SURFACE: A Practical Blockchain Consensus Algorithm for Real-World Networks
SURFACE代表安全、自适应和相对无分叉的链扩展方法，是一种共识算法，专为现实世界的网络设计，并享有Nakamoto共识和拜占庭容错（BFT）共识的好处。在SURFACE中，每一轮都会随机选出一个委员会来验证和支持提议的新区块。委员会的规模可以根据底层网络进行调整，以使区块链在通信中具有合理的开销。因此，区块链通常可以实现高吞吐量和低延迟的快速概率确认。SURFACE还提供BFT机制，以在极端网络情况下（如大网络分区或受到大规模DDoS攻击）确保账本一致性。
2020-08-14 cs.DC
A Pub-Sub Architecture to Promote Blockchain Interoperability
区块链技术的成熟导致了异构性，其中多个解决方案专门用于特定的用例。虽然不同区块链网络的发展显示了区块链的巨大潜力，但孤立的网络导致了数据和资产孤岛，限制了这项技术的应用。区块链互操作性解决方案对于使分布式账本充分发挥其潜力至关重要。这些解决方案允许区块链支持资产和数据传输，从而开发创新应用程序。本文提出了一种新的基于发布/订阅架构的许可区块链互操作性解决方案。我们实现了这个平台的原型，以显示我们的设计的可行性。我们通过实现不同发布者和订阅者网络的示例来评估我们的解决方案，例如Hyperledger Besu，这是一个以太坊客户端，以及两个不同版本的Hyperledger Fabric。我们提出了整个网络的性能分析，表明其限制和瓶颈。最后，我们讨论了平台在不同场景下的可扩展性和可伸缩性。我们的评估表明，我们的系统可以处理的吞吐量在数百个事务每秒的顺序。
2021-01-29 cs.DC
FileDAG: A Multi-Version Decentralized Storage Network Built on DAG-based Blockchain
分散存储网络（DSNs）可以从互不信任的提供商收集存储资源，形成全球分散的文件系统。与传统的存储网络相比，DSN建立在区块链之上，可以激励服务提供商并确保强大的安全性。然而，现有的DSN面临两大挑战。首先，重复数据删除只能在目录级别实现。缺少文件级重复数据消除会导致不可避免的额外存储和带宽成本。其次，当前的DSN通过存储额外的元数据来实现文件索引，而区块链分类账没有得到充分利用。为了克服这些问题，我们提出了FileDAG，这是一种基于DAG的区块链构建的DSN，用于支持存储多版本文件的文件级重复数据删除。在更新文件时，我们采用增量生成方法，只计算和存储增量，而不是整个更新的文件。此外，我们还引入了一个基于DAG的两层区块链分类账，通过该分类账，FileDAG可以直接使用区块链数据库提供灵活且节省存储的文件索引，而不会产生额外的存储开销。我们实现了FileDAG和评估其性能与广泛的实验。结果表明，考虑到存储成本和延迟，FileDAG优于最先进的工业DSN。
2022-12-18 cs.DC
COMIT - Cryptographically-secure Off-chain Multi-asset Instant Transaction Network
自2009年比特币创建以来，我们看到了对公共和私人区块链的巨大推动。为了避免碎片化，设想了一个连接所有这些区块链的全球网络。就像互联网促进通信和信息传输一样，我们提出了一个规模和范围类似的支付和交易系统：加密安全的链下多资产即时交易网络（COMIT）可以使用跨链路由协议（CRP）将任何区块链上的任何资产连接和交换到任何其他区块链。COMIT是一个超级区块链网络，允许使用链下智能合约执行即时交易。它利用跨链的支付渠道和哈希时间锁合同（HTLC）来解决双重支出攻击问题，而无需在底层区块链上进行结算。COMIT的连接由流动性提供商（LP）提供，他们在一个或多个区块链上运营，充当单个链上的支付中心和节点以及分散网络中的做市商，用于跨链资产转换。本文介绍了COMIT的工作原理，为用户、流动性提供商和企业带来的好处;以及这不仅加速了区块链技术的采用，而且还允许与传统银行系统集成。
2018-10-04 cs.DC
BeACONS: A Blockchain-enabled Authentication and Communications Network for Scalable IoV
本研究提出名为BeACONS的区块链赋能车联网认证通信网络，通过主层与车内子层的分层架构结合区块链域名服务与双向认证，减少对中心化设施依赖，提升通信安全与效率，为去中心化可信车联网提供新方案。
2024-05-14 cs.DC
Proximity Neighbor Selection in Blockchain Networks
区块链作为一种在没有集中式系统的情况下在多个节点上对注册信息进行分布式管理的技术，已经引起了人们的极大关注。然而，它们具有低事务吞吐量和长的批准时间的缺点。这些问题可以通过缩短块生成间隔来解决;然而，仅缩短此间隔就会增加分叉的频率。在这项研究中，我们的目标是缩短块生成间隔，而不增加分叉生成率，通过改善网络拓扑结构的节点和缩短传播时间。我们提出了一种邻居节点选择方法，形成一个网络拓扑结构，具有较短的块传播时间。使用区块链模拟器来演示所提出的邻居节点选择方法对网络的传播延迟的影响。这一结果表明，该方法提高了块传播时间。
2019-06-03 cs.DC
wChain: A Fast Fault-Tolerant Blockchain Protocol for Multihop Wireless Networks
