基于平均穩(wěn)定度的自適應(yīng)PBFT算法改進(jìn)

張世政，劉 勇

（網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與融合北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）

0 引言

“中本聰”提出的比特幣，成為區(qū)塊鏈技術(shù)的第一個(gè)成功應(yīng)用的案例，自此，區(qū)塊鏈技術(shù)開始進(jìn)入大眾的視野，被人們所熟知。區(qū)塊鏈技術(shù)是一種特殊的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，它結(jié)合了去中心化、信息加密、共識(shí)算法等多種技術(shù)，具有去中心化、不可篡改、可溯源等特征。按照應(yīng)用情況，可將其分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈三種。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)已得到極大發(fā)展，其應(yīng)用場(chǎng)景越發(fā)廣泛，在諸多領(lǐng)域影響深遠(yuǎn)，其在新技術(shù)變革中的重要性日漸顯著。

共識(shí)算法作為區(qū)塊鏈的核心技術(shù)之一，影響著其安全性和整體性能。目前應(yīng)用較為廣泛的共識(shí)算法包括工作量證明機(jī)制（proof of work，POW）、權(quán)益證明機(jī)制（proof of stake，POS）、授權(quán)權(quán)益證明機(jī)制（delegated proof of stake， DPOS）和 實(shí) 用 拜 占 庭 容 錯(cuò) 機(jī) 制（practical byzantine fault tolerance，PBFT）等，在實(shí)際應(yīng)用中，由于聯(lián)盟鏈和私有鏈中的節(jié)點(diǎn)只有經(jīng)過授權(quán)才能夠加入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，因此具有更高的安全性和實(shí)用性，PBFT 共識(shí)算法由于能夠有效地解決網(wǎng)絡(luò)中的拜占庭將軍問題，保證了網(wǎng)絡(luò)可靠性和穩(wěn)定性，已成為聯(lián)盟鏈和私有鏈中應(yīng)用最廣泛的共識(shí)算法之一。 但PBFT 算法的劣勢(shì)也極為明顯，在PBFT 共識(shí)的過程中，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，共識(shí)的時(shí)延以及通信復(fù)雜度急劇上升，從而導(dǎo)致共識(shí)效率較低，并且消耗大量的信道資源。PBFT算法缺少節(jié)點(diǎn)評(píng)估機(jī)制，不能靈活地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分。另外，其輪流當(dāng)選的視圖切換策略也會(huì)影響系統(tǒng)的安全性和共識(shí)效率。

對(duì)于PBFT 算法的改進(jìn)工作已有多種方案，但始終缺乏考慮網(wǎng)絡(luò)整體情況、自適應(yīng)的優(yōu)化措施。為了解決目前PBFT 算法存在的諸多問題，本文旨在設(shè)計(jì)一種具有一定自適應(yīng)性的優(yōu)化算法，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的整體情況，從節(jié)點(diǎn)評(píng)估、自適應(yīng)共識(shí)節(jié)點(diǎn)選擇等方面進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)，提升PBFT算法性能。

1 相關(guān)工作

針對(duì)PBFT 存在的效率低，時(shí)延高的問題，已有多位學(xué)者提出了改進(jìn)措施。例如，文獻(xiàn)［15］提出的基于投票的拜占庭容錯(cuò)算法，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)劃分為客戶端、從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)三種不同的職責(zé)類型，由主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行投票和評(píng)分來改變每個(gè)節(jié)點(diǎn)的類型。文獻(xiàn)［16］提出一種基于特征信任模型的優(yōu)化實(shí)用拜占庭容錯(cuò)共識(shí)算法，它是一種多階段共識(shí)算法，通過節(jié)點(diǎn)之間的交易來評(píng)估節(jié)點(diǎn)信任，從而選擇網(wǎng)絡(luò)中質(zhì)量較高的節(jié)點(diǎn)來構(gòu)建共識(shí)群。文獻(xiàn)［17］提出基于可靠性評(píng)估的改進(jìn)拜占庭容錯(cuò)算法，根據(jù)評(píng)分將節(jié)點(diǎn)劃分為誠(chéng)實(shí)、故障、惡意三種狀態(tài)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)可靠性選擇主節(jié)點(diǎn)組建共識(shí)節(jié)點(diǎn)群。上述改進(jìn)措施均采用依據(jù)分?jǐn)?shù)來選擇共識(shí)節(jié)點(diǎn)的機(jī)制，具有一定的優(yōu)化效果，但在面對(duì)惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少甚至沒有惡意節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)中，參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量過多，優(yōu)化效果有限。文獻(xiàn)［18］針對(duì)PBFT 算法的改進(jìn)，根據(jù)評(píng)分將節(jié)點(diǎn)劃分為共識(shí)節(jié)點(diǎn)、候選節(jié)點(diǎn)和預(yù)備節(jié)點(diǎn)，并規(guī)定共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量固定為總節(jié)點(diǎn)數(shù)量的2 3。但當(dāng)惡意節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，共識(shí)節(jié)點(diǎn)集群數(shù)量保持不變，共識(shí)失敗的概率較高，甚至面臨連續(xù)共識(shí)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

