本文是一篇计算机论文，本文分析了国内外对PBFT共识算法的研究现状，总结出PBFT共识算法存在的不足之处，主要体现在两点：主节点选择问题和通信复杂度问题。
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
随着互联网的发展，人们开始意识到传统的中心化网络架构意味着所有网络资源和权力都由中心化机构掌握和管理，这使得网络用户在数据隐私、数据泄露、信息不对称等问题上产生怀疑。随着区块链技术的出现，人们开始追求更为去中心化和民主化的网络应用，去中心化可以实现更为公平、自由的网络生态环境，所有的参与者都能够平等地参与到网络中，不受中心化机构的限制。
区块链技术起源于2008年中本聪发布的比特币白皮书[1]，随着比特币的快速发展，区块链技术得到了广泛的关注，被认为是继大型机、个人电脑、互联网、移动社交网络之后的第五次颠覆式创新。区块链技术是多种技术的集合体，包括密码学、点对点网络、分布式存储、一致性算法等，具有去中心化、防篡改、可追溯、可编程等鲜明的技术特色。区块链技术不需要中心化的机构来管理数据，由网络上的所有节点共同管理和维护数据，能够使得数据更加安全、透明。同时，区块链技术使用密码学技术保证了数据的安全性，使其上链的数据无法篡改。随着数字化时代的到来，传统的数据存储和管理方式往往存在数据泄露、篡改和不可信的问题，为数字经济的发展带来了风险和阻碍，区块链技术的去中心化、分布式和加密特性，为数据安全和信任问题提供了新的解决方案，将成为数字化时代发展的重要推力。在社交网络中，区块链技术可以提供更为安全和去中心化的社交网络模式；在金融领域，区块链技术可以实现去中心化的支付和价值传输，其中虚拟货币的发展就离不开区块链技术的助力[2-4]；在医疗保健领域，区块链可以提供更为安全的去中心化健康数据存储方式。区块链技术的应用前景广泛[5-12]，目前已在智慧交通、智慧医疗、智慧教育等领域[13, 14]得到广泛应用。
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1.2 国内外研究现状
区块链技术进入人们的视野后，对区块链底层技术的研究呈现出快速增长的态势，其中联盟链共识算法更是成为了研究热点，本节对联盟链共识算法的现状进行梳理，同时对共识算法性能评估的研究现状进行概述。
1.2.1 联盟链共识算法研究现状
实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT)由Castro和Liskov提出[18]，用于解决原拜占庭容错算法效率不高的问题，将算法复杂度从指数级降低至多项式级，提高了共识效率。但随着时代的发展，PBFT算法的性能仍不足以应对现实环境，针对这一问题，研究者们提出了较多优化算法。文献[19]提出一种基于Raft集群的改进拜占庭共识算法，通过对节点分组，组内采用Raft机制进行共识，由Raft共识机制选举出领导者，领导者间采用PBFT机制进行共识，保证了共识效率。文献[20]通过建立信誉模型，选信誉最高的节点为主节点，加入pre-commit阶段来减少节点间通信次数，提高了系统性能。文献[21]提出了一种基于时间权重值来选择合适节点参与共识过程，其中时间权重值最大的节点作为主节点，缩小了共识节点规模，提高了共识效率。文献[22]提出了一种随机选择算法(Random Selection, RS)，先使用投票的方式选出候选节点，再从候选节点中用RS算法随机选择出固定数量的节点参与共识过程，加速系统达成共识。文献[23]中把共识节点分为主节点、二级节点和三级节点，同时划分主网层和次网层，通过Raft选举领导者的方式选出主节点，通过分层的方式把共识规模缩小提高共识效率。文献[24]提出一种特征分组模型将共识节点分成多组，缩小共识规模，同时加入信用机制，信誉值最高的作为主节点，优化了共识效率。
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第二章 主流共识算法
2.1 共识算法基础
为了能够更好地说明共识算法，在阐述具体某个共识算法之前，本节先介绍共识算法的一些基础知识，包括网络通讯模型、故障模型、FLP(Fisher, Lynch, Patterson)定理[39]、CAP(Consistency, Availability, Partition-tolerance)定理[40]和拜占庭将军问题[41]。
2.1.1 网络通讯模型(时序模型)
区块链系统是典型的分布式系统，共识算法与一致性算法通常被认为是近似等价，分布式系统中将网络通讯模型分为三类[42]：同步网络模型(Synchronous Model)、异步网络模型(Asynchronous Model)和弱同步网络模型或称为部分同步模型(Partially Synchronous Model)。
(1)同步网络模型
同步网络模型中，进程的执行时间有明确的上界和下界，网络的延迟有上限，每一条消息都会在明确的时间内被对方接收到，进程的本地时钟和实际时间的漂移率也在已知范围内。同步网络模型可以通过超时机制很好地判断出非拜占庭故障，因此对于分布式系统的设计有着很大的简化作用。
