区块链的公平信誉证明共识研究：基于信誉的无许可区块链共识协议FPoR的性能和可扩展性

可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 9（2023）45www.elsevier.com/locate/icteFPoR：区块链的公平信誉证明共识张涛a，b，张伟，黄志刚ca中国北京北京航空航天大学网络科学与技术学院b桂林电子科技大学广西可信软件重点实验室，桂林，中国c福州大学福建省金融科技创新重点实验室，中国福州接收日期：2021年8月29日;接收日期：2022年10月29日;接受日期：2022年11月29日2022年12月5日在线发布摘要目前的无许可区块链共识协议无法平衡安全性，性能和中心化问题。在报纸上，我们提出了一个基于信誉的共识，FPoR，它结合了信誉，基于委员会的共识，PBFT，奖励和惩罚机制。FPoR可以平衡可扩展性，安全性和分散性，并促进公平性，增加参与性和加强安全性。实验结果表明，FPoR具有较高的性能和可扩展性，可用于无权限区块链。FPoR可以也可以扩展到许可的区块链应用程序。© 2022作者由爱思唯尔公司出版代表韩国通信和信息科学研究所这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：PoR;共识协议;区块链;公平性;信誉1. 介绍一致性机制[1]是在具有不可靠和恶意节点的分布式系统中实现一致性的机制。共识也是区块链最基本、最重要的组成部分，它决定了区块链的安全性和性能，保证了区块链的稳定运行。根据节点授权，区块链可以分为许可区块链和非许可区块链。只有经过授权的节点才能参与许可区块链，而参与非许可区块链则没有限制。区块链的共识机制也可以分为许可共识和非许可共识。在无许可共识中，任何符合预定义规则的人都可以参与共识。而在许可共识中，只有一小部分参与者被授权参与共识。在过去的几年里，已经为区块链应用提出了80多个共识 协 议 。 PoW （ Proof of Work ） 、 PoS （ Proof ofStake）、DPoS（Delegated Proof of Stake）、PoA（Proofof Authority）、PoR（Proof of Reputation）和PBFT北京航空航天大学网络科学与技术学院通讯作者电子邮件地址： tao.zhang.cnoutlook.com（T. Zhang）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2022.11.007（实用拜占庭容错）是最重要和最有意义的共识协议之一。PoW、PoS和DPoS用于无许可区块链，而PoR、PoA和PBFT用于许可区块链。PoW [2]是一种无需许可的共识，被比特币区块链和以太坊区块链采用。在PoW中，每个节点都有机会通过解决密码难题成为共识节点。在每一轮中，第一个解决密码谜题的人获得在区块链上添加新区块的权利。然而，PoW是非常计算密集的，耗时的，具有低效率和可扩展性。为了克服PoW的过度能耗，效率和安全问题，已经提出了用于非许可区块链的Proof-of-X共识协议，例如PoS和DPoS。PoS [3]是一个基于单一委员会的共识协议。在每一轮中，共识节点是根据他们的赌注随机选择的，这比PoW更环保在PoS中采用抵押品来促进共识节点的诚实行为PoS被Peercoin和Ethereum 2.0采用。DPoS [4]是PoS的改进，其工作原理与PoS类似。在DPoS中，引入了基于信誉的投票和委托机制，允许更多的共识节点参与共识。一个节点被选为共识节点的概率取决于它的声誉而不是股权。DPoS可以比DPoS更快地达成共识。2405-9595/© 2022作者。 由Elsevier B.V.代表韩国通信和信息科学研究所出版。这是一CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。T. Zhang和Z.黄ICT Express 9（2023）4546PoS，因为涉及的共识节点较少。