本文提出了$\mathit{wChain}$，这是一种专门为多跳无线网络设计的区块链协议，它在现实的SINR模型下将无线通信特性和区块链技术深度融合。我们采用了一个分层的网络作为通信骨干，以解决介质竞争，并实现快速的数据聚合在$O(\log N\logΓ)$时隙，其中$N$是网络的大小和$Γ$是指任何两个节点之间的最大距离的比率的最小距离。此外，$\mathit{wChain}$采用数据聚合和重聚合以及节点恢复机制来确保效率、容错、持久性和活性。$\mathit{wChain}$的最坏情况运行时间的上限是$O(f\log N\logΓ)$，其中$f=\lfloor \frac{N}{2} \rfloor$是故障节点数量的上限。为了验证我们的设计，我们进行了理论分析和仿真研究，结果不仅证明了$\mathit{wChain}$的良好性能，但也指出了一个广阔的新的空间，在无线网络中的区块链协议的探索。
2021-02-02 cs.DC
Towards Improving the Performance of BFT Consensus For Future Permissioned Blockchains
许可型区块链越来越多地在企业用例中被考虑，其中许多不需要地理分布，甚至由于立法而不允许。示例包括全国范围的网络，如Alastria，或使用基于云的平台（如IBM Blockchain Platform）部署的网络。我们预计这些区块链最终将在高带宽和低延迟的现代网络环境中运行，以及服务器中的高级可编程硬件加速器。尽管人们对BFT共识算法重新产生了兴趣，提出了各种针对许可区块链的建议，但相关工作并没有针对快速网络进行优化，也没有纳入硬件加速器-我们认为这样做从长远来看会有回报。为此，我们重新实现了开创性的PBFT算法的方式，使我们能够测量不同的配置的协议。通过这一点，我们探讨了各种常见的优化策略的好处，并表明该协议不太可能饱和超过10 Gbps的网络，而不依赖于专门的基于硬件的卸载。我们讨论了在高速网络环境中降低许可区块链中共识成本的两种具体方法，即卸载到智能物联网和在独立FPGA上实现协议。
2020-07-24 cs.DC
JaxNet: Scalable Blockchain Network
今天的世界是根据价值和价值组织起来的。全球经济需要一种分散的单一全球货币。比特币是这一需求的部分解决方案，但它存在可扩展性问题，这使其无法被大规模采用。此外，比特币的通货紧缩性质促使人们囤积和投机比特币，而不是将其用于日常交易。我们提出了一种基于工作量证明的可扩展、分散的加密货币。该解决方案涉及在封闭网络中使用一种机制来奖励矿工，该机制与他们维护网络的努力成比例。该设计引入了一种新的方法来解决基于合并挖掘的区块链网络中的可扩展性问题。
2020-10-28 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
Gosig: Scalable Byzantine Consensus on Adversarial Wide Area Network for Blockchains
现有的拜占庭容错（BFT）协议在联盟区块链场景中面临重大挑战。一方面，我们可以对底层互联网的可靠性和安全性做一些假设。另一方面，联盟区块链上的应用需要一个像比特币一样可扩展的系统，但提供更高的性能以及可证明的安全性。我们提出了一个新的BFT协议，Gosig，它结合了基于密码的秘密领导人选择和多轮投票的协议层与实现层的优化，如基于流言的消息传播。特别是，Gosig即使在完全由对手控制的网络中也能保证安全性，同时通过易于实现的网络连通性假设提供可证明的活性。在一个由分布在五大洲14个城市的140台Amazon EC2服务器组成的广域测试平台上，我们发现Gosig每秒可以完成4,000多笔交易，交易确认时间不到1分钟。
2018-02-05 cs.DC
Blockchain-Enabled Dynamic Spectrum Sharing for Satellite and Terrestrial Communication Networks
针对卫星与地面网络DSS中的资源受限与区域差异问题，提出区块链赋能的PSC-DSS分片分层自治架构及频谱共识一体化机制，并通过理论、仿真与实验验证其低开销、高效率和稳定性能。
2024-08-04 cs.DC
A Consensus-Based Load-Balancing Algorithm for Sharded Blockchains
公共区块链是分散的网络，每个参与节点执行相同的决策过程。这种形式的去中心化不能很好地扩展，因为相同的数据存储在每个网络节点上，并且因为所有节点都必须在确认之前验证每个交易。一种解决方案将区块链网络的节点分解为称为“分片”的子集，每个分片并行处理和存储不相交的交易集。为了充分利用分片区块链的并行性，分片的处理负载必须均匀分布。然而，计算平衡工作负载的问题在理论上是困难的，并且在实践中进一步复杂，因为事务处理时间在被分配给分片之前是未知的。在本文中，我们介绍了一种动态工作负载平衡算法，其中根据分片最近的工作负载历史定期调整事务到分片的分配策略。我们的算法是基于共识的负载均衡算法的分片区块链的适应。它是一种完全分布式的算法，与基于网络的应用程序（如区块链）内联。根据对三个知名区块链平台的交易进行分片的模拟，报告了一些初步结果。
2022-06-29 cs.DC
Blockchain Epidemic Consensus for Large-Scale Networks
针对现有区块链共识协议在可扩展性、资源消耗等方面的缺陷，提出无固定角色的BECP流行病共识协议，实验证明其在吞吐量、延迟和消息效率上优于同类方案，适用于大规模区块链网络。
2025-08-04 cs.DC
How Much Communication Resource is Needed to Run a Wireless Blockchain Network?
