比特币网络中基于局部性的聚类方法研究及对优化事务传播延迟的影响

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比特币网络

 



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



联合王国伯恩茅斯大学计算和信息学系



爱尔兰都柏林科技大学电气与电子工程学院



联合王国朴茨茅斯大学计算机学院

          

保留字：

比特币

区块链

集

群

信息传播安全

性能

       

人们越来越需要数字加密货币更加安全和稳健，以满足以下业务要求：（）低交易费用和（）用户隐私。如

今，比特币正在获得牵引力和广泛采用。许多知名企业已经开始接受比特币作为金融支付的一种手段。然而，

比特币网络对信息传播延迟的敏感性，增加了比特币网络对攻击的脆弱性，并降低了其吞吐量性能。本文介绍

并分析了一种新的网络聚类方法基于局部性的聚类（），基于时间的方法（）、基于超级节点

的聚类（）和基于主节点的聚类（）。所提出的方法旨在通过减少比特币的信息传播延迟来减少执

行成功的双重支出攻击的机会。这些方法体现了对标准比特币协议的接近度感知扩展，其中接近度是在地理上

和延迟方面测量的。我们通过一组仿真实验验证了我们提出的方法，研究结果显示了所提出的方法如何运行及

其对优化事务传播延迟的影响。此外，这些新的方法进行评估的角度来看，比特币网络的抵抗分区攻击。数值

结果，这是建立通过广泛的模拟实验，演示了如何扩展运行，以及它们的影响，优化事务传播延迟。我们利用

这些研究结果，建议有前途的未来研究方向的优化交易传播延迟。

介绍

比特币是第一个吸引主流商业社区和私人关注的数字货币。它是一

个虚拟的、分散的软件和基于密码的系统。它的主要优点是没有人负责

它，它不被任何硬资产或政府跟踪。它在点对点网络上运行，其中比

特币的价值通过密码学来保护，这是由对等点通过暴力强制双

哈希函数来执行的。

比特币依赖于一种分布式信任机制，这种机制是通过在整个比特币

节点网络中共享的公开分布式账本来实现的，。这种机制充当了一

种监控技术，跟踪可用比特币的数量。在本文中，

比特币

一词指的是实

际货币，而

比特币

指的是整个比特币系统。要成功运作，需要满足两个

主要要求：（）交易验证必须以分布式方式进行，以确保交易的有效

性，以及

（）成功处理的交易必须迅速向每个人宣布，以保证区块链的状态是

一致的，。由于交易是根据区块链进行验证的，因此在区块链上实

现一致的状态是实现分布式交易验证过程的基本要求。一旦交易被验

证，它需要被广播到所有节点在网络中，以便就交易的有效性达成共

识。最终，共识反映在区块链上。比特币网络最紧迫的问题是尽快将比

特币信息传播到整个网络。提高这个过程的速度会增加区块链达到全局

状态的可能性，这会受到比特币信息向所有节点公布的速度的显著影

响。在交易验证过程中经历的信息传播延迟可能会导致区块链不一致，

并使比特币容易受到攻击。



通讯作者。

电子邮件地址：

（）， （ ）， （）， 

（）。



接收日期：年月日接收日期：年月日接受日期：年月日

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比特币点对点网络拓扑不考虑节点之间的物理隔离或通信延迟方面

