Cross-chain Interaction Model In a Fully Verified Way
有不同类型的区块链，已应用于各个领域。区块链是相对独立的系统，容易形成孤立的数据岛。然后提出跨链交互来连接不同的区块链。然而，目前的跨链方法并不能保持原有区块链的安全性。它们要么依赖于不太安全的第三方系统，要么依赖于不太安全的方法。这使得跨链交互不如原始区块链安全（安全降级问题），或者即使配对的区块链不存在也可以进行跨链交互（区块链不可见问题）。在本文中，我们首先提出了一个系统交互模型，并使用它来分析可能的安全问题。基于该模型得出的结论，我们提出了一种跨链方法，通过配对区块链的共识算法（CIFuV方法）验证配对区块链的数据。通过这种方法，跨链交互可以与配对区块链中的安全性相同。最后，我们评估了系统交互过程中的安全问题，以及在公共区块链上使用CIFuV模型的可能性。
2021-06-10 cs.CR cs.DC
A Survey of Distributed Consensus Protocols for Blockchain Networks
自比特币诞生以来，加密货币和底层区块链技术吸引了学术界和工业界越来越多的兴趣。在各种核心组件中，共识协议是区块链安全性和性能背后的定义技术。从Nakamoto共识协议的增量修改到创新的替代共识机制，已经提出了许多共识协议来提高区块链网络本身的性能或适应其他特定的应用需求。在这项调查中，我们对最先进的区块链共识协议进行了全面的审查和分析。为了便于讨论我们的分析，我们首先介绍了经典的容错理论中的关键定义和相关结果，这有助于为进一步的讨论奠定基础。我们确定了区块链共识协议的五个核心组成部分，即区块提议、区块验证、信息传播、区块终结和激励机制。然后仔细审查各种区块链共识协议，并进行算法抽象和漏洞分析。调查的共识协议进行了分析，使用五个组件的框架和比较不同的性能指标。这些分析和比较为我们提供了新的见解，在不同的建议，其适用的应用场景，关键假设，预期的容错，可扩展性，缺点和权衡方面的根本差异。我们相信这项调查将为区块链开发人员和研究人员提供关于最先进共识协议的全面视图，并促进设计未来协议的过程。
2020-01-29 cs.CR cs.DC
How Does Blockchain Security Dictate Blockchain Implementation?
区块链协议具有各种安全保证。例如，受BFT启发的协议（如Algorand）在部分同步设置中往往是安全的，而像比特币这样的最长链协议通常需要更强的同步性才能安全。与分片等可扩展性解决方案直接相关的另一个基本区别是，单个不受信任的用户是否能够指向 * 证书 *，这提供了块确认的无可争议的证据。Algorand产生这样的证书，而比特币没有。这些属性是偶然的吗？或者它们是协议设计范式的固有后果？我们在本文中的目的是从根本上了解什么决定了非许可区块链协议的安全性。使用（Lewis-Pye和Roughgarden，2021）中开发的框架，我们证明了一般结果，表明这些问题与用户选择过程的属性直接相关，即，用于选择具有更新状态任务的用户的方法（例如工作量证明或权益证明）。例如，我们的研究结果足以证明，证书的产生对于工作量证明协议是不可能的，但是对于标准形式的权益证明协议是自动的。作为我们工作的副产品，我们还定义了一些安全概念，并确定它们之间的等价性和不等价性。
2021-11-05 cs.CR cs.DC
Blockchain BFT Protocol for Complete Asynchronous Networks
以太坊研究团队为以太坊2.0提出了一系列Casper区块链共识协议。在文献中已经表明，用于以太坊2.0的信标网络的Casper Friendly Finality Gadget（Casper FFG）无法在部分同步网络（如互联网环境）中实现活性属性。Casper区块链共识协议（CBC Casper）的“构造正确”系列已被提议作为以太坊2.0区块链未来版本的最终小工具。遗憾的是，CBC Casper既没有构造性的终结性规则，也没有令人满意的活性性质，并且通常认为CBC Casper不能在异步网络中实现活性性质。本文提出了第一个概率CBC Casper协议，该协议在完全异步网络中实现了对（n-1）/3拜占庭参与者的活性性质。
2020-12-09 cs.CR cs.DC
A $p/2$ Adversary Power Resistant Blockchain Sharding Approach
Blockchain Sharding是一种区块链性能增强方法。通过将区块链拆分为多个并行运行的委员会（分片），它有助于提高交易吞吐量，减少所需的计算资源，并提高参与者的奖励期望。最近，已经提出了几种可以容忍高达$n/2$拜占庭节点（$n/2$安全级别）的灵活分片方法。然而，这些方法具有三个主要缺点。首先，在非分片区块链中，节点可以具有不同的权重（权力或股权）来创建共识，因此对手需要控制总权重的一半才能操纵系统（$p/2$安全级别）。在区块链分片中，所有节点都具有相同的权重。因此，只有在诚实的参与者创建尽可能多的节点的假设下，$n/2$安全级别区块链分片才能达到$p/2$安全级别。其次，当一些节点离开系统时，其他节点需要频繁地从一个分片到另一个分片重新分配，以保持安全级别。这对系统性能有不利影响。第三，虽然一些$n/2$方法可以保持与多达$n/2$拜占庭节点的数据完整性，但是它们的系统可以在较少数量的拜占庭节点时停止。本文提出了一种$p/2$安全级别的区块链分片方法，该方法不需要诚实的参与者创建多个节点，当一些节点离开系统时，需要较少的节点重新分配，并且可以防止系统停止。我们的实验表明，我们的新方法在安全性、交易吞吐量和灵活性方面优于现有的区块链分片方法。
2023-02-03 cs.CR cs.DC
