本文是一篇计算机论文研究，本文通过统计区块链中的各节点各沙普利值实现社会利益的合理、公正分配,进而改变了区块链体系中节点的社会分层现状。并且在大节点不断增加的情况下，避免其垄断收益的情况出现。因此，该方案对小结点的收益提供了保障。对新加入的小结点而言，其获得收益的机率也会有所提升。
1绪论
1.1研究背景与意义
区块链的发展主要划分为三个时期：
2009-2012年，处于酝酿时期。二零零九年一月,由于比特币的出现,区块链科技也开始应用在了互联网金融交易等应用领域,同时全球的货币体系也进行了变革创新,在几年时间里,以比特币为主要代表,各类电子虚拟货币屡见不鲜。
2013-2015年，处于萌芽时期。区块链科技在该阶段已成为了热门科。金融经济组织服务机构等也开始注重于区块链技术开发,而大数据分析研究和开发的焦点也聚焦于支付征信等金融产业范围
]2016-2022年，进入发展时期。区块链科技的应用前景在该时期内也受到了世界范围内的充分重视,各国也逐步以各国宏观视角谋划区块链的发展未来:在二零一六年初期,欧洲理事会把采用密码学的数字货币技术列为第一快速发展定位项目,以促进各组织机构对数位钱币与政府管理策略的分析研发;在当年六月,美国国家安全部补贴了六家专注于政府部门区块链研发和使用的专业企业,从而更方便地让其研究对政府部门区块链政策和数据的研究与分析[2]。
共识性计算是整个区块链的核心问题,对区块链的许多应用领域都有着非常重要的影响意义,是区块链整体实力增强的重要基石。实用性拜占庭容错算法与传统的拜占庭共识算法相比，存在着本质的飞跃，它提高了传统拜占庭共识算法在区块链应用中的效率,并真正实现了拜占庭共识方法能够在区块链系统中很好的使用这一目标。不过在真正的实际运用中，拜占庭方法的时间复杂度并不尽人意，无法真正契合区块链对效率的高要求。同时随著实际使用中结点的增多,计算能力也会急剧地下降。而与此同时,对于应该通过什么途径对主结点的价值进行分摊,也缺乏具体的合理办法。根据上述情况,本论文将从现有协议方式的主要技术原理和方法上,在时间复杂度和节点增多导致利益分摊不均两个问题作为切入点，从而实现本文提升算法通信效能、扩大单位时间内的数据吞吐量以及基于沙普利值计算原理对区块链内节点进行合理收益分配的目标。
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1.2国内外研究现状
1.2.1区块链研究现状
由于对虚拟电子币技术在全球范围内产生的强大响应,大批的专家学者和银行技术企业也纷纷研发并布局了区块链,目前区块链技术已被人们广泛尝试并运用到了各行各业。
目前人们已经从技术体系架构,应用市场情况,以及科技挑战等多个角度来总结了区块链的最近发展趋势,技术形式,和应用领域。Yang[3]等汇总了基于区块链的网络服务结构的特征、遇到的各种技术挑战和未来趋势;赵阔[4]等对中国区块链技术安全的研发现状进行了系统的分析，曾诗钦[5]等人对区块链分层技术的发展现状进行了深入的研究和分析，提出了区块链面临的主要技术挑战和科技发展的前景;朱立[6]等人还研发了基于高性能企业联盟区块链的优化计算,并提出了整体的系统架构以及各种技术上的实现。
目前区块链研究还处在发展时期,正不断高速的成长与发展中,但未来也会面对着许多的新问题,因此本文小节将介绍关于区块链研究遇到的诸多问题,以及当前的研究状况,归纳总结如下：
(1)提升吞吐量
吞吐量(Transaction Per Second,TPS)是衡量系统性能的核心标准。以比特币为例,在计算机网络中的最大吞吐量是指单位时间内全面处理交易的总量,在稳定的计算机网络环境中,全面处理交易总量的最高有效数据可超过每秒七笔,即7Tps。而以太坊作为当前最强的具有智能协议的公有区块链,其最高的最大吞吐量则是25Tps。
综上所述,当前区块链技术应用的吞吐量是非常低的。相比于传统类型的技术体系,区块链系统在当前还只能够处理较小规模的事件和请求,这也就大大制约了区块链系统在高频请求领域中的应用。
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2区块链相关技术
2.1区块链数据架构与结构
对于区块链的概念,在领域内还没有形成一个公认的概念,但人们普遍认为它将面临着狭义与广义二种完全不同的概念视角。首先是狭义上的概念角度界定,区块链是一个异乎普通的一种数字架构,它是通过了产业链条的形式把所有的数据区块按照时间先后的次序完成了连接组成的,而在这种过程中为保障了信息的防篡改、防被盗,采用了密码理论技术,是一个完全摆脱了中心化的分布式的公有或共享记账本。其次是广义视角的定义方法,在广义视角中区块链是一个融合了密码理论、共识机制、以及智慧合同技术的新的去中心化的研究范式,当中密码理论中的某些加密算法被用于检验和保存数据信息,而共识机制则被用于实现数据信息的创建与发布,而智慧合同技术则被用于对数据信息实现程序设计与运算。区块链是融合了各种科技的一项创新科技,它本身就是一种复杂且强大的体系结构。
区块哈希数值是一个区块的唯一标记，和区块高度一起可应用在划分不同的区块；时间戳应用在登记区块形成的时间，便利区块根据时间分布顺序展开链接；连接而产生区块链Merkle树根可应用在检测数据的准确性和系统性。通常情况下,其基础架结构都是六层,但不同的层级有着不同的功能。
(1)数据层
