面向跨級可信協作服務的大規模節點組網共識算法

摘 要：為有效提升業務數據跨級可信協作服務的可擴展性、高魯棒性、高并發能力與處理效能，提出一種面向多層級大規模節點組網場景的高效共識算法———高效拜占庭容錯（Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｂｙｚａｎｔｉｎｅ Ｆａｕｌｔ Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ，ＥＢＦＴ）。在現有共識算法的基礎上，把輪換主節點作為常規共識流程的一部分，實現所有節點輪流擔任主節點進行提案，以減輕單一主節點帶來的壓力并保證節點間的公平性。通過合并視圖切換流程和正常流程實現了快速共識，進一步提升算法靈活性、可靠性和數字簽名性能。仿真實驗表明，所提算法滿足了跨級大規模業務數據流轉對業務系統處理能力和響應速度的實際需求。

關鍵詞：跨級可信協作；共識算法；主節點切換；門限簽名；活性機制

中圖分類號：ＴＰ３１１ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１０９（２０２４）０４－０８１７－０９

０ 引言

各類業務數據的流轉涵蓋采集、匯聚、治理、分析、共享、應用和反饋等多流程多環節，涉及總部、區域等不同層級部門用戶，以及數據綜合治理、數據共享應用和數據服務支撐等業務信息系統，是一個生產、應用多環節鉸鏈的跨級協作數據體系。作為后臺支撐的業務數據直接關系到前臺業務應用和各級用戶的需求能否及時滿足，效能能否有效發揮，因此需要在業務龐雜、網絡規模大、數據量大、數據積累快等現狀下，進行高并發、高可靠的數據可信協作應用。

區塊鏈是運用計算機網絡、密碼學等技術創造的一種新的多方驗證機制和分布式共享數據庫結構，集成非對稱加密、數據摘要和數字簽名等密碼技術，以及時間戳、分布式共識，智能合約和對等網絡等多項關鍵技術，有分布式架構、信息多方共識、數據難篡改及溯源追蹤等特性，能夠聚合多行為主體，在節點無需互相信任的分布式系統中實現基于弱中心化信用的點對點交易、協調與協作，可成為支撐業務數據跨級可信協作服務的重要技術手段［１－２］。

共識算法作為區塊鏈系統中的關鍵支撐技術，對數據處理的量級、數據處理的可靠性與穩定性以及數據處理的性能具有重大影響。當前，共識節點（Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ Ｐｅｅｒ，ＶＰ ）、非共識節點（ＮｏｎＶａｌｉｄａｔｉｏｎＰｅｅｒ，ＮＶＰ）、錨節點和輕客戶端等跨層級多類型業務節點應用區塊鏈共識技術，采用錨定節點機制進行大規模組網，建立分域ＶＰ 進行跨級可信協作。現有共識算法難以同時滿足業務應用復雜場景對數據量級、可靠性、穩定性以及處理性能的需求［３－５］，存在以下制約性難題。

① 節點數量增加，所需要交換的信息量也呈指數級增長，這會導致系統負載增加及網絡通信量增大，性能下降會很明顯。在分布式系統的研究中，拜占庭容錯（Ｂｙｚａｎｔｉｎｅ Ｆａｕｌｔ Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ，ＢＦＴ）類共識往往伴隨著較高通信復雜度，對網絡造成的消耗極大，系統規模不易擴大。

② 廣播處理復雜度高，延長了響應時間。共識機制因需要通過多個環節對交易進行確認，其中打包驗證交易和驗證交易分別是主節點和其他節點對交易進行確認的操作，整個過程中最耗時的環節（即多輪廣播），現存共識均將打包驗證交易和驗證交易進行串行執行，導致整個共識的耗時較長。

③ 網絡環境不穩定，少數節點在線時難以確保共識的安全性。節點數量是時序區塊鏈系統去中心化程度的直接指標。節點數量與賬本安全成正相關，與共識難度成反相關。更多的節點意味著更多的賬本備份，使攻擊者更難修改賬本，數據更安全。