Towards Efficient Integration of Blockchain for IoT Security: The Case Study of IoT Remote Access
蓬勃发展的物联网（IoT）市场引起了网络攻击者的极大兴趣。集中式基于云的物联网服务架构在安全性、可用性和可扩展性方面存在严重限制，并且容易受到单点故障（SPOF）的影响。最近，在区块链上提供物联网服务已经成为一种趋势，以提高安全性、隐私性和可靠性。然而，区块链的高成本，低吞吐量和长延迟的缺点使其不适合物联网应用。在本文中，我们回顾了现有的基于区块链的物联网解决方案，并提出了一个有效的区块链和物联网集成框架。根据该框架，我们设计了一种新型的区块链辅助的分散式物联网远程访问系统RS-IoT，该系统具有在不依赖任何可信第三方的情况下保护物联网设备免受零日攻击的优点。通过引入由智能合约执行的激励和惩罚措施，我们的工作实现了“经济方法”，以挫败大多数旨在获得金钱收益的攻击者。我们的工作提供了一个例子，说明如何使用区块链来确保去中心化环境中服务交易的公平性，并客观地惩罚不当行为。我们通过详细的安全分析来展示RS-IoT的安全性。最后，我们通过以太坊测试网区块链上的概念验证实现来展示其可扩展性，效率和可用性。
2019-11-30 cs.CR cs.DC cs.NI
Web3.0 Security: Privacy Enhancing and Anonym Auditing in Blockchain-based Structures
针对区块链驱动的Web 3.0数据安全与隐私问题，本文提出融合隐私增强技术和Tor匿名审计的运行时安全协议与框架，并通过与现有方法评估比较验证其价值。
2023-07-24 cs.CR cs.DC
Towards Stronger Blockchains: Security Against Front-Running Attacks
针对拜占庭模型下恶意串通导致的 front-running 攻击破坏应用语义的问题，提出保留因果性的全序关系方案，使区块链比传统基于共识的区块链更强大，在拜占庭环境下提供增强的安全性。
2023-11-17 cs.CR cs.DC
Assessing Security and Performances of Consensus algorithms for Permissioned Blockchains
区块链是一种新技术，由于其分散性，不变性和数据完整性的特性，在工业和研究部门引起了很大的兴趣。最初，底层共识机制是通过工作量证明（即需要高计算能力的数学挑战）为无信任网络模型上的无许可区块链设计的。这种解决方案的性能较差，因此替代共识算法的权益证明已经提出。相反，对于参与者是已知和认证的许可区块链，已经采用了分布式共识算法的变体。然而，由于缺乏一个既定的知识，大多数的安全分析和信任假设没有正式的表达出来。因此，对这些算法缺乏足够的分析，阻碍了对它们在现实世界中的有效性进行任何谨慎的评估，在现实世界中，系统部署在不可信的网络上，即Internet ...
2018-05-09 cs.CR cs.DC
Towards Secure Decentralized Applications and Consensus Protocols in Blockchains (on Selfish Mining, Undercutting Attacks, DAG-Based Blockchains, E-Voting, Cryptocurrency Wallets, Secure-Logging, and CBDC)
本文研究了区块链和去中心化应用的安全性问题，提出安全参考架构、共识安全、钱包安全、e-投票协议及安全日志记录改进方案，提升区块链系统的整体安全性。
2025-12-15 cs.CR cs.DC cs.GT
Prichain II: CloudGuardian Cloud Security Proposal with Blockchain
针对云安全威胁激增问题，提出将以太坊区块链与PostgreSQL云数据库集成，实现双向数据同步与严格访问控制，测试表明该方案有效提升了云环境的数据安全性与防攻击能力。
2024-07-29 cs.CR cs.DC
Towards a Blockchain-Based CI/CD Framework to Enhance Security in Cloud Environments
针对云平台 CI/CD 流水线面临的网络入侵风险，本文提出利用区块链分布式账本与防篡改特性的安全框架，并结合威胁建模、编码规范和自动化测试检测公开漏洞。
2025-10-17 cs.CR cs.DC
A Knowledge-Based Analysis of the Blockchain Protocol
比特币的核心是区块链协议，这是一种在记录比特币交易的公共账本上达成共识的协议。在某种程度上，区块链协议用于合同签署和公开某些交易（如房屋销售）等应用程序，我们需要了解协议在代理知识方面为我们提供了什么保证。在这里，我们提供了一个完整的表征代理的知识时，运行一个区块链协议，使用一个变体的常识，考虑到代理可以进入和离开系统的事实，它是不知道哪些代理实际上是遵循协议（一些代理可能想要偏离，如果他们可以通过这样做获得），以及事实上，由区块链协议提供的保证是概率。然后，我们考虑一些涉及合同的情况下，这种程度的知识足以为某些情况下，但不是其他人。
2017-07-27 cs.CR cs.DC cs.LO
Blockchain enabled fog structure to provide data security in IoT applications
物联网通过将智能设备连接到互联网，并利用所述设备生成的数据来为个人和企业提供增值服务。在这种情况下，如果数据被暴露、篡改或丢失，服务将无法正常运行。在本文中，我们从五个方面讨论物联网应用中的数据安全性：机密性、完整性、真实性、不可否认性和可用性。我们讨论了如何使用分布式账本技术来克服这些问题，并建议使用雾计算架构作为分散的计算支持来部署账本。