数据层是区块链系统的基础，数据层也是区块链结构最重要的组成部分,其主要的功用就是管理储存数据信息并确保账号和交易的安全与运行。在数据挖掘层中,通常包含着这样的一些信息即可作为进行数据挖掘层中最基础的主要内容。第一个是数据区块和链型结构,大数据区块在彼此之间使用了链型结构,并且按照时间的前后次序进行了数据链接;然后是时刻戳,时刻戳通常是为了进行共识的节点而增加的,用来代表时间,并且也同时表示了按照时间的前后排序;再次是哈希函数,哈希函数通过确保了整个大数据区块的整体性和安全;之后是Merkle树,通过Merkle树就可能整理所有的交易数据信息,并且也可能避免整个大数据块的被修改;最后一项是非对称加密,非对称加密也确保了账户的私密性。而在这其中，密钥管理又起到了至关重要的作用，在数据层，密码学技术访问也是区块链的核心。
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2.2沙普利值
沙普利值是沙普利于1953年提出的[41]，早期仅仅在付款可移动的情形下有所使用,但后来由于沙布利于1969年推广至付款不可移动的情形下,本篇仅探讨了付款可移动的沙布利值。由于沙普利概念是以多个公理为基数的,故本篇仅简要阐述了一些关于沙普利公理的一些概念：
块链管理的主要目的是经济奖赏。将节点之间的合作关系转变为一种特殊的信任模式，从而提高系统运行效率。本文提出一种基于Non-hard策略的区块链多智能体算法。鼓励结点维护管理系统和奖励；一旦结点在管理系统中获得相应货币构造区块，然后更改块中的nonce(nonce是一个难度系数值)，直到成功地获得一个nonce值，并且块的哈希值等于多个前缀零，结点就成为主节点，并将区块广播到整个区块链管理系统。该区块一旦通过了对这些结点的验证和确认,就能够顺利加入到链中,结点也就得到了报酬。
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3基于拜占庭容错机制的IMBFT算法研究...........................19
3.1 IMBFT算法设计思想.................................19
3.2 IMBFT算法流程与一致性、检查点、视图更换协议......................19
3.3 IMBFT性能优势..................................23
4融入区块链的IMBFT算法改进.................................29
4.1基于联盟博弈和沙普利值的收益分配方式.................................29
4.2基于沙普利值的共识协议改进..............................30
4.3实验分析........................................31
5总结与展望....................................35
5.1总结.................................35
5.2展望...........................35
4融入区块链的IMBFT算法改进
4.3实验分析
4.3.1实验目的
本节的目的主要是证明和检验文章中所提出的利用博弈论中沙普利值计算原理对节点利益进行分配这一方案的合理性以及公正性。
通过合理性分析的方法是利用具体的情况来加以说明，并用所得到的真实结果来证明合理性;其次,从公正性这一方面来解析由于沙普利值的计算,如何能够使整体中所有环节的收益分配更加彰显公正性。
4.3.2结果分析
(1)合理性分析
在本文所提出的改进算法IMBFT中，区块链网络中的每个节点根据其权益分配一定比例的投票权。
针对根据沙普利值修改后的共识计算,网络系统中所有节点分享并获得的利益比率都与其各自所享有的投票权有关。
(2)公平性分析
从选取节点的随机顺序来看，参与人的投票结果消息由于网络延迟等因素可能会导致其到达顺序不同，假设系统中有n各节点，则这样的顺序一共有n!种。且各种可能性是等概率的，即1/n!。
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5总结与展望
5.1总结
共识算法作为区块链专业应用的重中之重。但是在当前阶段，由于各种原因导致其出现了不同程度上的故障问题，严重制约着区块链应用技术发展进程。因此，本文针对性的利用博弈论中沙普利值计算原理对面向区块链的拜占庭共识算法进行了改进，本文的主要改进内容和技术成果有如下方面：
提出了面向区块链的拜占庭容错机制改进算法,IMBFT(Improved Byzantine FaultTolerance),在共识算法的吞吐量、通信量以及容错性等方面进行了改进。并根据统一性协定、检测地址协定和视频转换协定三方面做出了修改。在统一性协定中,将三阶段协议简化为二阶段，大大提升了共识算法的通信性能;在检测地址协定中,不再对证书进行定期的处理，而是通过区块的时间戳和高度，来保障数据消息的一致性和实时性;在视频转换协定中,通过优化主节点选择的失败视频转换过程。在各种类型的拜占庭节点状况下开展实验,在保证相同环境下，观察算法性能所受到的不同影响,从而确定是否存在着更小的交换延时。并利用对IMBFT算法和其他共识计算的比较试验,来证明本文所提出的改进算法在区块中应用中具有的优越性。
本文通过统计区块链中的各节点各沙普利值实现社会利益的合理、公正分配,进而改变了区块链体系中节点的社会分层现状。并且在大节点不断增加的情况下，避免其垄断收益的情况出现。因此，该方案对小结点的收益提供了保障。对新加入的小结点而言，其获得收益的机率也会有所提升。
参考文献（略）