的邻近性标准。在加入比特币网络时，比特币节点随机连接到网络中的

其他节点。这可以在物理网络中的节点之间创建长距离链路。这些

长距离链接的后果是比特币信息不必要地遍历网络跳数，这导致了交易

验证过程的延迟，。这种延迟引入了节点之间关于什么构成

真实

交

易历史的冲突的可能性，这可能导致在缓慢网络中难以检测到的成功的

双重支出攻击。与有效性有关的冲突减少了在同一个区块链头上达成

共识的机会，这可能会导致区块链分叉。

区块链分叉是在同时创建两个区块时创建的，其中每个区块都可以

添加到相同的子链，。在比特币受到区块链分叉的特殊情况下，攻

击者可能能够更新自己的交易历史，可能重写他们发送的交易，以便成

功执行双重支出攻击。攻击者可以秘密地挖掘一个包含交易的分支，该

交易在传播商家交易的同时将支付逆转给自己。由于区块链分叉是由延

迟引起的，因此减少比特币网络中的传播延迟至关重要，即使在许多

情况下，各方之间就真实交易历史达成协议的概率很高，。

本文旨在解决传播延迟问题，通过调查的假设，网络覆盖，考虑地

理位移和节点之间的延迟将减少信息传播延迟。具体地说，本文提出并

分析了几种新的网络聚类方法：基于局部性的聚类（）、基于

时间的聚类（）、基于超级节点的聚类（）和基于主节点的

聚类（）。我们证明了所提出的协议减轻了信息传播延迟问题，

从而降低了成功的双重支出攻击发生的机会。为了完成我们对这些协议

的安全评估，我们研究了形成有组织的低信息传播延迟网络和提供对分

区式攻击的鲁棒性之间的内在紧张关系。我们提出了一个分析这些协议

的安全含义，并表明这些协议可以应用在比特币网络中，而不会显着损

害安全。

论文的其余部分组织如下。第节、战略讨论了加速信息传播的方

案。第节提出了问题，并列出了贡献。我们在第节和第节中描述了

比特币网络和提出的集群协议。实验装置和性能评价结果见第节。在

第节中，提出的协议的安全性评估。我们在第节中总结并概述了未来

的研究方向。

相关工作

我们讨论了在四个标题下减轻比特币网络中的信息传播延迟的相关

工作：最小化验证时间，流水线信息传播，增加连接性和双重支出攻击

缓解。

2.1.

最大限度地缩短验证时间

一些工作已经考虑通过最小化完成信息（交易或块）验证所花费

的时间来减少信息传播延迟。当一个节点接收到一个 ，

它验证它是否是有效的或没有。如果交易有效，节点将其转发给其

邻居。或者，丢弃无效事务。在中采用了减少块验证时间的思想

作者提出了

最小化验证

协议，

加快信息传播速度。该协议改变了比特币节点的行为。每个节点只执行

块验证过程的第一部分。当节点接收到块时，它检查工作量证明困

难并将区块转发给其邻居，而不是暂停中继，直到完成对区块中所有交

易的验证。然而，这种行为变化可能会引入安全风险，例如，放弃交易

验证过程将允许攻击者用无效交易淹没网络。这种类型的攻击通常被称

为分布式拒绝服务（）攻击。节点行为的变化没有考虑事务传播

延迟，这意味着事务将按照原始信息广播场景进行传播。因此，该变化

对整体信息传播延迟没有显著的积极影响。

提出的方法侧重于区块链作为减少交易验证时间的主要因素。

由于交易是根据区块链进行验证的，区块链包含所有交易的历史，并且

随着每一个新交易的增加而增加，作者声称，通过减少交易历史，在

每个节点，这将在减少交易验证时间方面发挥重要作用。在中提出

了一种被称为的算法，其中区块链在比特币网络的每个节点上

被划分为多个部分。然后将这些部分分发给在每个节点的几台本地计

算机上。由于所有部分都代表同一个用户，因此所使用的公钥私钥对

于所有这些部分都是相同的。另一方面，每个部分都有公共账本的不同

部分。中的结果表明，如果在五台计算机上的给定节点上划分区块

链，则验证时间可以减少。据推测，信息的改善

传播延迟可以实现时，分区的数量

在每个节点处，建议的

基线

算法是不太可能被采用作为一个部署的解决

方案，由于昂贵的要求，在网络中的每个节点都应该保持几个本地计算

机。

在中提出了一项研究，该研究专注于加速信息传播并最大限度地

减少区块链的大小。这种方法通过使用矿工提高链下区块的安全性来提

高区块链的可扩展性。在这种方法中，矿工负责跟踪和保护链接到主区

块链的软分叉。矿工被认为是可信的第三方，这种方法为他们提供了对

比特币网络的更多控制。这种方法与比特币的去中心化概念相反它会导

致安全意识的降低。这种软分叉由于其降低的哈希率而受到所谓的

攻击。

在中引入了方法，该方法专注于最大限度地减少交

易验证时间，旨在减少共识延迟方法基于将区块链拆分为

本地化的

碎片

，每个地理位置一个区块链。每个区块链都与附近的一

些验证器相关联。这减少了每个区块链的交易历史，从而加快了交易

验证时间。这种方法降低了区块链对攻击的抵抗力，因为这些区

块链提供了降低的哈希率。它不支持互操作性，这意味着碎片区块链

不能相互交互的作者还引入了一种名为的分片方法在

中，区块链网络被划分为随机数量的分片，每个分片随机

选择一个领导节点。中的分片不是基于邻近度定义的，仍

然需要网络信息

长途旅行中的 不会被迫

满足特定的要求，从安全的角度来看，这是网络的一个重大缺陷。

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2.2.

