基于安全多方計(jì)算的DPOS改進(jìn)方案

蔣翊彬，汪學(xué)明

(貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

委托權(quán)益證明(DPOS)共識(shí)機(jī)制具有高效率、低能耗等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，DPOS因其中心化程度高、惡意節(jié)點(diǎn)剔除不及時(shí)、節(jié)點(diǎn)參與不積極與容易滋生腐敗等問題備受爭(zhēng)議[1]。目前多數(shù)研究主要集中在如何保證恒定數(shù)量誠實(shí)的見證人節(jié)點(diǎn)以及如何提高普通節(jié)點(diǎn)投票積極性兩個(gè)方面，研究方法是通過引入信譽(yù)度機(jī)制、激勵(lì)機(jī)制、備用見證人機(jī)制與替換投票選舉的方式，解決DPOS中存在的問題。文獻(xiàn)[2,3]分別通過交易費(fèi)與信譽(yù)分獎(jiǎng)勵(lì)來激勵(lì)普通節(jié)點(diǎn)積極參與投票，并基于節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值選出更可靠的見證人節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]提出一種基于配對(duì)制度的方案，該機(jī)制擯棄了投票選舉的方式，利用節(jié)點(diǎn)屬性值選出記賬節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]提出通過信譽(yù)熔斷機(jī)制快速剔除作惡節(jié)點(diǎn)，備用見證人機(jī)制用來彌補(bǔ)空缺的見證人節(jié)點(diǎn)。對(duì)于節(jié)點(diǎn)腐敗問題，文獻(xiàn)[6]提出舉報(bào)獎(jiǎng)勵(lì)以激勵(lì)節(jié)點(diǎn)積極舉報(bào)賄賂節(jié)點(diǎn)。

基于以上分析，本文提出一種基于安全多方計(jì)算的改進(jìn)方案。首先提出一種MPC-DPOS網(wǎng)絡(luò)模型，在該網(wǎng)絡(luò)模型下能夠降低執(zhí)行安全多方計(jì)算協(xié)議帶來的通信流量問題。然后重新設(shè)計(jì)了記賬權(quán)分配機(jī)制，利用安全多方計(jì)算協(xié)議生成系統(tǒng)隨機(jī)數(shù)，在全網(wǎng)在線節(jié)點(diǎn)集合中隨機(jī)的決定出記賬節(jié)點(diǎn)，提高普通節(jié)點(diǎn)參與積極性，并且非透明、隨機(jī)的出塊順序能有效降低針對(duì)記賬節(jié)點(diǎn)的DDOS攻擊和腐化攻擊風(fēng)險(xiǎn)，其次將記賬節(jié)點(diǎn)選取范圍從見證人集合擴(kuò)大到全網(wǎng)在線節(jié)點(diǎn)集合，見證人身份和記賬權(quán)之間不存在必然關(guān)系，從機(jī)制層面杜絕腐敗的產(chǎn)生。改進(jìn)方案并且提出新的激勵(lì)機(jī)制，以保證見證人節(jié)點(diǎn)誠實(shí)的執(zhí)行協(xié)議，其中通過對(duì)叔父區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)，有利于區(qū)塊鏈在分叉后歸并統(tǒng)一。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)方案的可用性和有效性。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 安全多方計(jì)算

安全多方計(jì)算(MPC)[7]的思想由姚期智提出，后經(jīng)40年的發(fā)展，已經(jīng)從理論架構(gòu)逐漸成為可以應(yīng)用到實(shí)際的秘密學(xué)工具。MPC能夠讓一組互不信任的參與方聯(lián)合計(jì)算出各自應(yīng)得的輸出，并在計(jì)算的過程中，始終保持輸入信息的隱私性[8]。安全多方計(jì)算可以抽象為一個(gè)功能函數(shù)f，n個(gè)參與方P={P1,…,Pn} 分別持有自己的秘密信息x1,x2,…,xn， 聯(lián)合計(jì)算某個(gè)功能函數(shù)f(x1,x2,…,xn)=(y1,y2,…,yn)，Pi∈P除了得到對(duì)應(yīng)的輸出yi以外，得不到任何關(guān)于xj(j≠i)有用的信息。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同協(xié)議的設(shè)計(jì)，存在y1=y2=…=yn。

