、单个分片的验证有效性两个方面对Elastico分片方案、Omniledger分片方案、MRPV方案进行对比。实验结果表明,MRPV方案通过减少事务的重新提交,牺牲一定的交易延迟确认,提高交易的验证效率、进而提高整体区块链的TPS。