因此，亟需研發一種可面向跨級可信協作的大規模節點組網共識算法，提高共識算法的處理性能與可靠性，保障業務數據服務應用高質量完成。

本文在現有研究的基礎上，提出一種基于區塊鏈的面向跨級可信協作服務的大規模節點組網共識算法。首先，引入門限簽名、采用鏈式確認、獨立設計安全性、活性和優化活性機制，提升大規模網絡節點下異步模型下共識的準確性、容錯性及響應能力；其次，設計輪換主節點機制，將所有節點輪換擔任主節點，通過合并視圖切換流程和正常流程實現快速共識，在保證公平性的同時緩解單一主節點的壓力，進一步提升算法效率；最后，通過仿真模擬實驗，開展了存證壓力測試和查詢性能測試，得出本算法在大規模組網共識的存證應用中，能夠滿足系統處理能力和響應速度的實際需求。

１ 節點共識技術

共識機制是保證區塊鏈中所有ＶＰ 按照相同順序執行事務、寫入區塊的基礎，而ＮＶＰ 只需要從其所連接的ＶＰ 中同步區塊信息，因此無需參與共識。共識算法是用于保證分布式系統一致性的機制，這里的一致性可以是事務順序的一致性、區塊數據一致性、節點狀態的一致性等［６－８］。當分布在不同地域的節點都按照這套規則進行協商交互之后，最終總能就某個／ 某些問題得到一致的決策，從而實現分布式系統中不同節點的一致性。根據容錯類型，可將共識算法分為ＢＦＴ 共識算法與非拜占庭容錯（Ｃｒａｓｈ Ｆａｕｌｔ Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ，ＣＦＴ）共識算法。

ＢＦＴ 強調的是能夠容忍部分區塊鏈節點由于硬件錯誤、網絡擁塞或斷開以及遭到惡意攻擊等情況出現的不可預料的行為［９－１０］。ＢＦＴ 系列算法是典型的ＢＦＴ 算法，比如實用拜占庭容錯（ＰｒａｃｔｉｃａｌＢｙｚａｎｔｉｎｅ Ｆａｕｌｔ Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ，ＰＢＦＴ）算法［１１－１２］、可擴展拜占庭容錯（Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｂｙｚａｎｔｉｎｅ Ｆａｕｌｔ Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ，ＳＢＦＴ）算法［１３］等。ＣＦＴ 通常指能夠容忍部分區塊鏈節點出現宕機錯誤，但不容忍出現由不可預料的惡意行為導致的系統故障。常見的ＣＦＴ 共識算法有Ｐａｘｏｓ［１４］、分布式一致性議（ＲＡＦＴ）［１５－１６］等共識算法。

結合跨級可信協作服務中不同層級業務節點動態聯合又相對獨立的業務協同需求，區塊鏈共識算法更適合采用ＲＡＦＴ 類或ＰＢＦＴ 類共識算法。

１． １ ＲＡＦＴ 算法

２０１４ 年，斯坦福大學的Ｏｎｇａｒｏ 等［１５］提出分布式一致性協議ＲＡＦＴ 共識算法。ＲＡＦＴ 算法在具備強大容錯性能的Ｐａｘｏｓ 算法基礎上，對其復雜的實現過程進行簡化，將系統中的角色分為領導者、跟從者和候選者，根據角色賦予不同的權限與職能。ＲＡＦＴ 算法主要用于管理日志的一致性，為了達到易懂易用的目的，此算法將復雜的分布式共識問題拆分為領導選舉、日志復制和安全性３ 個子問題。在容錯方面，ＲＡＦＴ 算法允許具有Ｎ 個節點的區塊鏈系統中有（Ｎ－１）／ ２ 個節點同時出現故障。

１． ２ ＰＢＦＴ 算法

由于原始ＢＦＴ 算法［１７］效率不高且實際可操作性低等缺點，１９９９ 年Ｃａｓｔｒｏ 等［１２］提出ＰＢＦＴ 算法。

ＰＢＦＴ 算法可以理解為狀態機副本復制算法，節點角色被分為客戶端、主節點和從節點（備份節點）。在運行時，算法會任取區塊鏈系統中的節點作為主節點，其他節點被稱為從節點（備份節點）。當客戶端向主節點發送請求時，主節點會通過廣播的形式將客戶端的請求轉發給其他副本節點，所有副本節點執行請求，并將執行結果反饋到客戶端，客戶端收到來自不同副本節點的反饋，但需要接收到Ｆ＋１ 個不同副本節點反饋的相同結果，才能將反饋的結果作為整個操作的最終結果。ＰＢＦＴ 算法降低了原始ＢＦＴ 算法的復雜度，提高其實際應用性。