1.2 DPOS共識(shí)機(jī)制

DPOS共識(shí)機(jī)制由Bitshares[9]的首席開發(fā)者Dan Larimer提出，旨在解決POW機(jī)制算力集中、資源消耗嚴(yán)重以及出塊速度慢等問題。DPOS機(jī)制中的普通節(jié)點(diǎn)需要向自己信任的參選節(jié)點(diǎn)投票，利用投票方式選舉出N個(gè)信任度較好的見證人節(jié)點(diǎn)。見證人之間地位平等，不需要比較權(quán)益或算力競(jìng)爭(zhēng)成為記賬人節(jié)點(diǎn)，在共識(shí)階段見證人節(jié)點(diǎn)按照某種隨機(jī)序列輪流行使發(fā)布區(qū)塊的權(quán)利，并且承擔(dān)著區(qū)塊檢驗(yàn)的工作。DPOS機(jī)制中規(guī)定一個(gè)有效的新區(qū)塊需要經(jīng)過至少2/3的見證人節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，才是一個(gè)不可逆區(qū)塊[9]。如果一個(gè)見證人節(jié)點(diǎn)沒有履行自己的責(zé)任產(chǎn)生一個(gè)合格的區(qū)塊，那么選民將收回給他的選票，并從新選取新的見證人節(jié)點(diǎn)。

2 DPOS共識(shí)機(jī)制的改進(jìn)

經(jīng)典的DPOS機(jī)制中被選舉出的見證人按特定的序列行使記賬權(quán)利，這種特定的順序在攻擊者的視角下是透明的，記賬節(jié)點(diǎn)的安全性完全依靠網(wǎng)絡(luò)層的安全性，透明的出塊順序會(huì)增加針對(duì)記賬節(jié)點(diǎn)的DDOS攻擊和腐化攻擊風(fēng)險(xiǎn)。選舉階段中的投票對(duì)象是靠某種信任關(guān)系決定的，只有少數(shù)信任度較好的節(jié)點(diǎn)會(huì)被選舉為見證人節(jié)點(diǎn)，并獲得出塊獎(jiǎng)勵(lì)，導(dǎo)致大多數(shù)信任度較低普通節(jié)點(diǎn)參與網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的積極性不高，主要體現(xiàn)在投票不積極和在線共識(shí)不積極。此外，選舉出的記賬節(jié)點(diǎn)履行打包交易任務(wù)，會(huì)得到出塊獎(jiǎng)勵(lì)和交易費(fèi)，選舉的結(jié)果直接和利益相關(guān)，在每個(gè)見證人的背后容易形成利益群體，滋生腐敗。改進(jìn)方案從新設(shè)計(jì)了記賬權(quán)分配機(jī)制，引入安全多方計(jì)算，通過構(gòu)造系統(tǒng)隨機(jī)數(shù)、擴(kuò)大記賬節(jié)點(diǎn)選取集合的方式解決上述問題。為了應(yīng)對(duì)執(zhí)行MPC協(xié)議給系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶來高通信流量問題，提出MPC-DPOS網(wǎng)絡(luò)模型，同時(shí)為MPC協(xié)議創(chuàng)造高效安全的執(zhí)行環(huán)境。另外，從新設(shè)計(jì)了激勵(lì)機(jī)制，增加對(duì)見證人節(jié)點(diǎn)和叔父節(jié)點(diǎn)的獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)見證人的獎(jiǎng)勵(lì)能夠激勵(lì)見證人節(jié)點(diǎn)誠實(shí)的執(zhí)行MPC協(xié)議，對(duì)叔父節(jié)點(diǎn)的獎(jiǎng)勵(lì)有利于區(qū)塊鏈分叉時(shí)歸并統(tǒng)一。