以上方法都不能根據(jù)具體的共識(shí)場(chǎng)景自適應(yīng)地選擇和調(diào)整最佳的共識(shí)節(jié)點(diǎn)集群，針對(duì)這種現(xiàn)象，結(jié)合聯(lián)盟鏈的實(shí)際特點(diǎn)，本文提出一種基于平均穩(wěn)定度的自適應(yīng)改進(jìn)PBFT算 法（average stability byzantine fault tolerant algorithm，AS-PBFT），引入平均穩(wěn)定度的概念，依據(jù)平均穩(wěn)定度控制參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化PBFT 算法，以此來降低共識(shí)時(shí)延和通信復(fù)雜度，并且能夠一定程度地反映系統(tǒng)的共識(shí)情況，及時(shí)調(diào)整共識(shí)節(jié)點(diǎn)所占的比例，針對(duì)不同的惡意節(jié)點(diǎn)情況，選擇最佳的共識(shí)節(jié)點(diǎn)集群方案，避免連續(xù)共識(shí)失敗等安全性問題。

2 AS-PBFT算法

2.1 AS-PBFT算法概述

聯(lián)盟鏈?zhǔn)怯啥鄠€(gè)組織或機(jī)構(gòu)參與的區(qū)塊鏈，通常情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有與之對(duì)應(yīng)的實(shí)際機(jī)構(gòu)或組織，故在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生作惡行為的概率是不同的，會(huì)有一部分穩(wěn)定性強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)，也會(huì)存在相對(duì)穩(wěn)定性較差的節(jié)點(diǎn)。基于這種實(shí)際情況，本文提出了一種改進(jìn)方案，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 AS-PBFT算法整體結(jié)構(gòu)

基于聯(lián)盟鏈的實(shí)際特點(diǎn)，本文提出的算法主要分為基于歷史表現(xiàn)評(píng)估機(jī)制、自適應(yīng)共識(shí)比例控制機(jī)制和優(yōu)化的一致性交互協(xié)議三部分。首先對(duì)所有節(jié)點(diǎn)增設(shè)穩(wěn)定系數(shù)，共識(shí)開始后，由主節(jié)點(diǎn)按照基于歷史表現(xiàn)的穩(wěn)定性評(píng)估機(jī)制，計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的穩(wěn)定系數(shù)，此系數(shù)可以反應(yīng)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性。此后，本文引入整體穩(wěn)定度的概念，通過自適應(yīng)共識(shí)比例控制模塊，計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)的整體穩(wěn)定度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，調(diào)整共識(shí)比例。共識(shí)集群確定以后，采用優(yōu)化的一致性協(xié)議進(jìn)行共識(shí)節(jié)點(diǎn)之間的信息交互，確定共識(shí)結(jié)果，標(biāo)記作惡節(jié)點(diǎn)，完成共識(shí)。在存在惡意節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，通過上述機(jī)制，便可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中惡意節(jié)點(diǎn)的實(shí)際情況，進(jìn)行評(píng)估優(yōu)化，提高共識(shí)效率。