文獻［１８］針對ＰＢＦＴ 算法存在的通信復雜度高、算法本身無法避免拜占庭節點擔任主節點等問題，引入節點信任度評價模型對ＰＢＦＴ 算法進行改進，實現了監理數據的分布式安全存儲，并通過智能合約保障數據上鏈、查詢過程的高效性、透明性。

１． ３ Ｈｏｔｓｔｕｆｆ 算法

ＨｏｔＳｔｕｆｆ 算法［１９］與其他的ＢＦＴ 類算法最大的區別就是將兩階段確認變為三階段確認，降低了視圖切換時的通信復雜度。ＨｏｔＳｔｕｆｆ 算法每完成一次共識，更換一個主節點。其達成共識需要準備、預提交、提交和決定４ 個階段。

Ｈｏｔｓｔｕｆｆ 的公開實現通常使用ｓｅｃｐ２５６ｋ１ 或ＥＤ２５５１９ 簽名算法［２０］來實現數字簽名，ｓｅｃｐ２５６ｋ１算法是ＥＣＤＳＡ 的一種，因此其在實現聚合簽名和門限簽名方面，效率較低；Ｈｏｔｓｔｕｆｆ 中主節點需要完成接受請求、發送消息、收集簽名、聚合簽名和驗證簽名等任務，而其他副本節點僅需要驗證消息和對消息進行簽名，工作量分配不均衡。

２ 模型架構設計

在跨級可信協作服務應用場景下，需要對上千節點進行大規模組網部署，形成跨多個層級的網絡架構。在這種大規模分層組網中，若區塊鏈網絡中都為ＶＰ，一方面，網絡復雜度的增加對網絡連通性和穩定性提出了更高的要求，但在真實落地場景中，出于網絡安全和建設成本的考慮，理想化的網絡環境往往很難實現；另一方面，ＶＰ 數量的增加會導致共識效率的降低，從而拖慢系統的整體性能。考慮到這些問題，本文提出了面向跨級可信協作服務的大規模節點組網分層架構，通過ＮＶＰ 和分層架構設計，有效對整體網絡節點水平進行擴展，實現不同類型網絡節點的大規模部署。面向跨級可信協作服務的大規模節點組網層級結構由ＶＰ 層、ＮＶＰ 層、輕節點層和終端設備層組成，如圖１ 所示。

ＶＰ 層由ＶＰ 組成，該層級節點全部參與共識，負責區塊鏈網絡的共識驗證與區塊一致性保證。

ＮＶＰ 層由ＮＶＰ 組成，同步ＶＰ 區塊數據，不參與共識，并通過網絡自發現轉發模型實現大規模ＮＶＰ 組網，實現區塊鏈數據網絡水平擴展。

輕節點層包含微數據中心、物聯網網關等，靠近邊緣設備終端，提供輕量級的計算功能，具備數據緩存以及本地計算的能力，將各種邊緣設備與區塊鏈網絡橋接起來，賦予邊緣計算能力，提高數據的處理效率，降低整體響應延遲。主要存儲區塊頭數據，用于事務的證明驗證，為終端設備層提供服務。

終端設備層包括感知器、通信模組和攝像頭等各類物聯網設備，負責數據采集與轉發上鏈，解決數據真實性的“第一公里”問題。

ＮＶＰ 定位于輕量級服務節點，不參與共識，僅通過信任的ＶＰ 來同步區塊數據，并對外提供事務轉發、查詢等服務。ＮＶＰ 擁有完善的數據恢復機制，當由于網絡異常等原因導致節點落后時，能及時同步數據，恢復到最新的區塊狀態，提高了節點的可用性。此外，ＮＶＰ 提供的區塊鏈服務獨立于ＶＰ，除了事務上鏈、查詢和驗證等基礎功能外，還支持數據索引、數據歸檔、可信文件存儲和接口權限管理等功能，適應更加多樣化的應用場景。

在跨級協作大規模組網應用場景中，普遍面臨網絡環境復雜、帶寬有限和低時延等問題。共識算法是限制區塊鏈性能的重要瓶頸，而目前主流聯盟鏈所采用的共識算法無法滿足上述數據業務應用要求。本文在現有ＲＡＦＴ 算法、ＢＦＴ 類共識算法基礎上，提出支持大規模分層分區共識技術的高效拜占庭容錯（Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｂｙｚａｎｔｉｎｅ Ｆａｕｌｔ Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ，ＥＢＦＴ）模型，通過門限簽名、鏈式確認、安全性與活性解耦、活性機制優化、交易緩存池、快速恢復機制等六方面進行技術優化，保證區塊鏈網絡異步狀態下的共識一致性，提高復雜網絡環境下共識活性表現及響應能力，大幅降低共識算法網絡復雜度，適應網絡情況復雜、網絡帶寬有限等客觀條件。