2.1 MPC-DPOS網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的作用不同，將節(jié)點(diǎn)分為兩種不同的類型，分別為見證人節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。普通節(jié)點(diǎn)參與區(qū)塊驗(yàn)證和投票工作，可隨時(shí)加入和離開網(wǎng)絡(luò)。見證人節(jié)點(diǎn)是由普通節(jié)點(diǎn)投票選舉產(chǎn)生，承擔(dān)區(qū)塊驗(yàn)證和系統(tǒng)隨機(jī)數(shù)生成任務(wù)。見證人節(jié)點(diǎn)都有一定任期，在任期內(nèi)應(yīng)時(shí)刻保持在線，任期結(jié)束和從新洗牌選舉。未誠實(shí)執(zhí)行協(xié)議的見證人，普通節(jié)點(diǎn)將收回選票，取消其見證人身份，并選取新的見證人節(jié)點(diǎn)。

系統(tǒng)會(huì)將選舉產(chǎn)生的見證人加入到一個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)組中，以此記錄當(dāng)下時(shí)期見證人節(jié)點(diǎn)身份，并以該數(shù)組在主系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建一個(gè)由見證人節(jié)點(diǎn)組成的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)。見證人在獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行MPC協(xié)議生成每輪出塊需要的系統(tǒng)隨機(jī)數(shù)。獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)在邏輯上與主系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)隔離，執(zhí)行MPC協(xié)議所產(chǎn)生的通信流量被隔離在獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)以內(nèi)，并不會(huì)廣播到主網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點(diǎn)。在該網(wǎng)絡(luò)模型下能夠解決執(zhí)行MPC協(xié)議給系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶來高通信流量問題，同時(shí)為MPC協(xié)議創(chuàng)造高效安全的執(zhí)行環(huán)境。MPC-DPOS網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

圖1 MPC-DPOS網(wǎng)絡(luò)模型

2.2 記賬權(quán)分配機(jī)制

記賬權(quán)分配機(jī)制用于選出每一輪中的出塊節(jié)點(diǎn)與完成打包交易共識(shí)，主要包括隨機(jī)數(shù)的構(gòu)造、區(qū)塊的發(fā)布與共識(shí)兩個(gè)階段。

2.2.1 隨機(jī)數(shù)的構(gòu)造

(1)輸入階段

?Pi∈P隨機(jī)構(gòu)造兩個(gè)t次多項(xiàng)式函數(shù)：ai(x)=ai0+ai1x+ai2x2+…+aitxt，βi(x)=βi0+βi1x+βi2x2+…+βitxt， 其中ai0為Pi輸入的秘密隨機(jī)數(shù)。然后將秘密份額 (αi(j),βi(j)) 發(fā)送給Pj(Pj∈P-i=P(〗Pi})， 并廣播承諾值A(chǔ)ik=gαi(k)hβi(k)modp,k=0,1,…,n。 在此過程中，Pj(Pj∈P-i) 從以下兩個(gè)方面去判斷Pi的誠實(shí)性：

1)驗(yàn)證Pi公布的承諾值是否有效，驗(yàn)證方法如下：

由α(x)=α0+α1x+α2x2+…+αtxt得

記

存在v-1使

如果不存在Aij≠A′ij， 則Pi公布的承諾值都有效，否則Pi是不誠實(shí)的節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行 {}null+={Pi}，P-={Pi}。

2)Pj(Pj∈P-i) 驗(yàn)證秘密份額是否與承諾值相匹配，Aij=gαi(j)hβi(j)modp成立，則秘密份額正確，否則Pj申請(qǐng)公布秘密份額，Pi需要在時(shí)限內(nèi)公布對(duì)Pj正確的份額，否則判定Pi為惡意節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行 {}null+={Pi}，P-={Pi}。

在此階段，見證人節(jié)點(diǎn)分別作為領(lǐng)導(dǎo)者分享秘密隨機(jī)數(shù)的份額，并及時(shí)的甄別出惡意節(jié)點(diǎn)，以確保誠實(shí)的見證人節(jié)點(diǎn)都能獲得正確的秘密份額。