2.2 基于歷史表現(xiàn)評(píng)估機(jī)制

為了解決PBFT 算法無法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估的問題，提出了基于歷史表現(xiàn)的穩(wěn)定性評(píng)估機(jī)制。首先為所有節(jié)點(diǎn)增設(shè)穩(wěn)定系數(shù)，在系統(tǒng)開始共識(shí)前，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定系數(shù)初始化為50，并規(guī)定其下限為0，上限為100。增設(shè)共識(shí)狀態(tài)表，此表格記錄系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)近三次共識(shí)的狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)共識(shí)狀態(tài)包括穩(wěn)定、出錯(cuò)和沒有參加共識(shí)三種，分別用0、1、2 表示，每一輪共識(shí)結(jié)束后，都將更新該表以及時(shí)反應(yīng)節(jié)點(diǎn)的最新狀態(tài)，對(duì)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定系數(shù)的調(diào)整如表1所示。

表1 穩(wěn)定系數(shù)調(diào)整

系統(tǒng)根據(jù)共識(shí)狀態(tài)表來判斷每個(gè)節(jié)點(diǎn)的歷史狀態(tài)，并將前三輪按照2∶1∶1 的比例進(jìn)行權(quán)值分配，按照穩(wěn)定系數(shù)的調(diào)整規(guī)則，計(jì)算對(duì)應(yīng)三次的系數(shù)調(diào)整結(jié)果并進(jìn)行累加，成為節(jié)點(diǎn)新的系數(shù)調(diào)整值。通過這種穩(wěn)定系數(shù)調(diào)整機(jī)制，可以反映出節(jié)點(diǎn)的歷史狀態(tài)，從而對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定系數(shù)做出綜合評(píng)估，削弱隨機(jī)性帶來的影響，更容易區(qū)分出惡化概率較高的節(jié)點(diǎn)，提升算法的穩(wěn)定性和安全性。并且給沒有參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緩慢的加分，保證共識(shí)節(jié)點(diǎn)集群的動(dòng)態(tài)性。

2.3 自適應(yīng)共識(shí)比例控制

針對(duì)PBFT 算法隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，共識(shí)時(shí)延上升明顯的問題，提出自適應(yīng)共識(shí)比例控制機(jī)制，動(dòng)態(tài)調(diào)整參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)所占的比例?；谠u(píng)估機(jī)制中設(shè)置的穩(wěn)定系數(shù)，本文引入平均穩(wěn)定度的概念，即網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的平均穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算方法如公式（1）所示，其中，A為第輪共識(shí)的平均穩(wěn)定度，S代表節(jié)點(diǎn)第輪的穩(wěn)定系數(shù)，ΔS代表節(jié)點(diǎn)第輪穩(wěn)定系數(shù)的調(diào)整，代表總節(jié)點(diǎn)數(shù)。

由公式（1）計(jì)算每輪共識(shí)的平均穩(wěn)定度，并且規(guī)定50 ≤A≤100，基于得到的當(dāng)前整體的平均穩(wěn)定度，采用公式（2）計(jì)算下一輪參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，其中為計(jì)算所得的共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

根據(jù)公式（2）可以得出，當(dāng)平均穩(wěn)定度為初始狀態(tài)的50 時(shí)，全部節(jié)點(diǎn)都將參與共識(shí)，平均穩(wěn)定度到達(dá)上限100時(shí)，計(jì)算得到的共識(shí)節(jié)點(diǎn)所占比例為2 3，并且按照規(guī)定，數(shù)量下限應(yīng)該大于總節(jié)點(diǎn)數(shù)量的2 3，從而通過判斷進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。由此可以得出結(jié)論，在網(wǎng)絡(luò)中作惡節(jié)點(diǎn)較少，或者沒有作惡節(jié)點(diǎn)時(shí)，共識(shí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目經(jīng)過幾輪調(diào)整以后，將會(huì)趨于總節(jié)點(diǎn)的2 3，并且在確定共識(shí)節(jié)點(diǎn)之前，先會(huì)將節(jié)點(diǎn)按照穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行降序排列，從而使得選取的節(jié)點(diǎn)都是穩(wěn)定系數(shù)高的。