（１）引入門限簽名

將其他共識算法中的節點相互廣播消息，改由各個節點發送給領導者（Ｌｅａｄｅｒ）節點，由Ｌｅａｄｅｒ 利用門限簽名將這些消息簽名聚合后再廣播給其他節點，極大地減少了系統中的消息量，從Ｏ（ｎ２ ）減到了Ｏ（ｎ）。相比于ＰＢＦＴ 的２ 輪投票，新型共識算法采用３ 輪投票，多了一輪投票，各個節點集齊投票就可以進入下一個共識，而不需要等待固定的時間。

（２）采用鏈式確認

認可一個區塊實際上也是對于該區塊父區塊的認可。在鏈式的新型共識算法中，可以將區塊的確認放在下一個區塊中，只要一個區塊后面產生了３ 個連續區塊，就說明該區塊經過了３ 輪投票確認，可以最終確定。

（３）安全性和活性解耦

將安全性和活性分開獨立設計，共識算法的安全性經過嚴格的數學證明，同時其活性可以更加靈活定制，例如領導者如何切換、超時時間如何定義等可以靈活地留給使用者定義。

（４）優化活性機制

活性機制是保證共識能夠持續推進的關鍵所在。將設計一個更加靈活的超時機制來應對實際互聯網環境中不穩定的延遲與斷網情況。如果節點因為系統網絡不穩定導致進入多輪超時的話，不會頻繁地進行輪次切換，而是以一個逐漸放緩的速率進行輪次切換，大大減少了輪次切換的次數。

（５）實現交易緩存池

為避免交易丟失專門設計交易緩存池，不僅能用于交易緩存，還可進行交易去重。通過設置交易緩存池，共識階段就可以發現重復交易，不會將重復交易作為提案消息通過網絡發送給其他節點，從源頭上杜絕重復交易的發生。

（６）快速恢復機制

網絡波動可能導致ＶＰ 丟失部分共識消息，從而落后于其他ＶＰ。通過提供狀態同步功能來拉取最新的區塊、賬本信息等，落后節點將分兩階段來進行同步：當節點落后足夠多時，通過直接拉取區塊執行的方式恢復到一個最新的穩定檢查點高度；當節點落后足夠少時，通過直接向其他節點索要仲裁證書（Ｑｕｏｒｕｍ Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅ，ＱＣ）的方式來快速恢復共識進度。為提高同步的效率，采用并行向不同源節點拉取區塊的機制能夠以最快的速度拉取所有丟失的交易等待執行，減少了整個等待執行的時間。

ＥＢＦＴ 集群由ＶＰ 層的全部節點組成，算法基于ＢＦＴ 模型，即錯誤節點在算法執行過程中可以表現出任意行為，但其計算能力是有限，無法進行偽造簽名等打破密碼學假設的行為。ＥＢＦＴ 集群節點間的通信是可靠且可驗證的，集群網絡采用弱同步網絡假設，即系統能夠在未知但有界的時間內進入同步狀態，使得節點間消息傳輸能夠在已知時間內完成。

在實際應用場景中進行部署時，系統ＶＰ 總數由配置參數指定，并與對應的詳細節點配置互相驗證。系統法定個數表示系統中正確節點的最少數量，當系統中正確節點數不少于法定個數時，集群的安全性和活性能夠得到保證；法定個數應不少于ＶＰ總數的２ ／ ３。

３ 算法實現設計

ＥＢＦＴ 算法模型通過優化算法活性、可靠性和數字簽名性能，以解決大規模節點組網場景下共識效率低下、可擴展性不強的問題。

３． １ ＥＢＦＴ 算法流程

ＥＢＦＴ 算法把輪換主節點作為常規共識流程的一部分，所有節點都能輪流作為主節點進行提案，這樣不僅緩解了單一主節點帶來的壓力，也極大地保證了節點之間的公平性。算法基本流程如圖２所示。

節點在收到交易后會進行全網廣播，選擇當前主節點進行打包。其余節點判斷共識是否超時，如果超時，就通過傳遞ＱＣ 來保證輪換主節點后，系統仍然能夠正常提供共識服務。如果沒有超時，循環至客戶端停止發送請求。