(2)計(jì)算階段

(3)恢復(fù)階段

為了防止惡意的見證人節(jié)點(diǎn)中斷協(xié)議的執(zhí)行，在每個(gè)階段設(shè)置一個(gè)限制時(shí)間，如果Pi沒有在限制時(shí)間內(nèi)公布消息，那么其他見證人節(jié)點(diǎn)將判定Pi為惡意見證人節(jié)點(diǎn)，并將Pi加入惡意節(jié)點(diǎn)集 {}null。 協(xié)議執(zhí)行結(jié)束后，見證人節(jié)點(diǎn)公布惡意節(jié)點(diǎn)集，如果超過一半以上的見證人節(jié)點(diǎn)判定Pi為惡意節(jié)點(diǎn)，那么普通節(jié)點(diǎn)將收回對(duì)Pi的選票，并從新選出新的見證人節(jié)點(diǎn)。因此，該協(xié)議滿足n=2f+1模型，f為能容忍的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量。另外，t+1次多項(xiàng)式的選取必須滿足t=f， 在輸入階段才能保證誠實(shí)節(jié)點(diǎn)的輸入隱私性，并且在恢復(fù)階段有t+1個(gè)正確的份額能重構(gòu)出計(jì)算結(jié)果。

2.2.2 區(qū)塊的發(fā)布與共識(shí)

本階段將選出記賬節(jié)點(diǎn)發(fā)布區(qū)塊，其它節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證發(fā)布區(qū)塊的有效性，從而達(dá)成對(duì)交易數(shù)據(jù)的一致共識(shí)。共識(shí)過程是客戶端將交易廣播到網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)其它節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證通過后成為待確認(rèn)交易，參與記賬權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將所有待確認(rèn)交易打包進(jìn)一個(gè)預(yù)發(fā)布區(qū)塊中，交易在區(qū)塊體中以Merkle樹的形式構(gòu)造出區(qū)塊頭中MerkleRoot字段。此外，還要收集和記錄其它區(qū)塊頭字段，通過改變區(qū)塊頭中noce字段從而調(diào)整個(gè)區(qū)塊頭的哈希值，使區(qū)塊頭哈希值小于一個(gè)目標(biāo)難度值，最先找到滿足此條件的區(qū)塊發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)其它節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證合格后加入到主鏈上，從而區(qū)塊中的交易得到確認(rèn)。

(1)區(qū)塊頭的構(gòu)造

每個(gè)區(qū)塊是由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成，區(qū)塊頭記錄區(qū)塊的重要信息，區(qū)塊體包含被確認(rèn)的交易。區(qū)塊頭中引用上一區(qū)塊頭的哈希值表明區(qū)塊在鏈上的位置，交易以Merkle樹的形式構(gòu)造根哈希值能夠?qū)崿F(xiàn)鏈上交易的快速查找，代幣數(shù)量、系統(tǒng)隨機(jī)數(shù)的簽名、noce值以及難度系數(shù)能夠驗(yàn)證區(qū)塊的合法性。對(duì)區(qū)塊頭中部分字段描述見表1。

表1 區(qū)塊頭部分字段描述

(2)出塊策略

上一輪區(qū)塊得到確認(rèn)后，見證人節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)布此輪出塊需要的系統(tǒng)隨機(jī)數(shù)。每個(gè)參與記賬權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)利用系統(tǒng)隨機(jī)數(shù)、持幣數(shù)量和難度系數(shù)計(jì)算本輪出快的目標(biāo)難度值。在運(yùn)行過程中，最先找到滿足出塊條件節(jié)點(diǎn)才能發(fā)布區(qū)塊，出塊條件如下所示

其中，BlockHead是節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的預(yù)發(fā)布區(qū)塊頭部，H(·) 為單向哈希函數(shù)，區(qū)塊頭的哈希值能通過noce字段調(diào)整。coin表示節(jié)點(diǎn)持有的代幣的數(shù)量，sign(r) 表示節(jié)點(diǎn)對(duì)此輪隨機(jī)數(shù)的簽名。w為難度系數(shù)，跟出塊間隙時(shí)間有關(guān)，例如系統(tǒng)算力提升或則持幣數(shù)量增大，會(huì)導(dǎo)致出塊的間隙時(shí)間縮短，此時(shí)難度系數(shù)增大，相反，則減小。