在本文提出的優(yōu)化方案中，由于減少了共識(shí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，故在惡意節(jié)點(diǎn)較多的情況下存在共識(shí)失敗的可能性，控制機(jī)制在面對(duì)共識(shí)失敗的情況下，會(huì)將所有節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定系數(shù)減20，則平均穩(wěn)定度A下降20，進(jìn)而通過公式（2）計(jì)算得到的下一輪共識(shí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量就會(huì)增加，對(duì)共識(shí)失敗的消息進(jìn)行重新共識(shí)，降低共識(shí)失敗的概率。此后，再通過評(píng)估機(jī)制進(jìn)行慢恢復(fù)，避免連續(xù)失敗的情況發(fā)生。

通過本文提出的共識(shí)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制，能夠保證絕大多數(shù)情況下，參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)是穩(wěn)定性強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)，穩(wěn)定性較差的節(jié)點(diǎn)則會(huì)逐漸剔除出共識(shí)集群。因此，在惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的情況下，共識(shí)失敗的概率很低，共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量趨于總節(jié)點(diǎn)數(shù)量的2 3，而在惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多的情況下，也能自適應(yīng)地對(duì)共識(shí)節(jié)點(diǎn)集群進(jìn)行控制，避免連續(xù)共識(shí)失敗。因此，本文中的共識(shí)比例控制機(jī)制可以針對(duì)不同情況進(jìn)行自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，以得到最優(yōu)的共識(shí)節(jié)點(diǎn)群，提高共識(shí)效率。

2.4 優(yōu)化一致性協(xié)議

2.4.1 優(yōu)化視圖切換策略

對(duì)于傳統(tǒng)的PBFT 算法的一致性交互協(xié)議，在進(jìn)行視圖切換時(shí)是按照公式（3）進(jìn)行新的主節(jié)點(diǎn)選擇的。

其中代表新選擇的主節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，代表上一次主節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，為總的節(jié)點(diǎn)數(shù)量?？梢钥闯?，傳統(tǒng)的一致性協(xié)議的視圖切換是一種輪流當(dāng)選的方式，對(duì)于存在惡意節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)中，這種選舉方式是極其隨意的，并且也會(huì)面臨著多個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)連續(xù)當(dāng)選為新的主節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)這個(gè)問題，結(jié)合本算法提出的基于歷史表現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)評(píng)估機(jī)制，對(duì)一致性協(xié)議的視圖切換策略進(jìn)行改進(jìn)，在共識(shí)過程中需要進(jìn)行視圖切換的時(shí)候，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定系數(shù)作為主要參考指標(biāo)，將節(jié)點(diǎn)的歷史表現(xiàn)考慮進(jìn)來，按照穩(wěn)定系數(shù)降序的順序，進(jìn)行新的主節(jié)點(diǎn)的選擇。利用這種視圖切換策略，可以有效地降低惡意節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為主節(jié)點(diǎn)的概率，減少視圖切換的頻率與次數(shù)，進(jìn)一步提高算法的共識(shí)效率。

2.4.2 惡意節(jié)點(diǎn)篩選策略

為維護(hù)系統(tǒng)的共識(shí)狀態(tài)表，向評(píng)估機(jī)制提供穩(wěn)定系數(shù)調(diào)整的參考依據(jù)，故在改進(jìn)后的一致性交互協(xié)議中，對(duì)有惡意行為的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選和記錄。

（1）本文為每個(gè)節(jié)點(diǎn)增設(shè)共識(shí)集群表，記錄當(dāng)前共識(shí)過程中，參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)的編號(hào)集合。該表在每輪共識(shí)開始之前，由主節(jié)點(diǎn)根據(jù)基于歷史表現(xiàn)的評(píng)估機(jī)制和共識(shí)比例控制機(jī)制進(jìn)行更新和調(diào)整，主節(jié)點(diǎn)在Pre-prepare 階段將該表添加至Pre-prepare 消息中，分發(fā)給每個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)共識(shí)集群表確定后續(xù)的消息廣播和接收的節(jié)點(diǎn)范圍。

（2）在全廣播消息交互階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要收到2+1 條一致消息才能認(rèn)為投票通過，進(jìn)而在投票過程中，記錄收到的不一致消息的來源節(jié)點(diǎn)編號(hào)，在回復(fù)階段，將該消息一起發(fā)送給共識(shí)信息的請(qǐng)求端。