DPoS被Cardano、EOS和TRON采用。PoA [5]是PoW和PoS的组合，用于许可区块链。在PoA中，一组授权节点可以参与共识。授权节点需要获得尽可能高的信誉值，只有具有足够信誉的节点才能被选为共识节点。PoR [6]是PoA的扩展，只有授权的节点才能参与共识，提出和验证区块。在PoR中，信誉就是一切，只有信誉最高的节点才能提出区块，而其他节点可以验证和确认所提出的区块。信誉是通过预定义的规则计算和累积的。PoR比PoW和PoS更有效和可靠。PoR被GoChain采用。PBFT [7]共识也适用于许可区块链，它可以在不进行复杂数学计算的情况下实现分布式共识。在PBFT中，节点通过多数规则达成共识，这意味着如果系统中超过三分之二的节点是诚实的，则分布式系统是安全的。数量随着节点数量的增加，系统变得更加安全，这将引入额外的通信开销并导致性能下降。与其他一致性协议相比，PBFT协议在性能和效率上都具有优势。然而，它很难扩展到大量的节点，因此不能用于无许可区块链。PBFT广泛应用于许可的区块链应用程序，如Hyperledger Fabric。目前的无许可共识协议受到中央-化、不公平和绩效挑战。所有的PoW、PoS、DPoS都可能导致中心化问题，这对新的参与节点是不公平的，也违背了区块链的去中心化本质。此外，无许可共识的性能仍然低于许可共识。在本文中，我们提出了FPoR作为一个公平的信誉证明共识协议，用于解决上述挑战。我们的主要贡献如下：我们提出FPoR作为一个基于委员会的共识，它结合了声誉，委员会，PBFT和激励机制。FPoR在安全性、集中化、公平性、性能和可扩展性之间取得了很好的平衡。我们实现了FPoR的原型，以评估其性能。实验结果表明，FPoR算法比PBFT算法具有更好的性能，特别是在节点数量较多的场景下。其余的文件组织如下。第二节简要介绍了基于信誉的共识协议和促进公平性的共识协议的相关工作。第3节详细描述了FPoR共识方案。第四节通过实验对其性能进行了评价并进行了讨论。第五节是论文的结论。2. 相关工作共识协议，以促进公平。最近的研究试图提高共识协议的公平性.随机共识节点选择被广泛用于实现区块链中公平性和去中心化之间的平衡，如Algorand和动态利益共识（DSC）。Algo-rand [8]是一种无许可的共识协 议 ， 提 出 了 可 验 证 随 机 函 数 （ Verifiable RandomFunction，VRF），以私有和非交互的方式随机选择共识节点，提高了候选共识节点之间的公平性。然后采用拜占庭协商协议，以较小的延迟达成共识。Algorand具有良好的可扩展性，可以很容易地扩展到更多的用户。在Penta网络中引入DSC [9]，以平衡共识节点的公平性，分散性，包容性参与和可扩展性。在DSC中，提出了一种独特的随机抽样算法来选择共识节点形成共识组，这有助于提高参与度，提高公平性，避免集中。每个节点都有相同的机会（相等的概率）参与共识过程。共识组中的共识节点运行拜占庭容错（BFT）来生成新的块。采用惩罚机制促进协商节点的诚实行为。具有恶意行为的共识节点将在指定的时间内被排除在共识节点之外。DSC被证明具有可扩展性、安全性和分散性。基于信誉的共识协议。声誉是衡量参与节点的可信度，取决于他们过去的行为和对区块链的贡献已经提出了一些基于信誉的共识协议，可以提高区块链的安全性。Zhuang等人。[10]提出了一种基于PoR的共识协议，该协议通过节点的资产，交易活动和共识参与来计算节点的声誉。具有最高信誉的节点被选为领导者以提出新块，该新块可以通过基于信誉的投票来验证和确认。然而，该方案可能导致集中化问题。RepuCoin [11]中的Consen-sus协议是基于声誉的加权投票共识。共识由一组信誉最高的共识节点承载。共识节点的声誉是通过其对区块链的持续贡献来衡量的。通过惩罚机制，可以降低行为偏离系统的节点的信誉，从而防止潜在的恶意行为。RepuCoin共识可以实现高吞吐量，并且可以抵御已知的攻击，例如51%攻击。Kleinrock等人。[12]提出了一种基于声誉的共识，该共识被证明是高度可扩展和高效的。