根據(jù)出塊條件，不同節(jié)點(diǎn)的出塊難度是不一致的，目標(biāo)難度值的隨機(jī)性促使參與競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)都可能成為記賬節(jié)點(diǎn)，從而保證節(jié)點(diǎn)之間的公平性。對(duì)于節(jié)點(diǎn)個(gè)體而言，擁有更多的代幣和計(jì)算資源能提高節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)力。另一方面，在代幣數(shù)量和計(jì)算資源的限制下，用戶不能通過創(chuàng)建更多的節(jié)點(diǎn)來增加成為記賬人節(jié)點(diǎn)的概率。

2.3 出塊激勵(lì)

定義在區(qū)塊鏈分叉時(shí)上一輪的直系區(qū)塊稱為父區(qū)塊，非直系合法區(qū)塊稱為叔父區(qū)塊，發(fā)布叔父區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)稱為叔父節(jié)點(diǎn)。叔父區(qū)塊與最新發(fā)布區(qū)塊相差一代，稱為第一代叔父區(qū)塊，相差K代稱為第K代叔父區(qū)塊。產(chǎn)生叔父區(qū)塊節(jié)點(diǎn)稱為叔父節(jié)點(diǎn)。第二代叔父區(qū)塊示意圖如圖2所示。

圖2 第二代叔父區(qū)塊

此激勵(lì)機(jī)制包括對(duì)記賬節(jié)點(diǎn)、見證人節(jié)點(diǎn)和叔父節(jié)點(diǎn)的獎(jiǎng)勵(lì)。擁有記賬權(quán)的出塊節(jié)點(diǎn)不僅能得到打包交易費(fèi)和出塊獎(jiǎng)勵(lì)，并且在區(qū)塊鏈出現(xiàn)分叉時(shí)每打包一筆對(duì)叔父節(jié)點(diǎn)的獎(jiǎng)勵(lì)交易還能得到一定比例的獎(jiǎng)勵(lì)。見證人節(jié)點(diǎn)誠實(shí)地執(zhí)行MPC協(xié)議以產(chǎn)生系統(tǒng)隨機(jī)數(shù)，對(duì)每輪區(qū)塊產(chǎn)生做出積極貢獻(xiàn)，在記賬權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)中并不一定獲得出塊獎(jiǎng)勵(lì)，因此，每輪區(qū)塊需要包含對(duì)見證人節(jié)點(diǎn)的小額獎(jiǎng)勵(lì)交易，對(duì)見證人的獎(jiǎng)勵(lì)能夠激勵(lì)見證人節(jié)點(diǎn)繼續(xù)誠實(shí)的執(zhí)行協(xié)議。對(duì)叔父節(jié)點(diǎn)的獎(jiǎng)勵(lì)限制在8代以內(nèi)，每個(gè)叔父節(jié)點(diǎn)只獎(jiǎng)勵(lì)一次，父區(qū)塊沒有包含對(duì)叔父節(jié)點(diǎn)的獎(jiǎng)勵(lì)交易，將由子區(qū)塊完成。如果超出5代都沒有對(duì)叔父節(jié)點(diǎn)獎(jiǎng)勵(lì)，就不再對(duì)叔父區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)。在5代以內(nèi)，每增加一代對(duì)叔父區(qū)塊的獎(jiǎng)勵(lì)比例減少1/8，從第一代到第五代叔父節(jié)點(diǎn)的獎(jiǎng)勵(lì)比例分別為 (7/8,6/8,…,3/8)。 由于網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延造成區(qū)塊鏈暫時(shí)性分叉，對(duì)叔父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)有利于主鏈及時(shí)歸并統(tǒng)一。

3 實(shí)驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)改進(jìn)算法的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)，本節(jié)分別從節(jié)點(diǎn)參與度、對(duì)記賬節(jié)點(diǎn)攻擊情況以及記賬權(quán)分配等幾個(gè)維度比較了原始算法和改進(jìn)算法，其次在區(qū)塊產(chǎn)出率方面比較了POS共識(shí)機(jī)制。模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境見表2。