此外，合并視圖切換流程和正常流程，即無需單獨的視圖切換流程。切換視圖時，節點直接切換到新視圖并通知新的主節點，無需確認其他節點希望切換視圖，從而降低了視圖切換的復雜度，實現快速共識。

（１）共識算法主流程

在大規模節點中，共識推進的流程主要是提案（Ｐｒｏｐｏｓａｌ）階段與投票（Ｖｏｔｅ）階段的循環。共識算法主流程如圖３ 所示。

步驟１：交易和廣播。節點收到交易之后，剔除重復交易后將其存入到本地內存池中，隨后將其廣播給其他所有節點，收到廣播的節點會進行同樣的去重存儲操作。需要注意的是，現在交易的接收與廣播流程由內存池負責，不在共識主流程中。

步驟２：提案。當前輪次的主節點負責進行打包，從內存池中取出若干筆符合要求的交易打包，并附帶上一輪的ＱＣ 封裝成一個提案，廣播給其他節點。

步驟３：投票。所有的節點（包括主節點）在監聽到提案消息后，都會驗證提案ｌ 的合法性，驗證通過后，首先檢查該提案中的ＱＣ 是否能夠提交前序的區塊，如果達到了三鏈安全性提交規則，則直接提交區塊，等待區塊執行完成之后將其中的交易從內存池中移除。最后，節點會將投票信息發送至下一輪的主節點（下一輪的主節點選擇策略定義在活性規則中）。需要注意的是，每個節點的投票中都會附帶節點簽名。

步驟４：提案階段。下一輪的主節點收到法定個數投票后，聚合成一個ＱＣ，并開始下一輪打包，并重復步驟２ 與步驟３，一直到出現超時的情況。

（２）超時輪換主節點流程

當主節點由于網絡原因或者其他因素導致從節點無法按期收到提案進行投票時，通過構造超時證書（Ｔｉｍｅｏｕｔ Ｃｅｒｔ，ＴＣ）觸發超時機制，通過集群資源管理器活性模塊讓全網快速地進入到下一個輪次（ｒｏｕｎｄ）繼續共識。超時輪換主節點流程如圖４所示。

步驟１：交易和廣播。所有ＶＰ 接收交易并且廣播交易，當前的主節點正常的進行打包并廣播提案。

步驟２：輪次超時（Ｒｏｕｎｄ Ｔｉｍｅｏｕｔ）。由于網絡原因，導致主節點提案并沒有及時地發送到從節點，因此從節點不會對本輪次進行投票。

步驟３：廣播超時信息。所有節點都無法按期收到本輪的提案，導致超時，全網廣播超時投票消息，其中會附帶本節點當前所處的輪次號以及節點的簽名。

步驟４：提案。下一輪的主節點在一定時間內收到共識算法達成共識所需要的投票節點個數個超時投票消息后，即構造成ＴＣ，ＴＣ 從內存池中取出若干筆合法交易打包，即可將ＴＣ 與其封裝成一個新的提案進行廣播，進入下一輪次共識，保障共識服務順利進行。

３． ２ 節點共識功能設計

共識算法模塊作為區塊鏈支撐平臺重要組成部分，通過平臺共識引擎運行。其主要功能結構包括五部分，分別是交易池、安全規則管理、活性管理、區塊存儲和加密，如圖５ 所示。

（１）交易池模塊

交易池（Ｍｅｍｐｏｏｌ）是交易緩沖池，同時具備交易去重的功能。當節點收到客戶端發來的交易，會首先將交易放到Ｍｅｍｐｏｏｌ 中。Ｍｅｍｐｏｏｌ 會檢查交易是否已經過時，是否已經存在同樣的交易。

Ｍｅｍｐｏｏｌ 從功能上可以分成兩部分：一部分是與本地的共識模塊進行交互的接口；一部分是與其他ＶＰ 的Ｍｅｍｐｏｏｌ 對交易進行同步的接口。當共識模塊需要生成提案時，將會從Ｍｅｍｐｏｏｌ 中取出交易。當提案完成共識，共識模塊會通知Ｍｅｍｐｏｏｌ 將共識的交易從內存中刪除。同時，Ｍｅｍｐｏｏｌ 每隔一段時間，會向其他ＶＰ 節點廣播自己最新獲知的可以作為提案的交易。