流水线信息传播

在中引入的模型旨在通过流水线信息传播来实现更快的信息传

播，这减少了网络中节点之间的往返延迟。具体来说，节点可以立即将

包含所传播的交易的散

列的

INV消息转发给其他节点，而不是等待接收

实际的交易数据。这意味着接收到的事务可以立即传播到请求它并且已

经发送

了

GETDATA消息作为对 INV消息。因此，网络初始化了等待

GETDATA消息的节点通常使用的空闲时间。流水线传播协议的关键问题

是，当节点请求一个不可用的交易时，比特币网络的全局状态可能会变

得不一致。这增加了成功执行双重支出攻击的机会。流水线传播协议在

每个节点上需要无限的内存，目的是保持事务直到GETDATA消息到达，

或者保持GETDATA消息直到事务到达。作者认为，这一点的影响微乎其

微，信息传播延迟，因为交易仍然需要通过随机的、非本地化的连接

传播到整个比特币网络的节点。在中引入了另一种称为

紧凑块中继

（）的流水线方法，以减轻传播延迟问题。仅包括块中交易的散列

的紧凑块被通告给其他节点。在接收到紧凑块时，只有缺失的交易被传

输到接收方，而不是整个块。即使方法改善了传播延迟，节点在转

发之前仍然需要手头上的紧凑块。方法有可能导致大延迟，特别是

在传输大尺寸的紧凑块时。最后，是中提出的一种传播协

议，它试图通过遵循剪切转发策略来最小化传播延迟，其中并行处理紧

凑块的接收和转发。然而，并不依赖于现有的比特币节点，而是

部署中继节点来实现直通转发协议。此外，是一种商业协议，缺

乏深入的公开分析。

2.3.

网络连接

区块发起者和节点之间的网络距离中的研究声称，信息传播延

迟可以通过增加网络连接来改善这可以通过创建星型子图拓扑来实

现，星型子图拓扑在节点之间形成中央通信枢纽。在中提出了一

种新的网络拓扑，其中每个节点维护一个连接池，能够维护多达

个开放连接。在这种设置中，节点通常连接到每个通告的地址

信息通过较少的跳数，这解释了观察到的减少的信息传播时间比特

币协议允许节点保持多达个传出连接，以防止网络被恶意节点控制

。不幸的是，所提出的网络拓扑结构引入了严重的安全风险，由

于节点被允许保持许多连接到其他节点的事实。这可能使恶意节点

能够干扰和控制网络。

在建立连接时最大化邻近度是中提出的方法的目标。这一变化

通过使用几个协调器节点（称为比特币客户端）来增加比特币网

络的地理连接性。然后，这些比特币客户端在整个比特币网络中

战略性地分布。他们的作用是根据地理位置搜索和推荐比特币网络

节点。客户端测量发现的节点与其他之间的地理距离

客户通过这样做，客户端可以建议哪些节点在地理上最接近其

他客户端。与中提出的协议相比，客户端被允许保持多

达个到被认为在地理上接近的节点的传出连接。这种解决方案的

主要缺点是任何节点都可以成为客户端，这降低了比特币对某些

类型攻击的抵抗力。恶意节点可以很容易地冒充客户端的角色，

并保持与网络中许多节点的连接这导致恶意节点能够控制网络的大部

分。由此产生的比特币网络容易受到和分区攻击。提出的另一

个问题是，该解决方案相对集中任何客户端都可以用作协调器

节点，而无需满足任何要求或通过网络节点达成协议如果由有限数量

的未良好连接的节点来实现，

在中引入了一个被称为（快速互联网比特币中继引擎）的

传输协议层，以减少信息传播延迟。专注于通过前向纠错减少

层中发生的数据包丢失造成的延迟。通过使用数据压缩来减少网络

流量。本文中的方法介绍了一种易于与光纤集成的比特币网络协议。最

后，中提出的优化协议通过利用地理邻近聚类来增加网络连接。该

算法用于将邻近节点聚集成簇。然而，他们的论文没有进行安全评估来

测试所提出的聚类协议是否会危及安全性。相反，在本文中，我们评估

了几个全新的聚类协议的安全性。据我们所知，这是第一个工作中，这

样的贡献

2.4.