2019-01-15 cs.CR cs.DC
ElectAnon: A Blockchain-Based, Anonymous, Robust and Scalable Ranked-Choice Voting Protocol
近年来，远程投票变得越来越重要，尤其是在新冠肺炎疫情爆发之后。区块链技术及其去中心化、安全性和透明度等好处鼓励远程投票系统使用区块链。对现有解决方案的分析表明，匿名性、鲁棒性和可扩展性是基于区块链的选举系统中的常见问题。在这项工作中，我们提出了ElectAnon，一个基于区块链的排名选择选举协议，专注于匿名性，鲁棒性和可扩展性。ElectAnon通过使选民能够匿名地通过零知识证明投票来实现匿名性。鲁棒性是通过使用定时状态机消除当局在投票过程中的直接控制来实现的。结果表明，ElectAnon在现有工程中具有可扩展性，因为与以前的工程相比，它将天然气消耗量减少了89%。建议的协议包括一个候选人的建议系统和可交换理货库。扩展也提出了最小化的信任假设的选举当局。我们的代码可以在https://github.com/ceyonur/electanon上找到。
2022-11-08 cs.CR cs.DC
PRAGTHOS:Practical Game Theoretically Secure Proof-of-Work Blockchain
本文分析了PoW区块链现有安全模型假设的缺陷，揭示了多种新型攻击方式，并提出了更实用的安全分析框架pRPD及可抵御上述攻击的PoW区块链构建框架PRAGTHOS。
2023-02-13 cs.CR cs.DC cs.GT
Asymptotic Performance Analysis of Blockchain Protocols
鉴于区块链技术最近的名声，出现了许多旨在提高实际可行性的建议和项目。然而，正式评估其特殊性和益处已证明是一项困难的任务。这项工作的目的是比较这些协议的根本差异，以了解它们如何导致不同的实际性能。为了实现这一目标，我们在Total Order Broadcast协议的视角下，对为区块链系统提出的各种著名分布式算法进行了复杂性分析。我们采样的协议设计用于非常不同的设置，并使用广泛的技术，从而提供了一个很好的概述国家的最先进的技术的成就。通过分析延迟和网络使用情况，我们能够以一致的方式讨论每个协议的特征和属性。我们的工作的一个必然结果是一个更强大的标准来分类协议许可或许可。
2019-06-11 cs.CR cs.DC
BlockEmulator: An Emulator Enabling to Test Blockchain Sharding Protocols
School of Software Engineering, Sun Yat-Sen University（中山大学软件学院）；Cyberspace Institute of Advanced Technology, Guangzhou University (Huangpu)（广州大学（黄埔）先进技术网络空间研究院）
针对缺乏区块链分片系统协议测试平台的问题，研发了轻量级仿真平台BlockEmulator，支持通过分层模块低代码实现新协议，经验证结果准确且可测多类指标，已在GitHub开源。
2026-09-17 cs.CR cs.DC
Blockchain-based Collaborated Federated Learning for Improved Security, Privacy and Reliability
联邦学习（FL）通过允许在边缘设备上进行模型训练而无需将数据从边缘发送到集中式服务器来提供隐私保护。FL发布了ML的实现。FL的另一种非常适合物联网（IoT）的变体被称为协作联邦学习（CFL），它不需要边缘设备直接链接到模型聚合器。相反，这些设备可以通过其他设备连接到中央模型聚合器，将它们用作中继。虽然FL和CFL保护了边缘设备的隐私，但对执行模型聚合的集中式服务器提出了安全挑战。集中式服务器容易发生故障、后门攻击、模型损坏、对抗攻击和外部攻击。此外，在FL和CFL中不需要边缘设备到集中式服务器的数据交换，但是模型参数从模型聚合器（全局模型）发送到边缘设备（本地模型），这仍然容易受到网络攻击。这些安全和隐私问题可以通过区块链技术来解决。区块链是一种去中心化和基于共识的链，设备可以共享共识账本，提高可靠性和安全性，从而大大减少对信息交换的网络攻击。在这项工作中，我们将研究基于区块链的模型参数和边缘设备之间以及从集中式服务器到边缘设备的相关信息的分散交换的有效性。此外，我们还将对基于区块链的CFL模型进行可行性分析，用于不同的应用场景，如车辆互联网和物联网。该研究旨在通过使用区块链驱动的CFL来提高安全性，可靠性和隐私保护。
2022-01-21 cs.CR cs.DC
A Multi-Party, Multi-Blockchain Atomic Swap Protocol with Universal Adaptor Secret
针对传统多方跨链原子交换易受恶意退出攻击、依赖链上操作的问题，提出基于类Schnorr签名与通用适配器密钥的全链下协议，无需智能合约与可信第三方，可抵御合谋与退出攻击，提升交换的安全性、效率与可扩展性。
2024-06-24 cs.CR cs.DC
The Latency Price of Threshold Cryptosystem in Blockchains
本文研究区块链中阈值密码系统的延迟开销，提出消除紧阈值开销的机制，并证明斜坡阈值下额外延迟不可避免，进而设计乐观最小化方案，在Aptos主网实现并降低71%延迟开销。
2025-05-22 cs.CR cs.DC