在共识过程中，采用随机预言机模型来提高信誉公平性，使新的共识节点有更多的机会参与共识。在BRBC [13]中，只有具有比阈值更高的信誉分数的共识节点才允许加入共识。随机选择的法官负责监测参与共识的节点的行为，并更新其声誉得分。BRBC能够有效地抵抗一系列已知的攻击，并驱逐具有恶意行为的节点。PL-PoRX [14]是基于信誉的共识，有保证金和惩罚。在PL-PoRX协议中，采用安全押金机制来促进节点的正确拥有，防止潜在的恶意行为。对于有恶意行为的共识节点，将扣除保证金作为惩罚。实验表明，PL-PoRX在不同的场景下是有效的。··T. Zhang和Z.黄ICT Express 9（2023）4547∑∑Cl（i）+Cu（i）RR≥1NNi=1 （CR（i））应不小于平均cu-j=1NNn1NNi=1 （CuR（i））应不低于平均值j=1NNn所有候选共识节点n所有候选共识节点的当前信誉n3. FPoR：公平的声誉3.1. 概述和说明为了平衡无许可共识的安全性、性能、集中性和可扩展性，本文提出了一种基于代表的FPoR共识，它综合了抵押品、基于委员会的共识、基于信誉的节点选择、PBFT、奖惩激励机制等优点。FPoR的工艺流程如图所示。1.一、FPoR共识协议包括以下主要步骤：担保物参与共识的节点需要抵押物作为保证金，只有拥有抵押物的节点才能成为候选共识节点。共识组选择。基于信誉随机选择具有抵押品的候选共识节点，形成共识组，负责新区块的提议。共识组中的PBFT 共识组中的节点Fig. 1. FPoR共识机制。在一致性组中选择的一个或多个候选者取决于其当前信誉CuR和累积信誉ClR。ClR衡量节点运行PBFT协议以验证并同意新块。块传播。由共识组验证的区块将传播到区块链网络，并被已知p（i）=α<$ClR（i）+β<$CuR（i）其中α+β=1，α > β >0。（一）所有参与者节点。3.2. 抵押品抵押质押广泛用于共识协议，保证共识节点的行为诚实，例如PoSDash网络在FPoR中，抵押品也被用于预先为了避免潜在的攻击和中心化，共识群组的累积信誉和当前信誉应满足以下要求：• 一致性群体的累积声誉的平均值在共识过程参与者节点（非共识节点）需要stake1∑n（ClR（j））：token作为抵押品成为候选共识节点，并获得初始信誉值。然后所有候选共识节点1∑（ClR（i））≥1∑（ClR（j））（2）将进入候选共识节点池。只有节点在池中可以选择提出块。与其他共识协议不同，FPoR中的抵押品质押用于获得初始信誉分数，这将影响在共识组中选择共识节点的概率其中N是共识组中的节点数量，n是候选共识节点池中的节点数量• 一个共识群的当前重传值1∑n（CuR（j））：在无许可区块链中，可能存在具有ma-行为不端由于共识节点是随机选择的，1∑（CuR（i））≥1∑（CuR（j））（3）为了防止潜在的恶意行为，在每个共识回合期间，选择具有多个节点而不是单个领导节点的共识委员会来执行FPoR中的共识。在每一轮，一个共识小组委员会从候选共识池中随机选择共识节点，负责区块提议和区块验证。如何选择足够比例的诚实节点是一个关键的挑战。为了促进公平性和对区块链系统的贡献，共识组中的共识节点是基于FPoR中的声誉随机选择的，这意味着所有共识节点都有平等的机会参与共识过程，而不管其声誉如何共识节点的概率为了平衡性能和可伸缩性，consensus组的节点不应小于log 2n，如果n16和4，如果n16。为了促进公平性，没有参与节点应该创建大多数区块。在FPoR中，共识组中不应选择相同的节点来处理两个连续的块。此外，α应该大于β。3.4. 共识组PBFT具有节点数少、性能和效率高的优点。为了提高绩效，应限制协商小组委员会在FPoR中，··ni=1j=13.3. 共识组和共识节点选择ni=1j=1T. Zhang和Z.黄ICT Express 9（2023）4548≥i=1=∗2=−−−∑K1是交易数量-共识组中的节点的最小数目被限制为log2n（n16）。在共识组中，运行PBFT以生成新的候选块。具体程序如下：在每一轮共识中，共识组中的节点选出一个领导节点作为区块提议者。