双重支出攻击缓解

在两种情况下，确认和确认，减轻双重支出攻击，在文献中受到

了很大的关注。在验证确认的情况下，通过开发比特币的分析模型来

测量执行成功攻击的概率。作者在中观察到传播延迟和消息大小之间

的一些相关性。由于区块链的对抗性分叉仍然可以引入双重支出的可

能性，，中的贡献表明，减少意外分叉的可能性将有助于避免双重

支出攻击。对于确认的情况，，的作者提出了修改交易传播协

议作为一种可能的解决方案，以减轻快速支付中的双重支出攻击。在

中提出了一个模型，它允许供应商接收冲突的交易，

诚实和诚实

的

交易，然后发送到供应商，零售

商

，几乎在同一时间。

该方法允许供应商在交付产品之前在正确的时间发现双重支出攻击。

节点将事务添加到其池中，并在第一次接收到事务时将其转发给其他

节点。在已经看到接收到的事务的情况下，节点转发事务而不将其添

加到其池中。这使得接收在产品交付之前，由供应商对冲突的交易

进行确认



然而，这种模式的缺点是网络可能会被不必要的流量淹

没，导致比特币性能下降。

最后，提出了一个原型系统来克服自动售货机中的双重支出攻

击。该系统实现通过使用跟踪交易的服务器，快速支付发生双重支出

攻击的概率为。当一笔交易被分发到超过个节点时，服务器会

发出一个信号，表明该交易已经被区块链确认。这种解决方案是有限

的，因为攻击者

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问题陈述

信息传播延迟是当前比特币网络中的一个严重问题。已有几种模型

被引入来克服它，以前的尝试更新网络拓扑结构没有考虑到聚类方法的

好处。他们考虑通过保持网状网络拓扑来增加网络连接性，或者依赖

于多个协调器节点来基于网络中节点的接近度来增加连接性，而这是在

不注意所涉及的安全风险的情况下完成的。我们考虑比特币网络中

的集群是否本文的主要贡献可归纳如下：

性能评估

：我们研究了集群在比特币网络中的作用，以减少对等点之间

信息传递的平均延迟，而不影响安全性。我们提出并评估了四种聚类方

法：（）基于位置的聚类（），（）基于比特币聚类的时间

协议（），（）基于比特币聚类的超级节点（），最后，

（）基于主节点的聚类（）。协议旨在通过优先考虑节点之

间地理上接近的连接来改善比特币网络中的连接。方法寻求通过创

建不同但连接的对等体集群来优化覆盖拓扑，这些对等体具有在某个集

群内阈值下指定的对等体对等体（）延迟。方法的目的是生

成一组地理上多样化的集群。协议依赖于几个节点，称为主机，

以实现基于互联网邻近和随机对等选择的完全连接的集群。

安全性评估

：由于在比特币网络中进行聚类不同于其他类网络中的

聚类，由于严格的安全要求，本文研究了聚类是否可以安全地进行，而

不会增加某些类的可能性。具体来说，就是分区攻击。分区攻击的影

响，建议的协议，以及对比特币网络进行评估。

模拟

：为了评估所提出的集群协议，使用的模拟模型开发了几个模

拟。为了对仿真模型进行参数化，执行了对真实比特币网络中的客户端

的可靠性和信息传播具有直接影响的真实比特币网络参数的大规模测

量。比特币网络中的交易传播延迟的测量。这些测量是使用一种方法来

收集的，该方法确保准确地测量事务传播延迟。这些测量提供了一个机

会来验证开发的模拟器对真实的比特币网络。

背景

比特币网络是指一组支持比特币协议的节点。我们概述了这种分散

的结构。

4.1.