(2)异步网络模型
异步网络模型与同步网络模型相反，进程的执行时间没有限制，网络的延迟也没有上限，消息可能在任意长的时间后被接收，时钟漂移率也是任意的。异步网络模型更接近现实中的互联网系统，但是却对分布式系统的设计增大了难度，目前大多数共识算法都没有采用异步网络模型的假设。
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2.2 主流共识算法介绍
本节介绍Paxos、Raft、PBFT和HotStuff四个主流的共识算法，将其共识过程做一个简要说明。
2.2.1 Paxos共识算法
Paxos算法由Lamport[36]等提出，Paxos算法是分布式共识算法中的经典算法，具有重要地位，被认为是解决非拜占庭系统的分布式一致性的最有效算法之一。Paxos算法对网络环境的假设为异步模型，即信息可能延迟、丢失、乱序或重复，通信时间或长或短，没有限制。
Paxos算法将共识节点分为3种角色，即提议者(Proposer)、接受者(Acceptor)和学习者(Learner)，提议者负责发提案，接受者负责接受提案，学习者负责执行选定的提案。同一个共识节点可以同时担任多个角色。
Paxos算法中对上述3种角色如何选定没有作说明，着重于共识流程。Paxos算法一共分为两个阶段，共识流程如图2.1所示。
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第三章 基于完美二叉树通信拓扑的拜占庭容错共识算法 ................ 15
3.1 PBFT算法存在的不足 ..................... 15
3.1.1 主节点选择问题 .................................... 15
3.1.2 通信复杂度问题 ................................ 16
第四章 CBlock Bench 框架的设计与实测 ........................ 32
4.1 性能评估框架设计思路............................ 32
4.2 性能评估的关键指标 ...................................... 33
第五章 总结与展望 ............................ 47
5.1 全文工作总结 ...................................... 47
5.2 未来展望 .................................... 47
第四章 CBlockBench框架的设计与实测
4.1 性能评估框架设计思路
目前共识算法性能评测缺少统一的平台，为了实现对共识算法进行统一标准地性能测试，公平地分析不同共识算法的性能，设计了CBlockBench性能评估框架，其设计思路如下：
(1)针对性能评估指标不统一的问题，将对共识算法中的已存在的评价指标进行筛选，量化最关键的性能指标，统一性能评估的标准。
(2)针对性能评估平台不统一的问题，将搭建统一的性能评估框架对共识算法进行性能评测，并实现在不同负载条件下评测共识算法的性能。
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第五章 总结与展望
5.1 全文工作总结
区块链技术目前还处于发展初期，制约区块链发展的关键因素就是共识效率不够高，在实际应用中，面对大量的请求操作无法快速响应。为了提高区块链的共识效率，必须对共识算法进行优化改进，提高共识算法的性能。同时，目前共识算法的性能研究缺乏统一的测试平台和标准，设计共识算法的性能评估框架能够帮助研究者对目前已有共识算法进行对比分析，为设计新的共识算法提供经验。 本论文主要完成以下几个方面的工作：
(1)在PBFT共识算法方面，本文分析了国内外对PBFT共识算法的研究现状，总结出PBFT共识算法存在的不足之处，主要体现在两点：主节点选择问题和通信复杂度问题。针对主节点选择问题存在的不足，本文提出了改进方案，通过将信誉评估模型和可验证随机函数相结合，设计了基于信誉的可验证随机函数R-VRF，使得主节点的选择既有了门槛限制，又有了随机性，还保证了不同信誉值节点的抽签公平性，增强了主节点选择的安全性。针对通信复杂度问题的不足，本文将PBFT中的网络通信拓扑从网状拓扑结构改进为完美二叉树通信拓扑结构，将通信复杂度从O(????2)降低至O(????)，同时，在共识流程上，提出主节点轮换机制和流水线工作机制以提高共识效率。通过实验验证，本文提出的改进方案有着高吞吐量、低延迟的性能优势。
(2)在共识算法性能评估方面，本文分析了国内外对共识算法性能评估的研究现状，发现了目前缺少针对联盟链中主流共识算法的统一标准统一平台的测试环境。本文提出了共识算法性能评估的关键指标，并对其进行量化工作；随后提出了性能评估框架并实现，支持自定义负载的测试条件，框架的设计采用了松耦合的结构，便于扩展新的共识算法；最后对联盟链中主流的共识算法进行了理论和实测分析，总结了导致各算法性能瓶颈的原因，为后续研究者们设计新的共识算法提供经验。
参考文献（略）