Proof of Luck: an Efficient Blockchain Consensus Protocol
在本文中，我们提出了多个区块链共识原语和一个新的区块链系统的设计，所有这些都基于使用可信执行环境（TEE），例如支持Intel SGX的CPU。首先，我们展示了如何使用TEE为现有的工作量证明方案可以通过防止使用ASIC来公平地分配挖掘。接下来，我们使用时间证明和所有权证明共识原语扩展设计，以提高挖掘的能源和时间效率。进一步改进这些设计，我们提出了一个使用运气证明共识协议的区块链。我们的运气证明区块链使用TEE平台的随机数生成来选择共识领导者，它提供低延迟的交易验证，确定性的确认时间，可忽略的能耗和公平分布的挖掘。最后，我们讨论了一个潜在的保护高达一个恒定数量的妥协的TEE。
2017-03-16 cs.CR cs.DC
Bottlenecks in Blockchain Consensus Protocols
大多数区块链许可系统采用拜占庭容错（BFT）共识协议，以确保诚实的验证者同意将条目添加到其分类账的顺序。在本文中，我们研究的性能和可扩展性突出的共识协议，即PBFT，Tendermint，HotStuff和Streamlet，无论是通过负载公式分析和实际上通过实施和评估。在相同的条件下，我们确定了这些共识协议的瓶颈，并表明这些协议不扩展以及验证器的数量增加。我们的调查指出通信复杂性是罪魁祸首。即使有足够的网络带宽，消息的串行化和非串行化的CPU成本也会限制吞吐量并增加协议的延迟。为了缓解瓶颈，最有用的技术包括降低通信复杂性，轮换通信热点，以及跨共识实例的流水线。
2021-10-12 cs.CR cs.DC
SightSteeple: Agreeing to Disagree with Functional Blockchain Consensus
经典和当代的分布式共识协议，可能是二进制协议、状态机复制或区块链共识，要求对等系统中的所有协议参与者就作为共识有效载荷的一部分的完全相同的信息达成一致。虽然这种共识模型被广泛研究，并且对于大多数基于共识的去中心化应用程序都很有用，但它没有定义正确的分布式系统，这些系统通过共识协议本身来授权基于参与者凭证的特权可见性。我们引入了一种新的分布式共识范式，称为功能性区块链共识。功能性区块链共识允许每个区块链协议参与者根据区块链系统中参与者的凭证就交易列表的一些不同子信息达成一致，而不是就整个交易列表达成一致。我们激励两个对手模型，一个是标准的崩溃故障对手，另一个是新的合理故障对手，以损害功能性区块链共识。然后，我们提出了两个版本的区块链协议SightSteeple，该协议在所述故障模型中实现了功能性区块链共识。SightSteeple依赖于标准区块链共识和功能加密的新颖组合，以及其他原语，以实现其正确性目标。最后，我们讨论了基于功能性区块链共识的非对称分布式账本的实际用途，并激励了这种新共识范式可能产生的分支结构。
2022-05-02 cs.CR cs.DC
PUFchain: Hardware-Assisted Blockchain for Sustainable Simultaneous Device and Data Security in the Internet of Everything (IoE)
本文介绍了有史以来第一个可以同时处理设备和数据安全的区块链，这对于新兴的万物互联（IoE）非常重要。本文提出了一个独特的区块链概念，它集成了称为物理不可克隆功能（PUF）的硬件安全原语，以解决可扩展性，延迟和能源需求挑战，称为PUF链。数据管理以及数据、设备和个人的安全（和隐私）是万物互联架构中需要解决的一些问题。将区块链集成到万物互联环境中可以帮助解决这些问题，并在数据存储和安全性方面提供帮助。本文介绍了一种名为PUF链的新区块链架构，并介绍了一种名为“支持PUF的身份验证证明”（PoP）的新共识算法，用于在PUF链中部署。所提出的PoP是PUF集成到我们先前提出的认证证明（PoAh）共识算法中，并且可以被称为“硬件辅助认证证明（HA-PoAh）"。然而，PUF集成在现有的和新的共识算法中是可能的。PoP利用PUF，PUF负责生成无法克隆的唯一密钥，因此提供最高级别的安全性。PUF使用在集成电路制造期间引入的纳米电子制造变化来生成密钥。因此，一旦从PUF模块生成，密钥就不能从任何其他模块克隆或生成。PUF链使用PUF和散列模块来执行必要的加密功能。因此，挖掘过程被卸载到硬件模块，这减少了处理时间。PoP比公认的工作量证明（PoW）快1,000倍，比身份验证证明（PoAh）快5倍。
2019-09-14 cs.CR cs.DC
PlexiChain: A Secure Blockchain-based Flexibility Aggregator Framework
构建环境中的灵活资源被视为交付网格管理服务的低成本机会。因此，集中式聚合器模型，其中聚合器用于捆绑灵活资源的需求灵活性，并将其交付给灵活性市场中的分布式/传输系统运营商（DSO/TSO）等灵活性客户。然而，聚合器角色引入了各种安全和信任挑战。在这项工作中，我们提出了一个基于区块链的灵活性交易框架，称为PlexiChain，以解决聚合器在集中式聚合器模型中带来的安全和信任挑战。使用真实世界数据集进行的安全评估表明，PlexiChain对已知的安全攻击（如MadIoT和虚假数据注入攻击）具有强大的鲁棒性。此外，性能评估表明，在资源受限的环境中，PlexiChain的计算和通信成本低于其他基于区块链的应用程序。
2022-12-18 cs.CR cs.DC
Blockchain for Large Language Model Security and Safety: A Holistic Survey
Lehigh University（利哈伊大学）；University of Idaho（爱达荷大学）；Boise State University（博伊西州立大学）