领导者节点提出具有一组交易的候选区块。然后将候选块广播给共识组中的其他节点。当接收到候选区块时，共识组中的其他节点验证并批准该区块。如果候选块获得绝大多数批准（例如，2/3），它将被广播到整个区块链网络。可能会有恶意节点积累信誉，增加被选为共识节点的可能性，从而进行大规模欺诈。为了防止潜在的恶意入侵者，对共识组的总抵押品进行了限制。共识组N（Colla（i））图二. FPoR的性能其中，Rreward是用于块生成的固定奖励值。中年缓慢增长，成熟参与者快速获得奖励。为了区分成熟参与者和新参与者，γ被调整为较小，以使当前声誉价值增长较慢。应不小于交易价值总和∑m（k）），其中m（T x值防止过度控制。 为了防止潜在的中央-化和促进公平，共识节点不是所有-候选块中的块，否则该块将被视为无效并丢弃。建议两个连续的区块。因此，共识节点中的声誉的增加相对均匀。N m3.5.2. 处罚∑（Colla（i））≥∑（T x值（k））（4）i=1k=13.5. 激励机制在FPoR中，奖励机制和惩罚机制相结合，以激励共识节点的行为诚实。共识节点将根据其行为和对区块链的贡献获得奖励或惩罚。 FPoR中的奖励包括区块奖励和信誉奖励。FPoR的定价机制是抵押品扣除和声誉降低。3.5.1. 奖励奖励是在经济上激励共识节点诚实行事。当候选一致性节点做出并列时，它们可以接收初始信誉值InitR。第一个激励是区块奖励，所有共识节点被选中在共识组中成功创建新区块可获得奖励。与RepuCoin中的信誉算法不同，FPoR中的信誉函数是：初期快速增长。 当共识组中的共识节点诚实行为时，当前信誉和累积信誉都将根据以下规则更新：规则1：CuR=CuR+2γR奖励规则2：ClR=ClR+CuR在每一轮中，诚实节点的当前信誉值将增加2γR奖励，诚实节点的累积信誉将添加更新的当前信誉值。γ是声誉因子在FPoR中，采用惩罚机制来惩罚不良行为有两种惩罚，包括抵押品和信誉，可以在共识组中的所有节点上，也可以在恶意行为节点上。如果共识组中的节点有恶意行为，而共识组中的其他诚实节点没有检测到恶意行为，那么共识组中的所有节点都应该受到惩罚。如果共识组中的诚实节点检测到恶意节点的恶意行为，则只有具有恶意行为的节点才会受到惩罚。抵押物将被扣除作为惩罚，恶意行为会对声誉Cl R产生负面影响Cl河累积的声誉将减半，当前信誉将重置为0，因为CuR=0。4. 评价和讨论4.1. 评价我们在python中实现了FPoR方案的概念证明，并将FPoR方案与PBFT方案进行了比较。为了测量FPoR方案的性能，我们使用不同的候选节点16，32，64，128，256，512和1024来测试共识时间。FPoR的测试结果如图所示。二、我们还比较了PBFT和FPoR之间的性能，如图所示。3.第三章。我们测量了16个节点在10个连续轮的声誉方差。节点1、节点4的初始信誉值InitR（i）被设置为120，节点5、节点8和节点9、节点16的信誉值分别被设置为110和100。 R奖励设置为1，γ在前5轮中设置为3，然后在第6轮至第10轮期间调整为2。α和β设置为0.6和0.4···T. Zhang和Z.黄ICT Express 9（2023）45493图3.第三章。 与PBFT和FPoR的比较。图四、1 6 个节点当前信誉度10轮测试结果。分别第1轮中的节点4和第4轮中的节点2存在恶意行为，则将这两个节点的当前信誉降为0并从候选共识节点中驱逐16个节点在10轮中的信誉测试结果如图所示。 四、4.2. 讨论安全FPoR的安全性是通过抵押物和惩罚、共识群以及对共识群总抵押物的限制来实现的。抵押物作为保证金，有恶意行为的共识节点抵押物将被扣除。在FPoR中，它是随机选择节点的共识组，而不是单个节点来提出区块。具有恶意行为的共识节点的信誉将被降低，从而不太可能被选入共识组。然而，恶意节点可能会逐渐建立自己的声誉，并以欺诈方式退出。随机选择共识节点、PBFT和限制共识组的总抵押品可以帮助缓解该问题。由于一致性组中的节点是随机选择的，如果一致性组中有2/3以上的节点诚实，则证明FPoR是安全的.