表2 模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

3.1 節(jié)點(diǎn)參與度比較

原始算法中節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)過程的積極性不高，為了檢驗(yàn)改進(jìn)后算法是否能加普通節(jié)點(diǎn)參與網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的比例，本實(shí)驗(yàn)在兩共識(shí)機(jī)制的見證人節(jié)點(diǎn)數(shù)量和普通節(jié)點(diǎn)數(shù)量一致的條件下進(jìn)行了50次共識(shí)，并統(tǒng)計(jì)出每一輪節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)過程數(shù)量的比例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 參與共識(shí)節(jié)點(diǎn)比例

從圖3可得，在50輪共識(shí)中，原共識(shí)機(jī)制節(jié)點(diǎn)參與度在65%～75%之間，改進(jìn)后共識(shí)機(jī)制的節(jié)點(diǎn)參與度在85%～95%之間。從記賬權(quán)分配與激勵(lì)機(jī)制方面分析，原共識(shí)機(jī)制中每輪記賬權(quán)幾乎被權(quán)益較好的見證人結(jié)點(diǎn)壟斷，改進(jìn)后的共識(shí)機(jī)制中記賬權(quán)分配都具有隨機(jī)性，任何節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)成為出塊節(jié)點(diǎn)，所以理性的普通節(jié)點(diǎn)都最大程度的保持在線，并參與到記賬的權(quán)分配的競(jìng)爭(zhēng)之中，以此獲得出塊獎(jiǎng)勵(lì)。顯然，改進(jìn)后的共識(shí)機(jī)制在節(jié)點(diǎn)活躍度方面優(yōu)于原共識(shí)機(jī)制。

3.2 對(duì)記賬節(jié)點(diǎn)攻擊情況比較

記賬節(jié)點(diǎn)承擔(dān)著系統(tǒng)確認(rèn)交易的任務(wù)，在執(zhí)行打包任務(wù)時(shí)受到攻擊會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。為了檢驗(yàn)改進(jìn)算法是否能降低記賬節(jié)點(diǎn)受到DDoS攻擊和腐化攻擊的概率，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由見證人節(jié)點(diǎn)、普通節(jié)點(diǎn)和攻擊者節(jié)點(diǎn)組成，見證人數(shù)量為21個(gè)，在攻擊者數(shù)量不變的條件下探究?jī)晒沧R(shí)機(jī)制隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加記賬節(jié)點(diǎn)受到DDoS攻擊和腐化攻擊的概率。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 針對(duì)記賬節(jié)點(diǎn)的攻擊概率

從圖4觀察可得，在發(fā)布區(qū)塊之前，原共識(shí)機(jī)制中記賬節(jié)點(diǎn)受到攻擊的概率維持不變，改進(jìn)方案中記賬節(jié)點(diǎn)受到攻擊的概率隨節(jié)點(diǎn)數(shù)增加而逐漸降低，并且原共識(shí)機(jī)制中節(jié)點(diǎn)受到攻擊的概率遠(yuǎn)大于改進(jìn)后的共識(shí)機(jī)制。探究其原因，改進(jìn)方案中記賬節(jié)點(diǎn)的選取是在全網(wǎng)以內(nèi)，并且在發(fā)布區(qū)塊之前記賬節(jié)點(diǎn)身份未透明，攻擊者并不能確定出記賬節(jié)點(diǎn)身份。因此，改進(jìn)后的共識(shí)機(jī)制在抵御針對(duì)記賬節(jié)點(diǎn)的DDOS攻擊和腐化攻擊方面效果顯著。

3.3 記賬權(quán)分配比較

共識(shí)機(jī)制中記賬節(jié)點(diǎn)分配的方式關(guān)乎到系統(tǒng)的公平性與節(jié)點(diǎn)的活躍度，為了比較兩種共識(shí)機(jī)制在記賬權(quán)分配方面的情況，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)中共有60個(gè)權(quán)益不同的節(jié)點(diǎn)，其中包括21見證人節(jié)點(diǎn)，在600次出塊后，統(tǒng)計(jì)不同權(quán)益節(jié)點(diǎn)獲得記賬權(quán)的次數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 記賬賬權(quán)分配對(duì)比