本综述全面评估了如何利用区块链技术增强大型语言模型的安全与保障，提出了BC4LLMs分类法系统梳理相关工作，并明确了该交叉领域的潜在研究方向与挑战。
2024-11-17 cs.AI cs.CR cs.DC
Validated Strong Consensus Protocol for Asynchronous Vote-based Blockchains
本文提出一种validated strong BFT共识模型及异步协议，解决异步投票区块链的可扩展性问题，在不依赖阈值签名下实现线性视图更改，使其具备与部分同步区块链同等的简洁性与效率。
2024-12-24 cs.CR cs.DC
A Generic Sharding Scheme for Blockchain Protocols
本文介绍了一个通过分片扩展区块链协议的形式化通用框架。该框架是模块化的，可以根据不同的需求或假设集进行调整。我们证明了通过遵循我们的方案（具有正确的模块）获得的分片协议与非分片协议具有相同的安全性和活性保证。证明是通用的，依赖于某些组件的明确定义的规范。这为通过遵循所提出的方案获得的分片协议的正确性的简单证明奠定了基础。该框架并没有留下作为一个模糊的规范，一些高层次的结构，明确的使用证明了它的碎片Algorand。作为这种具体构造的一部分，引入了将节点分配给分片的防篡改机制。该机制采用可验证的随机函数构造，能够安全地抵御强大的自适应攻击。
2019-09-03 cs.CR cs.DC
Meta-Key: A Secure Data-Sharing Protocol under Blockchain-Based Decentralised Storage Architecture
在这封信中，我们提出了元密钥，这是一种数据共享机制，使用户能够在基于区块链的分散存储架构下共享他们的加密数据。所有数据加密密钥都由所有者的公钥加密，并放在区块链上，以实现安全可靠的存储和轻松的密钥管理。加密数据存储在专用存储节点中，并使用代理重新加密机制来确保在不受信任的环境中安全的数据共享。对模型的安全性分析表明，由于元密钥的特殊结构，系统采用的代理重加密方式自然不会受到合谋攻击。
2020-05-24 cs.CR cs.DC
Solida: A Blockchain Protocol Based on Reconfigurable Byzantine Consensus
去中心化的加密货币比特币取得了巨大的成功，但也遇到了许多挑战。挑战之一是确认时间过长。另一个挑战是在协议的某些步骤缺乏激励，引起了对交易扣留，自私挖掘等的担忧。为了解决这些挑战，我们提出了Solida，一种基于可重构拜占庭共识的去中心化区块链协议，通过工作量证明增强。Solida在确认时间方面改进了比特币，并提供了安全性和活性，假设对手控制的总采矿能力不到（大约）三分之一。
2017-11-18 cs.CR cs.DC cs.GT
Distributed Nonblocking Commit Protocols for Many-Party Cross-Blockchain Transactions
跨多个区块链的互操作性将在未来基于区块链的数据管理范式中发挥关键作用。现有的技术要么只适用于两个区块链，要么需要一个集中式组件来管理跨区块链交易的执行，这两种技术都不符合可扩展性要求。本文提出了一种新的分布式提交协议，即\textit{cross-blockchain transaction}（CBT），用于在没有任何集中组件的情况下跨任意数量的区块链进行交易。CBT的核心思想是通过心跳机制扩展两阶段提交协议，以确保CBT的活性，而无需引入额外的节点或区块链。我们已经实现了CBT，并将其与最先进的协议进行了比较，证明了CBT的低开销（两个区块链之间的开销为3.6%，在32个或更多区块链中小于$1\%$）和高可扩展性（最多64个区块链交易的线性可扩展性）。此外，我们还为用户开发了一个图形用户界面，以虚拟地监控跨区块链交易的状态。
2020-01-05 cs.DB cs.DC
Blockchain Consensus Protocols in the Wild
区块链是一种用于记录交易的分布式账本，由许多节点通过分布式加密协议在没有中央权威的情况下维护。所有节点都验证要添加到区块链的信息，共识协议确保节点同意添加条目的唯一顺序。容忍拜占庭故障的共识协议已经重新受到关注，因为它们也解决了区块链系统。这项工作讨论了评估和获得信心的共识协议暴露于故障和敌对节点的弹性的过程。我们提倡遵循密码学和计算机安全的既定做法，依赖于公众评论，详细的模型和正式的证明;几个实际系统的设计者似乎没有意识到这一点。此外，我们回顾了一些著名的许可区块链平台中的共识协议，以及它们的故障模型和对攻击的弹性。协议比较涵盖Hyperledger Fabric、Tendermint、Symbiont、R3~Corda、Iroha、Kadena、Chain、Quorum、MultiChain、Sawtooth Lake、Ripple、Stellar和IOTA。
2017-07-07 cs.DC
On Analysis of the Bitcoin and Prism Backbone Protocols
比特币是中本聪在2008年提出的一种点对点支付系统。比特币主干协议的属性已经被深入研究：区块链增长属性量化了在任何时间间隔内添加到区块链的区块数量;区块链质量属性确保诚实的矿工总是贡献至少一定比例的区块链;公共前缀属性确保如果区块足够深，它最终将被所有诚实的矿工以高概率采用。遵循区块链的各种功能解耦的精神，提出了Prism协议，以显着提高吞吐量，同时保持相同的安全级别。之前对比特币和Prism主干协议的分析假设区块链的寿命是有限的。本文提出了一种简化和加强分析，没有有限水平假设。具体而言，结果包括区块链增长属性，区块链质量属性和比特币主干协议的公共前缀属性，以及Prism主干协议的活跃性和持久性，无论区块链是否具有无限寿命。我们还以显式表达式而不是顺序最优结果来表达比特币和Prism骨干协议的属性，这为公共交易账本协议设计提供了更严格的边界和实际参考。