（２）安全規則管理器模塊

安全規則是保證系統安全性和正確性的重要支撐。在安全規則設計中，視圖以單調遞增的方式不斷切換。在每個視圖內，都有一個唯一的Ｌｅａｄｅｒ 節點，負責收集和轉發共識消息，并生成ＱＣ 證書等等。每個ＶＰ 都在本地存儲了一顆狀態樹，樹上的每個節點（ｎｏｄｅ）存儲了若干條待執行的命令（即來自客戶端的請求）、協議相關的元數據和一個指向父節點的鏈接。一個給定節點的所在分支是該節點到達樹根的路徑。隨著視圖的增長，樹上的某分支會被投票并達到已提交的狀態，這些已提交狀態的葉子節點將被最終執行。

安全性主要包括對投票規則和提交規則的約束和定義。安全節點的判斷有２ 個指標：提案消息中的節點是本地已鎖定證書節點（ｌｏｃｋｅｄＱＣ）所在分支的擴展；提案消息中的ＱＣ 的視圖值大于本地ｌｏｃｋｅｄＱＣ 的視圖值。一個ＶＰ 只會對滿足安全條件的提案進行投票，其中ｌｏｃｋｅｄＱＣ 在提交階段決定。

（３）活性管理器模塊

活性管理器（Ｐａｃｅｍａｋｅｒ）組件［１９］用來保證系統的活性。活性是保證系統在給定的全局延遲時間內能夠一直向前運轉的關鍵所在，也是所有共識算法在設計之初都必須考慮在內的關鍵因素。Ｐａｃｅｍａｋｅｒ 主要有以下２ 個功能：在一個足夠長的時間內，把所有節點的狀態樹更新到一致的高度；幫助主節點提議出讓正確的副本節點能夠接受的區塊。

起搏器會實時維護當前所處的ｒｏｕｎｄ，收到的最新ＱＣ 的ｒｏｕｎｄ，以及最近一次提交區塊的ｒｏｕｎｄ。每當節點進入到一個新的ｒｏｕｎｄ 時，Ｐａｃｅｍａｋｅｒ 都會啟動一個超時器，如果在規定時間內不能收到一條合法的提案消息，就會觸發超時事件，節點會向全網發送一個超時信息，當節點收到超過法定個數節點發送的超時信息時，說明此時有超過法定個數節點認為當前的主節點失效了，Ｐａｃｅｍａｋｅｒ 會主動更新當前的ｒｏｕｎｄ 進入到下一個ｒｏｕｎｄ，并再次啟動超時器，直到某個ｒｏｕｎｄ 下，能夠收到一條合法的提案消息，才開始正常處理交易。

（４）區塊存儲模塊

區塊存儲是節點在內存中維護的最近使用的區塊緩存。在共識過程中，節點本身會根據本地Ｍｅｍｐｏｏｌ 中的交易生成新的區塊，也會收到其他節點的提案，從中獲取區塊信息。區塊存儲記錄了這些區塊之間的關聯，給其他模塊提供獲取區塊信息的接口。

（５）加密模塊

加密模塊主要負責消息的簽名和驗簽，保證了節點無法對消息進行偽造和篡改。當某一節點收到來自其他節點的消息時，該節點的首要任務是確認消息的真實性，因為在拜占庭的場景下，惡意節點可以發送虛假的消息以誤導正常的節點。

采用ＥＤ２５５１９ 作為簽名以及驗簽的算法，該算法的速度比常用的ＥＣＤＳＡ 算法更快，因此在大規模組網共識的場景中具有顯著的優勢。

由于網絡存在丟包、延遲和斷網的可能，節點并不能總是按序收到所有提案，當節點因為網絡原因丟失了幾條提案后再收到一條包含更大ｒｏｕｎｄ 的提案時，節點需要進行快速同步，這里包含如下２ 種情況：節點落后超過３ 個ｒｏｕｎｄ，此時需要先快速同步所有落后的區塊，之后再同步近３ 個ＱＣ 以及區塊；節點落后小于３ 個ｒｏｕｎｄ，則只需要同步最新的若干個ｒｏｕｎｄ 及ＱＣ 即可。

通過批量驗簽算法，一次驗簽就可以判斷ＱＣ的真實性這樣當某節點收到ＱＣ 之后，就不再需要對ＱＣ 中的投票信息進行逐一驗簽。如此設計可緩解ＱＣ 校驗的壓力，對于提高共識算法的性能具有重要的意義。