從圖5可得，原共識(shí)機(jī)制中權(quán)益越大的節(jié)點(diǎn)獲得記賬權(quán)的次數(shù)越多，權(quán)益排名前30的節(jié)點(diǎn)幾乎壟斷出塊任務(wù)，改進(jìn)方案中不同權(quán)益的節(jié)點(diǎn)獲得記賬權(quán)次數(shù)均在10次左右。分析可知，原共識(shí)機(jī)制中由21個(gè)見證人輪流承擔(dān)出塊任務(wù)，權(quán)益越大的節(jié)點(diǎn)被選舉成見證人的機(jī)會(huì)越大，因此權(quán)益越大的節(jié)點(diǎn)獲得記賬權(quán)的次數(shù)越多，而在改進(jìn)機(jī)制中，記賬權(quán)在全網(wǎng)中隨機(jī)分配，節(jié)點(diǎn)獲得記賬權(quán)的概率大致相同。隨機(jī)分配的方式降低了權(quán)益較小的節(jié)點(diǎn)成為記賬節(jié)點(diǎn)的門檻，促進(jìn)了普通節(jié)點(diǎn)參與度，體現(xiàn)了記賬權(quán)分配的公平性。

3.4 區(qū)塊產(chǎn)出率比較

為了比較改進(jìn)后的DPOS共識(shí)機(jī)制與POS共識(shí)機(jī)制在出塊速度方面的表現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，仿真100個(gè)節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)，統(tǒng)計(jì)兩共識(shí)機(jī)制在10分鐘內(nèi)的出塊數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

圖6 出塊速度對(duì)比

從圖6可以看出，隨著時(shí)間的變化，兩共識(shí)機(jī)制的出快數(shù)都呈增長趨勢(shì)?？傮w而言改進(jìn)算法的出塊速度要高于POS算法，隨著時(shí)間的增長這種優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)越明顯。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于安全多方計(jì)算的DPOS的改進(jìn)方案。在改進(jìn)機(jī)制中，見證人節(jié)點(diǎn)執(zhí)行安全多方計(jì)算協(xié)議產(chǎn)生一個(gè)抗偏置的隨機(jī)數(shù)，從而隨機(jī)決定不同節(jié)點(diǎn)的出塊難度值，足夠的隨機(jī)性既能夠保證系統(tǒng)對(duì)記賬權(quán)分配的公平性，又能降低了低計(jì)算能力節(jié)點(diǎn)成為記賬節(jié)點(diǎn)的門檻，激勵(lì)更多普通節(jié)點(diǎn)參與到網(wǎng)絡(luò)維護(hù)中來。MPC協(xié)議運(yùn)行在由見證人組成的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)中，獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)與主網(wǎng)絡(luò)的隔離可以有效減少主網(wǎng)絡(luò)中通信流量。在此基礎(chǔ)上，采用尋找符合出塊條件區(qū)塊的方式選出記賬節(jié)點(diǎn)，可以避免記賬人身份透明直接暴露在攻擊者的視野之下，降低了針對(duì)記賬節(jié)點(diǎn)DDoS攻擊與腐化攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。除此以外，本文從新設(shè)計(jì)了DPOS的激勵(lì)機(jī)制，增加對(duì)見證人節(jié)點(diǎn)和叔父節(jié)點(diǎn)的獎(jiǎng)勵(lì)，其中對(duì)見證人的獎(jiǎng)勵(lì)能夠激勵(lì)見證人節(jié)點(diǎn)誠實(shí)的執(zhí)行MPC協(xié)議，對(duì)叔父區(qū)塊的獎(jiǎng)勵(lì)能促進(jìn)區(qū)塊鏈在分叉時(shí)的歸并同一。改進(jìn)方案與原DPOS在效率方面有所差距，本著未來的工作，將進(jìn)一步對(duì)協(xié)議的性能優(yōu)化，提高系統(tǒng)的吞吐率。