2019-10-20 cs.CR cs.DC cs.IT
Justifying the Dependability and Security of Business-Critical Blockchain-based Applications
在行业中，区块链越来越多地被用作产品和流程可追溯性的支柱。基于区块链的可追溯性参与证明产品和/或流程符合现有的安全标准或质量标准。从这个角度来看，构建在区块链之上的服务和应用程序是业务关键型应用程序，因为系统的故意故障或损坏可能导致相关产品或流程的重要声誉损失。基于区块链的业务关键型应用程序的开发必须谨慎进行，需要对其可靠性和安全性进行彻底的论证。为此，本文鼓励工程的角度植根于良好理解的工具和概念借用工程的安全关键系统。具体来说，我们使用一个名为CAE（Claim，Argument，Evidence）的论证框架，遵循基于保证案例的方法，以提供令人信服的论据，证明基于区块链的关键业务应用程序是可靠和安全的。通过基于区块链HYPERLEDGER FABRIC的案例研究概述了这种方法的应用。
2021-12-09 cs.CR cs.DC cs.MA
Delayed Blockchain Protocols
鉴于博弈论和共识之间的相似之处，以激励兼容优先的心态智能地设计区块链或DAG协议是有意义的。为此，我们提出了一种基于延迟奖励的新区块链或DAG协议增强。我们设计了一种新的方法来对矿工的行为施加削减条件，使用他们的延迟奖励作为工作量证明系统中的股份。使用欺诈证据，我们可以减少恶意矿工行为，并奖励长期诚实的行为。
2018-04-18 cs.DC cs.GT
Performance Analysis and Application of Mobile Blockchain
随着移动商务的蓬勃发展，移动安全变得越来越重要。然而，移动商务的发展也面临着数据安全问题的挑战。最近，区块链已经被引入作为一种有效的安全解决方案，在实践中成功地部署在许多应用中，例如比特币、云计算和物联网。然而，区块链技术尚未在移动商务中被广泛采用和实施，因为其挖掘过程通常需要在标准计算单元上执行，例如，电脑因此，在本文中，我们介绍了一种新的移动商务应用程序，使用区块链技术，即区块链，以确保移动商务中的交易。特别是，在区块链应用程序中，使用我们提出的Android核心模块，可以在移动设备上有效地执行挖掘过程。通过实际实验，我们评估了所提出的模型的性能，并表明区块链将是未来移动商务的有效安全解决方案。
2017-12-11 cs.CR cs.CY cs.DC
Biometric Blockchain: A Better Solution for the Security and Trust of Food Logistics
Northumbria University（诺森比亚大学）；Lancaster University（兰卡斯特大学）
区块链已经成为一种很有前途的技术，它可能在未来几年完全改变数据安全的格局，特别是对于物联网和云服务器上的数据访问。然而，区块链本身虽然受到其协议的保护，但并不能识别谁拥有数据，谁使用数据。除了简单地将数据加密成密钥之外，在本文中，我们提出了一种名为生物识别区块链（BBC）的协议，该协议明确地将个人的生物识别线索明确地识别基于区块链的系统中的创建者和用户，特别是在最近广泛报道的错误标签食品导致乘客在航班上死亡的事件之后，为了满足日益增长的食品物流安全需求。在食品物流中使用BBC的优势是显而易见的：它不仅可以识别数据或标签是否真实，还可以清楚地记录谁对安全数据或标签负责。因此，这种基于BBC的解决方案可以极大地缓解控制食品物流风险的难度，例如假冒食品或错误的梯度标签。
2019-09-11 cs.CR cs.CV cs.DC
Understanding and managing blockchain protocol risks
本文针对区块链协议风险这一影响DLT的基础性风险，提出一个与金融机构等合作开发的全面风险管理框架，提供结构化识别、衡量、监控和报告方法，并通过实际用例证明其实用性，为金融机构采用DLT提供见解。
2023-10-16 cs.DC q-fin.RM
Hydra: A Multiple Blockchain Protocol for Improving Transaction Throughput
提高交易吞吐量是去中心化支付系统面临的主要挑战之一。提高加密货币交易吞吐量的尝试通常是吞吐量和安全性之间的权衡，或者引入一个中心组件。我们提出了Hydra，一个分散的协议，提高了交易吞吐量，没有安全权衡，没有中央组件。我们的新方法将区块分布在多个区块链上。Hydra在交易吞吐量和最终性之间进行权衡，最终性是稳定区块链中交易记录所需的时间。我们严格分析了多区块链协议中的双重花费攻击。我们的分析表明，每秒的事务数可以显着增加，而最终性是在可接受的范围内。
2019-10-15 cs.DC
AI-enabled Blockchain: An Outlier-aware Consensus Protocol for Blockchain-based IoT Networks
University of Central Florida（中佛罗里达大学）