（3）共識(shí)請(qǐng)求端節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證共識(shí)成功以后，將收到的惡意節(jié)點(diǎn)集合進(jìn)行取并集處理，得到本輪篩選出的惡意節(jié)點(diǎn)集合，將其發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，由主節(jié)點(diǎn)根據(jù)該集合對(duì)所有節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本文基于Java 語言構(gòu)建一個(gè)多節(jié)點(diǎn)區(qū)塊鏈系統(tǒng)，分別對(duì)PBFT 算法和本文提出的AS-PBFT算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，記錄分析AS-PBFT 算法在共識(shí)過程中的變化情況，從共識(shí)時(shí)延和通信量方面與PBFT 算法進(jìn)行比較，并且對(duì)本算法的自適應(yīng)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 AS-PBFT算法共識(shí)過程分析

本文提出了基于平均穩(wěn)定度來控制共識(shí)節(jié)點(diǎn)比例的優(yōu)化思想，為貼近聯(lián)盟鏈中節(jié)點(diǎn)的實(shí)際場(chǎng)景，設(shè)定系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)作惡的概率不同，選擇1 3 的節(jié)點(diǎn)設(shè)置其作惡概率為80%，再取1 3的節(jié)點(diǎn)規(guī)定其作惡概率為50%，另外的節(jié)點(diǎn)作惡概率為10%，并且每一輪惡意節(jié)點(diǎn)的總數(shù)不變。因此，在惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的情況下，共識(shí)失敗的概率很低。選定總節(jié)點(diǎn)數(shù)為16，作惡節(jié)點(diǎn)數(shù)為4，其前十次共識(shí)過程中，系統(tǒng)的平均穩(wěn)定度和共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化如圖2所示。

圖2 平均穩(wěn)定度和共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化

根據(jù)圖2可知，第一輪平均穩(wěn)定度為初始值50，所有節(jié)點(diǎn)都參與共識(shí)，隨著共識(shí)過程的進(jìn)行，基于歷史表現(xiàn)的評(píng)估機(jī)制對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行評(píng)估，平均穩(wěn)定度逐步上升，進(jìn)而參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量呈下降趨勢(shì)，最終數(shù)量穩(wěn)定在11 個(gè)節(jié)點(diǎn)。另外，惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同，對(duì)平均穩(wěn)定度增長(zhǎng)速率會(huì)產(chǎn)生影響，如圖3 所示，在惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的情況下，其數(shù)量越少，平均穩(wěn)定度上升越快，共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到下限的時(shí)間就越短。

圖3 不同數(shù)量作惡節(jié)點(diǎn)下平均穩(wěn)定度變化情況

3.2 共識(shí)時(shí)延

共識(shí)時(shí)延為算法開始進(jìn)行一輪共識(shí)到共識(shí)結(jié)束所消耗的時(shí)間，反應(yīng)了共識(shí)算法的效率。本文分別對(duì)PBFT算法和AS-PBFT算法的共識(shí)時(shí)延進(jìn)行評(píng)估，在惡意節(jié)點(diǎn)為(- 1) 3 的情況下，對(duì)不同節(jié)點(diǎn)數(shù)分別進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，計(jì)算其進(jìn)行十輪共識(shí)以后單次共識(shí)消耗時(shí)間的平均值，對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。隨著共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，兩種算法的共識(shí)時(shí)延都呈上升趨勢(shì)，但相較于PBFT 算法，本算法參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量趨于總節(jié)點(diǎn)數(shù)量的2 3，并且發(fā)生視圖切換的概率小很多，因此，在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量的情況下，共識(shí)時(shí)延均明顯減小。

圖4 PBFT和AS-PBFT算法共識(shí)時(shí)延對(duì)比

3.3 通信開銷

通信開銷是指完成單次共識(shí)所需要通信的次數(shù)，分別對(duì)PBFT和AS-PBFT算法，在惡意節(jié)點(diǎn)為(- 1) 3 的情況下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)比較，計(jì)算其第十輪共識(shí)以后的單次通信量的平均值。兩種算法的通信開銷如圖5所示。

圖5 PBFT和AS-PBFT算法通信開銷對(duì)比

本文對(duì)視圖切換時(shí)主節(jié)點(diǎn)的選擇策略做了優(yōu)化，將視圖切換的概率大大降低，減少了因視圖切換造成的通信開銷。并且，根據(jù)共識(shí)比例控制機(jī)制，減少了參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，故其單次共識(shí)的通信量明顯降低。

