关键词:
区块链
无线分布式系统
共识机制
分片
负载均衡
摘要:
无线分布系统在扩展能力、安全与隐私保护、网间协作等方面存在挑战,区块链凭借不可篡改、去中心化等特性,能够降低无线分布系统的运维成本、加强用户数据和隐私安全,有助于系统中数据的追本溯源、打破无线分布系统中的信息孤岛桎梏,促进网间协作。共识机制是区块链的关键技术,在无线分布系统与区块链的结合中起着重要作用。以工作量证明为代表的基于证明的共识机制以及以实用拜占庭容错为代表的基于投票的拜占庭共识均在无线分布系统中有着广泛应用。然而,基于这两类共识机制的区块链在无线分布系统中的应用存在以下问题:首先,无线分布系统的节点存在自利行为,导致系统共识的安全性受到威胁;其次,无线分布系统的通信资源受限导致共识效率降低;最后,基于拜占庭共识的可扩展性差,无法满足大规模无线分布系统的共识需求。因此,本文研究并设计了面向无线分布系统的共识算法,具体研究内容和贡献概括如下:
1.面向基于工作量证明共识机制的无线分布式系统提出了一种动态算力渗透攻击方法,严重降低无线分布系统共识的资源利用率。基于博弈理论分析了攻击的有效性,并且给出了最优攻击策略。从系统角度出发,分析了算力资源部署对抵御攻击的影响,结果表明,合理的算力部署可有效避免分布节点自利行为造成系统性能的下降。
2.针对无线分布系统的移动自组特性,提出了一种无领导者的弱同步拜占庭容错共识机制(Leaderless Weakly Synchronous Byzantine Fault Tolerance,LBFT),其包括一种具有二分之一容错的弱同步可靠广播协议(Weakly Synchronous Byzantine Reliable Broadcast,WRBC),用于节点间信息的可靠广播,一种具有二分之一容错的弱同步二元拜占庭一致性协议(Weakly Synchronous Binary Byzantine Agreement,WBA),用于分布式决策。理论证明了LBFT协议的正确性,其中包含安全性和活性。最后,仿真实验验证了LBFT协议在吞吐量和时延方面都优于轮询领导者模式下的Sync Hot Stuff协议和SMR-BFT协议。
3.面向基于分片的共识系统,提出了一个无领导者分片许可链(Leaderless Sharding Permissioned Blockchain,LSchain),在保障确定性安全、公平性和高容错性的前提下改善了可扩展性。在LSchain中,设计了基于有向无环图的分布式账本。其次,提出了一种低通信复杂度的改进的无领导者跨分片拜占庭容错协议(Improved Leaderless Cross-shard Byzantine Fault Tolerance,ILCBFT),并且证明了该协议的安全性和活性。仿真结果表明提出的低通信复杂度的共识协议具有更好的并行事务处理能力和更好的可扩展性。
4.在基于分片许可链的无线分布系统中,系统通信和计算资源有限,并且分片间事务负载不均衡,这将会威胁系统稳定性,降低事务吞吐量。因此,研究了在不均衡的事务分配甚至是遭受恶意事务注入攻击时,如何为各网络分片灵活分配资源,在满足各网络分片最低事务处理时延要求的同时,保障各网络分片队列的稳定性。首先,基于非合作博弈对分片间的资源分配问题进行建模。然后,基于李雅普诺夫优化和拉格朗日对偶分解,提出了一种动态的分布式资源分配算法,并分析了各网络分片目标和分片队列长度的理论边界。最后,通过仿真与现有资源分配算法进行对比,结果表明了所提的分布式资源分配算法能够在满足资源约束的前提下,在资源损耗和队列稳定性之间保持更好的平衡。