提出了一种使用机器学习在基于区块链的物联网网络中实现安全和鲁棒共识的新框架。Hyperledger fabric是作为Hyperledger项目的一部分开发的区块链平台，虽然看起来非常适合物联网应用程序，但在不可信的环境中对恶意活动的容忍度相对较低。为此，我们提出了具有两步共识协议的AI启用区块链（AIBC），该协议使用离群值检测算法在超级账本结构平台上实现的物联网网络中达成共识。异常感知共识协议利用监督机器学习算法，该算法在第一步中通过学习的检测器检测异常活动。然后，数据通过超级账本结构中固有的实用拜占庭容错（PBFT）共识协议进行账本更新。我们衡量和报告我们的框架在各种延迟组件方面的表现。结果表明，我们实现的AIBC网络（两步共识协议）通过略微降低延迟性能，提高了超级账本结构在容错方面的性能。
2019-08-09 cs.DC cs.LG cs.NI
Formalizing Cost Fairness for Two-Party Exchange Protocols using Game Theory and Applications to Blockchain (Extended Version)
现有的公平交换协议在评估其公平性时往往忽略了对代价的考虑。然而，在交易成本不可忽略的环境中，例如，公共区块链，高或意外的交易成本可能是在商业应用中广泛采用公平交换协议的障碍。例如，截至2021年12月17日，以太坊区块链上FairSwap协议的初始化需要卖方支付约100美元的费用。349.20 USD每次兑换。我们解决这个问题，通过定义成本公平性，它可以用来评估两方交易协议，包括隐含的交易成本。我们表明，在一个环境中，不可忽略的交易成本，其中一方必须初始化的交换协议，另一方可以离开交换在任何时候成本公平不能实现。
2022-03-15 cs.DC
Evaluating Permissioned Blockchain Using Stochastic Modeling and Chaos Engineering
区块链和分布式账本技术依赖于分布式共识算法。近年来，人们提出了许多共识算法和协议，其中大多数是针对许可区块链网络的。然而，这些算法的性能并没有得到很好的理解。本文介绍了一种在存在拜占庭和其他网络故障的敌对网络环境中评估共识算法和区块链平台的方法。该方法首先使用随机建模来模拟共识算法在不同的典型和错误的操作场景下的行为。接下来，我们使用不同的共识协议实现了一个区块链应用程序，并使用混沌工程技术测试了它们的性能。为了展示我们的通用评估方法，我们分析了四个许可的区块链平台及其共识协议的性能。我们的研究结果表明，随机建模是一种廉价和有效的技术分析共识协议。但它们并不代表共识协议在生产环境中的实际性能。此外，混沌工程的实验表明，如果两个不同的区块链平台使用相同的区块链算法或协议，我们不应该假设它们将具有相似的性能。因此，考虑平台架构的作用以及如何在给定平台中设计协议也是至关重要的。
2023-01-14 cs.DC
IBFT 2.0: A Safe and Live Variation of the IBFT Blockchain Consensus Protocol for Eventually Synchronous Networks
在这项工作中，我们提出了IBFT 2.0（伊斯坦布尔BFT 2.0），这是一个权威证明（PoA）拜占庭容错（BFT）区块链共识协议，它（i）确保立即终结，（ii）在最终同步网络模型中是健壮的，（iii）具有动态验证器集。顾名思义，IBFT 2.0建立在IBFT区块链共识协议的基础上，保留了所有原始功能，同时解决了我们之前的一项工作中描述的安全性和活跃度限制。在本文中，我们提出了一个高层次的描述IBFT 2.0协议和相关的鲁棒性证明。协议的正式规范和相关的正式证明将是一个单独的工作主体的主题。我们还设想了一个单独的工作，将提供详细的实施规范IBFT 2.0。
2019-09-23 cs.DC
Blockchain Cohomology
我们遵循现有的分布式系统框架，采用代数拓扑的方法来正式定义区块链技术的原语。我们定义了区块链协议之间和内部的跨链流动性，分片和概率空间的概念。我们将最近的进展，在合成同源性表明，这种拓扑框架可以在一个类型系统内实现。我们使用递归方案来定义内核承认光滑流形跨协议复合体，导致正式定义的庞加莱协议。
2018-05-18 cs.DC
AlphaBlock: An Evaluation Framework for Blockchain Consensus Protocols
共识协议在平衡区块链系统的安全性和效率方面发挥着关键作用。在本文中，我们提出了一个区块链共识协议的评估框架，称为AlphaBlock。在这个框架中，我们比较了拜占庭容错（BFT）共识和中本共识（NC）的整体性能。BFT共识是通过多轮来自绝对多数的法定人数投票达成的，而NC是通过附加块的隐式投票积累可信度来达成的。AlphaBlock结合了Hotstu BFT（HBFT）和权威证明（PoA）的关键概念，作为BFT和NC的案例研究。使用这个框架，我们将HBFT和PoA的吞吐量和延迟与实际网络和区块链配置进行了比较。我们的研究结果表明，在大多数情况下，由于HBFT中没有分叉，HBFT的性能优于PoA。此外，我们还发现了一组AlphaBlock的最优配置，为提高区块链共识算法的性能提供了参考。
2020-07-27 cs.DC
SP-Chain: Boosting Intra-Shard and Cross-Shard Security and Performance in Blockchain Sharding
针对现有区块链分片协议安全不足或性能牺牲大的问题，提出SP-Chain分片系统，通过两阶段并发投票、无偏领导者轮换和证明辅助跨分片机制提升双维度安全与性能，4000节点恶意环境下达万级TPS和7.6秒确认延迟。
2025-07-30 cs.DC
Protecting the Decentralized Future: An Exploration of Common Blockchain Attacks and their Countermeasures