3.4 自適應(yīng)分析

本文提出的AS-PBFT 算法，能夠根據(jù)作惡節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和共識(shí)情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，故設(shè)置兩組不同作惡節(jié)點(diǎn)數(shù)量的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）將系統(tǒng)中的惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置為0，模擬沒有節(jié)點(diǎn)作惡的情況，與常見改進(jìn)方法中所采用的分?jǐn)?shù)選擇機(jī)制來選擇共識(shí)節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比，記錄其平均共識(shí)時(shí)延。在沒有節(jié)點(diǎn)作惡的情況下，最終所有節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定系數(shù)都將達(dá)到上限100，若采用分?jǐn)?shù)選擇機(jī)制選擇節(jié)點(diǎn)，全部節(jié)點(diǎn)都將符合要求參與共識(shí)，與傳統(tǒng)的PBFT 算法類似，AS-PBFT 算法會(huì)根據(jù)公式（2），將共識(shí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量維持在總節(jié)點(diǎn)數(shù)量的2 3 左右。如圖6 所示，本文提出的基于平均穩(wěn)定度選擇機(jī)制的共識(shí)時(shí)延更低，更加適用于沒有作惡節(jié)點(diǎn)的情況。

圖6 分?jǐn)?shù)選擇機(jī)制和平均穩(wěn)定度選擇機(jī)制共識(shí)時(shí)延對(duì)比

（2）設(shè)置系統(tǒng)中惡意節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為(- 1) 3，因減少了參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，故當(dāng)惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，便有可能產(chǎn)生接收到的一致性投票數(shù)量達(dá)不到2f+1 的情況，從而導(dǎo)致無法成功完成共識(shí)，此時(shí)就需要重新對(duì)該信息進(jìn)行操作。在這種情況下，將基于平均穩(wěn)定度選擇機(jī)制和常用的改進(jìn)方案中采用的固定前2 3 比例節(jié)點(diǎn)作為共識(shí)節(jié)點(diǎn)的機(jī)制進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其分別進(jìn)行100 輪共識(shí)， 并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，求得失敗次數(shù)的平均值，如圖7 所示。因ASPBFT 算法采用基于平均穩(wěn)定度的控制機(jī)制，逐步降低其共識(shí)節(jié)點(diǎn)比例，并且一旦出現(xiàn)共識(shí)失敗的現(xiàn)象，會(huì)立刻降低系統(tǒng)的平均穩(wěn)定度，增加共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，以降低失敗概率，故其失敗次數(shù)明顯小于采用固定前2 3節(jié)點(diǎn)作為共識(shí)節(jié)點(diǎn)的方式，并且避免了連續(xù)共識(shí)失敗的可能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。因此AS-PBFT 共識(shí)算法具有更強(qiáng)的自適應(yīng)性。

圖7 固定比例機(jī)制和平均穩(wěn)定度機(jī)制共識(shí)失敗次數(shù)對(duì)比

4 結(jié)語

本文提出AS-PBFT 共識(shí)算法，采用根據(jù)系統(tǒng)整體穩(wěn)定度來動(dòng)態(tài)調(diào)整共識(shí)節(jié)點(diǎn)比例的思想，來增強(qiáng)共識(shí)過程的動(dòng)態(tài)性和自適應(yīng)性，并且依據(jù)基于歷史表現(xiàn)的評(píng)估機(jī)制和優(yōu)化的一致性協(xié)議來解決PBFT 算法存在的諸多問題，提高共識(shí)效率、降低通信開銷的同時(shí)，也能根據(jù)惡意節(jié)點(diǎn)的實(shí)際情況動(dòng)態(tài)選擇最優(yōu)的共識(shí)節(jié)點(diǎn)集群。

AS-PBFT 算法提出基于平均穩(wěn)定度控制的思想，具有一定的自適應(yīng)性，但在惡意節(jié)點(diǎn)較多的情況下，其共識(shí)效率仍有待提高，在后續(xù)工作中，將針對(duì)該情況進(jìn)行優(yōu)化，在保證共識(shí)失敗率的情況下，進(jìn)一步提升共識(shí)效率。