如果FPoR中有n个候选共识节点，则共识组中共识节点的最小数量为log2n，因此恶意或故障节点的最大数量为log2n−1。此外，共识组的抵押品总额应为不小于候选区块中的交易值的总和性能在FPoR中，共识组中的共识节点的最小数量被设置为log2n，其小于PBFT共识协议。由于参与共识的共识节点较少，FPoR可以获得比PBFT更好的性能，特别是在涉及更多共识节点的场景可扩展性。在FPoR中，采用共识组来解决PBFT和其他共识协议的可扩展性挑战。由于FPoR中共识组中共识节点的最小数量设置为log2n，如果有2n个候选共识节点，则共识组中共识节点的最小数量仅为n，而不是PBFT中的2n因此，FPoR的可扩展性优于PBFT。公平。在FPoR中，所有具有抵押品的节点都可以是共识节点，并且有机会加入共识，特别是对于具有较少信誉的新节点。因此，FPoR比PoS和PoR公平得多，可以吸引和激励新节点参与区块链生态系统。对于候选共识节点被选入共识过程的概率，综合考虑了累积信誉和当前信誉，对长时间的共识节点也是公平的，可以减轻潜在的中心化问题。总的来说，FPoR也比Algorand [8]和RepuCoin [11]等区块链系统公平得多。5. 结论平衡可扩展性、安全性和去中心化是区块链共识协议面临的一个关键挑战。在本文中，我们提出了FPoR作为一个基于信誉的共识协议，用于非许可区块链，它结合了抵押品，基于委员会的共识小组，PBFT和激励机制。共识群由随机选取的共识节点组成，可以促进公平性和分散性，增加参与度，增强安全性。共识组中的共识节点运行PBFT以确保区块终结性。抵押品和声誉机制可以激励好的行为，惩罚坏的行为。实验结果表明，PFoR具有较高的性能、可扩展性和公平性，可用于无权限和有权限的区块链场景。竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作致谢本 工 作 得 到 了 广 西 可 信 软 件 国 家 重 点 实 验 室（kx202016）、浙江省影视传媒技术国家重点实验室（2020E10015）、福建省金融科技创新重点实验室、福州大学、福建省江夏学院（KF1901）、浙江省海洋大数据挖掘应用国家重点实验室（obdma202001）的T. Zhang和Z.黄ICT Express 9（2023）4550引用[1] S.张杰- H. Lee，区块链主要共识协议分析，ICT Express 6（2）（2020）93http://dx.doi.org/10.1016/[2] S. Nakamoto，Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System，2008.[3] 股权证明。 https://bitcointalk.org/index.php? topic=68213.0。[4] EOS.https：//github.Com/EOSIO/Docummntation/blob/master/TechnicalWhitePaper。md.[5] 权威证明 ttps：//en. bitcoinwiki. 或g/wiki/Proof-of-uthority。[6] 名 誉 的 证 明 。 https ： //medium. com/gochain/proof-of-reputation-e37432420712.[7] M. 卡 斯 特 罗 湾 Liskov ， Practical Byzantine fault tolerance ， in ：Presentedat the Proceedings of the Third Symposium on OperatingSystemsDesignand Implementation ， New Orleans ， Louisiana ，USA，1999。[8] Y. 吉 拉 德 河 Hemo ， S. Micali ， G. Vlachos ， N. 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