４ 仿真模擬實驗

為了評估本算法在實際存證場景下的真實表現，對其存證交易的具體場景進行模擬。仿真模擬實驗硬件環境如表１ 所示，軟件環境如表２ 所示。

４． １ 實驗設置

（１）存證壓力測試

為了驗證產品存證交易的壓力測試場景下的表現，采用４ 個ＶＰ 進行模擬，節點間采用Ｐ２Ｐ 網絡，確保節點之間的通信正常。ＶＰ 仿真實驗設置示意如圖６ 所示。

假設存證數據大小固定為２００ Ｂｙｔｅ，持續１０ ｍｉｎ 向單個節點發送存證交易，使壓力維持在一個較高的水平，根據需要調整存證交易的發送頻率，并檢測ＶＰ 的處理能力和性能指標，從而評估本算法在高負載情況下的性能表現。

根據ＥＢＦＴ 算法，若主節點超時無響應會進行主節點切換，確保共識正常運行。設置主節點切換的條件為輪次切換周期不超過１ ｓ。監測主節點切換的時間和過程，評估主節點切換對系統的影響以及系統的容錯性。

（２）查詢性能測試

在區塊鏈網絡正常運行的前提條件下，確保查詢節點的緩存內容已被清除，以獲得準確的查詢性能數據。持續５ ｍｉｎ 向單個節點發送查詢請求，根據需要調整查詢請求的發送頻率。監測單節點的查詢響應時間、吞吐量和延遲等指標，以評估系統在大量查詢處理下的性能表現。

４． ２ 實驗結果

存證壓力測試結果如圖７ 所示。在１０ 月１５ 日１５：０４：１４—１５：１５：１３ 這段時間內，存證壓力場景下的事務數／ 秒（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｐｅｒ Ｓｅｃｏｎｄ，ＴＰＳ）均值為５０ ９７７． ８，每秒上鏈交易數（ＣＴＰＳ ）均值為５０ １９６． ２８５ １５６，交易成功率為９８． ５５６ ６％ 。

由圖７ 可以看出，在高壓力的存證場景下，系統能夠以每秒超過５ 萬個交易的速度、低于５％ 的錯誤率處理大批量存證交易請求，并具有較高的交易成功率，進一步證實了算法在高負載條件下的性能能夠滿足需求。

查詢性能測試結果如圖８ 所示，在１０ 月１６ 日１１：４２：２２—１１：４９：１９ 這段時間內，在單節點大量查詢處理場景下的每秒查詢率（Ｑｕｅｒｉｅｓ Ｐｅｒ Ｓｅｃｏｎｄ，ＱＰＳ）均值為６１ ０３９，且抽樣查詢結果全部正確。

由圖８ 可以看出，在正常運行的區塊鏈網絡中，系統能夠以每秒超過６ 萬個查詢的速度處理查詢請求，并且在大批量查詢時保持良好的準確性。所有抽樣查詢的結果都是正確的，進一步證明了系統在面對大量查詢時能夠正常運行。

仿真實驗結果表明，本文提出的共識算法在存證壓力場景下能夠處理高負載的批量交易，并且在單節點大量查詢處理場景下能夠以高吞吐量和準確度運行，滿足大規模組網共識的存證場景中對系統處理能力和響應速度的實際需求。

５ 結束語

本文提出了一種高效的共識算法—ＥＢＦＴ，以滿足跨級協作數據服務場景對數據規模、可靠性、穩定性和處理性能的要求，解決了在大規模節點網絡場景中低共識效率和有限可擴展性的局限性。仿真實驗表明，ＥＢＦＴ 可以在存在證明的場景下處理高負載批處理事務，在單個節點上涉及大量查詢的場景下實現高吞吐量和準確性。該算法有效滿足了數據服務應用中大規模節點網絡對系統處理能力和響應速度的實際要求。

在后續工作中，將進一步探索降低共識算法的復雜性，適應不同的網絡復雜性和有限的資源，使其適用于可信協作數據服務等領域的應用。

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作者簡介

張岐坦 男，（１９８６—），博士，高級工程師。

卜毅明 男，（１９８６—），博士，高級工程師。

沈宇婷 女，（１９９０—），博士，高級工程師。

基金項目：河北省智能化信息感知與處理重點實驗室發展基金項目（ＳＸＸ２２１３８Ｘ００２）