比特币网络结构

去中心化是比特币的关键特征之一。维护分布式协议以支持系统

。每个节点运行比特币协议，并通过通道与其他节点连接

。由于比特币网络的拓扑结构不是建立在在邻近度上，随机地

选择与哪些对等体连接。要求每个节点最多保持个到对等体的传出

连接，并接受多达个连接。节点可以随时加入和离开网络。

当一个节点重新加入时，它会向其他节点请求新的区块来完成区块

链的本地副本，。为了减轻攻击，只有有效的交易和块才

能在网络上传播。比特币节点根据功能在网络中扮演不同的角色

他们支持的钱包服务，路由等，因为比特币依赖于关于分布式验证，

一个基本功能是以分布式方式验证交易。这个角色由网络中的所有节点

执行。要参与比特币网络，所有节点都必须支持路由功能。此功能

包括事务的验证和传播，以及维护与其他节点的连接。

4.2.

比特币网络发现

当一个节点首次加入比特币网络时，一个不考虑任何邻近标准的

分布式机制会在网络中找到其他节点。至少有一个现有的比特币节

点需要被节点发现，以发现更多的节点。然后，在该节点和被发

现的节点之间建立更多的连接。建立与其他节点的连接是在不考虑

节点邻近度的情况下完成的，因为比特币网络拓扑不是基于邻近度建

立的，。为了建立连接，通过发送包含基本标识信息的

版本

消息

来处理与已知对等体的握手对等体通过发送

verack

消息

来响应版

本消息。每个对等体缓存连接到它的对等体的地址为了阻止节点的

行为不端，每个节点都会为连接到它的每个节点分配一个惩罚分数当

宣布不可靠的行为时，分数增加当分数达到时，具有相关联的行

为不当地址的节点被处理惩罚分数的节点禁止每个节点维护一个事

务池，其中包括等待验证并中继到相邻节点的事务。

现在描述网络中的第一节点的发现。该网络包含稳定节点，这些稳

定节点充当种子节点。他们的身份在新的比特币客户端中被列为网络中

的建议节点。需要由新节点处理的引导需要至少一个节点在建立到

种子节点的连接之后，然后发起到其他节点的进一步引入。一旦与其他

节点建立了更多的连接，新节点将断开与种子节点。连接到其他节点

有助于新节点发现更多节点。这可以通过发送Addr

消息

来完成，该

消息包括发送方节点的地址。新连接的节点可以通过向其他节点发送

Addr

消息来

向其他节点通告其自己的。它的邻居。这有助于其他节

点找到新节点。另一方面，新节点可以通过发送向它的邻居发送一

个地址请求消息，并且邻居节点通过公开它们的地址来响应。即使

每个节点都建立了与其他节点的连接，该节点也应该继续发现更多的节

点，并在新节点加入网络时向它们通告其存在。这是因为路径可能

是不可靠的，因为节点可以以计划外的方式加入和离开网络。连接到其

他节点的节点并不保证这些连接永远不会丢失。发现其他节点的过程会

继续进行，这样比特币网络中就有了不同的路径。当节点重新启动时，

它可以重新加入网络，而无需再次引导网络，因为它记住了最近成功的

节点连接节点尝试通过发送连接请求重新建立与这些节点的连接。如果

没有响应，则节点再次开始引导网络。在丢弃连接方面，如果超过分

钟没有传输流量，则连接被丢弃。

4.3.

比特币网络中的

DNS

种子节点

  是一个服务器，它帮助节点发现网络中的

活跃节点。 通过发起包含地址列表的消息来响应查

询。可以附加到邮件的地址的最大数量受到约束的限制约条

信息

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cpongm

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比特币网络中基于局部性的聚类方法研究及对优化事务传播延迟的影响

基于局部密度的改进聚类算法研究

基于复杂网络社团划分的Web服务聚类研究

遗传算法优化的减法聚类方法研究

网络游戏-G比特流率下多粒度的网络自动聚类方法.zip

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基于密度的聚类算法DBSCAN优化研究

PSO算法优化的Kmeans聚类方法研究

基于Matlab的输电断面识别谱聚类方法研究

基于密度峰值聚类DPC算法的高效数据聚类方法

基于近邻传播的半监督聚类算法研究

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