基于结构化网络和可信执行环境的有效拜占庭容错算法

作     者：李娜 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王日宏

授予年度：2019年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 

主      题：区块链 拜占庭容错 结构化网络 可信组件 状态机复制 

摘      要：作为比特币的底层技术,区块链从根本上建立了一种信任和价值传递机制,推动了信息互联网向价值互联网转变。区块链虽起源于比特币,但在十年的发展历程中,区块链已经超越了在金融领域的应用,逐渐进入到各个社会领域,提供更复杂的逻辑处理能力。区块链的瓶颈主要集中在其低吞吐、高延迟的性能问题上,这其实是去中心化与效率权衡之后的结果。Paxos、Raft等经典的分布式一致性算法并不能解决拜占庭容错问题,而Po W、Po S等公链系统的共识算法又因其巨大的能源成本或协议本身的设计缺陷而无法满足特定场景下的性能需求。与之相比,BFT(Byzantine Fault Tolerant)共识算法能够容忍一定数量的节点以任意方式偏离协议,拜占庭错误是分布式系统中最坏情况下的错误。BFT共识算法提供了百分之百而不是概率上的安全性,但因其高资源消耗、低共识效率一直没有被广泛应用。本文提出了Loop-Grouping Tree and TEE BFT(Lg TTBFT),一种简单高效的拜占庭容错共识策略。Lg TTBFT的核心是一种新的树形拓扑(Lg Tree)和可信执行环境(TEE)。TEE的使用则使系统效率从副本数量和通信过程两方面得到了很大提升:将最小副本数量从3f+1降低到2f+1;将共识过程的通信阶段从PBFT的三阶段降低到两阶段,在PREPARE阶段将通信复杂度从O(n2)降为O(n)。本文构建了一个结构化网络,多次重构的多叉树结构Lg Tree作为区块链系统网络层的节点组织结构。与Min BFT和Cheap BFT相比具有以下优势:1)提供了一个更简单的网络结构和更高效的路由效率2)特殊的树形结构还提供了良好的负载均衡和稳定性实验表明,结构化网络和可信执行的环境的结合提供了更好的吞吐量和延迟,其效率至少为Min BFT的两倍,且随着副本数量的增多性能优势更加明显。