本研究全面分析常见区块链攻击及其对策，评估不同解决方案的有效性，并强调根据具体应用需求定制防御措施，为区块链安全研究提供重要参考。
2023-06-20 cs.CR cs.CY cs.DB
ALDER: Unlocking blockchain performance by multiplexing consensus protocols
今天的大多数在线服务（例如，社交网络、搜索引擎、市场）是集中的，这由于各种原因（例如，中央管理、审查制度、失去对个人数据的控制）。区块链技术通过在线服务的去中心化承诺了一场新的Web革命（Web 3.0）。然而，这场革命在全球范围内发生的关键限制之一是当今区块链的表现不佳。我们在本文中提出了ALDER，这是一种通过复用共识协议来解锁现成的基于领导者的区块链性能的解决方案。我们的解决方案利用多个潜在领导者的存在来缓解存在于不同级别的共识协议中的瓶颈。为了说明它给区块链性能带来的好处，我们将ALDER应用于三个代表性的区块链，即Algorand（权益证明），RapidChain（基于分片）和Bitcoin（工作证明）。我们的评估涉及部署在100台物理机器上的多达10，000个节点，表明使用ALDER可以在吞吐量和延迟减少方面提供高达300%的改进。
2022-02-07 cs.DC
Permissioned Blockchain Through the Looking Glass: Architectural and Implementation Lessons Learned
自比特币诞生以来，分布式系统社区就对设计高效的区块链系统表现出了兴趣。然而，最初的区块链应用程序（如比特币）的吞吐量非常低，这促进了许可区块链系统的设计。这些许可的区块链系统采用经典的拜占庭容错（BFT）协议来达成共识。然而，现有的许可区块链系统仍然达到低吞吐量（大约10 K txns/s）。其结果是，现有的作品归咎于相关的BFT协议，并在开发优化的协议消耗资源的低吞吐量。我们认为，这种指责只是片面的。具体来说，我们提出了一个简单的问题：一个精心设计的系统，基于一个经典的BFT协议优于现代协议？我们表明，设计这样一个精心制作的系统是可能的，并说明，即使这样的系统采用三阶段协议，它可以优于另一个系统利用单阶段协议。这项工作要求我们剖析一个许可的区块链系统，并强调影响其性能的不同因素。基于我们的见解，我们提出了我们的企业级，高吞吐量的许可区块链系统ResilientDB的设计，该系统采用多线程深度管道，以平衡副本的任务，并为未来的设计提供指导。
2020-04-27 cs.DB cs.DC
Satellite Broadcasting Enabled Blockchain Protocol: A Preliminary Study
低吞吐量一直是大规模区块链应用的最大障碍。在过去的几年中，研究人员提出了各种方案来提高系统的吞吐量。然而，由于互联网固有的低效率和缺陷，特别是在数据广播任务中，这些努力都不能令人满意。在本文中，我们提出了一种新的区块链协议，该协议利用卫星广播网络而不是传统的互联网进行数据广播和共识任务。提出了一种自动恢复机制来解决卫星广播特有的通信问题。仿真结果表明，该算法具有较低的通信开销，能够大大提高区块链系统的吞吐量。支持卫星广播的区块链系统的吞吐量的理论估计为6，000，000 TPS，卫星带宽为20 Gbps。
2020-04-30 cs.DC cs.NI
Pruning Blockchain Protocols for Efficient Access Control in IoT Systems
针对物联网系统集中式访问控制的缺陷及现有区块链访问控制方案性能不足的问题，提出含快捷机制与R&D-BAC方法的PBAC协议，可有效降低访问时间、提升访问控制效率。
2024-07-12 cs.DC
FairLedger: A Fair Blockchain Protocol for Financial Institutions
金融机构目前正在研究许可区块链的技术。这方面的一个主要努力是Hyperledger，这是一个由Linux基金会主办的开源项目，得到了100多家公司的支持。许可区块链协议中的一个关键组件是一个拜占庭容错（BFT）共识引擎，它对交易进行排序。然而，目前可用的BFT解决方案在超级账本（以及在文献中）是不够的金融环境;他们不是为了确保公平或容忍自私的行为时，金融机构努力最大化自己的利润。我们提出了FairLedger，一个许可的区块链BFT协议，它是公平的，旨在处理理性行为，同样重要的是，易于理解和实现。我们协议的秘密武器是一种新的通信抽象，称为可检测的所有对所有（DA 2A），它允许我们检测偏离协议的参与者（拜占庭或理性），并惩罚他们。我们在Hyperledger开源项目中使用Iroha框架实现了FairLedger，这是其中最大的项目之一。为了评估FairLegder的性能，我们还实现了PBFT框架，并比较了两个协议。我们的研究结果表明，在无故障的情况下，FairLedger实现更好的吞吐量比Iroha的实现和PBFT在广域设置。
2019-06-10 cs.DC
OHIE: Blockchain Scaling Made Simple
最近提出了许多区块链共识协议，以利用可用带宽来扩展区块链的吞吐量。然而，这些协议正变得越来越复杂，使得越来越难以证明其安全保证。我们提出了一种新的无权限区块链协议OHIE，其明确旨在简化。OHIE根据需要组成了比特币原始（和简单）骨干协议的许多并行实例，以实现出色的吞吐量。我们正式证明了OHIE的安全性和活性性质。我们展示了其性能的原型实现和大规模的实验，多达50,000个节点。在我们的实验中，OHIE实现了可用带宽的线性扩展，提供了约4-10 Mbps的事务吞吐量（在8-20 Mbps的每个节点可用带宽配置下）和至少约20倍的去中心化。
2019-05-08 cs.DC