区块链建立在点对点网络上，依赖于分布式节点之间的频繁通信。特别是，在区块链中发挥关键作用的共识机制（CM）对通信资源要求很高，并且在很大程度上决定了区块链的安全边界和其他关键性能指标，如交易吞吐量，延迟和可扩展性。大多数区块链系统都是在提供足够通信资源的假设下，在先进设备中运行的稳定有线通信网络中设计的。然而，可以预见的是，大多数区块链节点对等体将在未来通过无线网络连接。受高度动态的无线信道和稀缺频谱的限制，通信可以显著影响区块链的关键性能指标。因此，在本文中，我们提出了各种常用CM下的无线区块链网络（WBN），并回答了运行这样一个网络需要多少通信资源的问题。我们首先介绍了区块链程序的四个阶段中通信的作用。然后，我们讨论了三种最常用的区块链CM（即工作量证明（PoW），实用拜占庭容错（PBFT）和Raft）的通信资源提供与WBN性能之间的关系。最后，我们提供了分析和模拟结果，以显示通信资源提供对区块链性能的影响。
2021-01-24 cs.CR cs.DC
A Random Network Model for the Analysis of Blockchain Designs with Communication Delay
本文提出了一种用于区块链的随机网络模型，这是一种分布式分层数据结构，在各个行业中都有应用。该模型是两个控制区块生产和通信延迟的概率分布函数的参数，这是捕获用于同步区块链的许多分布式本地副本的机制的复杂性的关键。所提出的模型配备了模拟算法，用于区块链的有界和无界数量的分布式副本。它们用于研究快速区块链系统，即，区块链，其中区块生产的平均时间可以匹配用于区块链同步的消息广播的平均时间。特别地，该模型和算法对于理解与快速区块链相关联的效率标准是有用的，用于识别，例如，在给定网络的广播延迟的情况下，增加块产生将对分布式数据结构的稳定性产生负面影响。
2019-09-13 cs.DC cs.DS
Creating Efficient Blockchains for the Internet of Things by Coordinated Satellite-Terrestrial Networks
区块链已经成为一种很有前途的技术，可以保证分布式参与者之间的数据一致性和完整性。它已被用于物联网（IoT）的许多应用中。然而，由于物联网应用程序经常将大量设备引入区块链系统，区块链的效率成为一个严重的问题。在本文中，我们分析了影响区块链效率的关键因素。与大多数从计算角度处理此问题的现有解决方案不同，我们从通信角度考虑问题。特别是，我们提出了一个协调的卫星-地面网络来创建高效的区块链。我们还推导出所提出的架构的网络调度策略。仿真结果表明，所提出的系统可以支持更高效率的区块链。此外，一些开放的研究问题和设计挑战将进行讨论。
2020-01-06 cs.DC cs.NI
On the Ethereum Blockchain Structure: a Complex Networks Theory Perspective
在本文中，我们使用复杂网络建模框架来分析以太坊区块链。作用于区块链上的账户被表示为节点，而记录在区块链上的这些账户之间的交互被视为网络中的链接。使用这种表示法，可以获得有趣的数学特征，从而提高对区块链中发生的实际交互的理解。不仅如此，通过查看区块链的历史，还可以验证区块链演变中是否发生了根本性的变化。
2019-08-29 cs.CR cs.DC cs.NI
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
ChainSplitter: Towards Blockchain-based Industrial IoT Architecture for Supporting Hierarchical Storage
快速发展的工业物联网（IIoT）技术为构建大规模系统将众多异构设备连接到互联网提供了一个充满希望的机会。大多数现有的IIoT基础设施都是基于集中式架构，这更容易管理，但无法有效支持多方之间不可变和可验证的服务。区块链技术为大规模IIoT基础设施提供了许多所需的功能，例如去中心化、可信赖性、可跟踪性和不可变性。本文提出了一种基于区块链的IIoT架构，以支持不可变和可验证的服务。然而，当将区块链技术应用于IIoT基础设施时，所需的存储空间对资源受限的IIoT基础设施提出了挑战。为了解决存储问题，本文提出了一种分层的区块链存储结构，\textit{ChainSplitter}。特别是，所提出的架构具有分层存储结构，其中大部分区块链存储在云中，而最新的区块存储在各个IIoT网络的覆盖网络中。所提出的架构通过两个连接器（\textit{blockchain connector}和\textit{cloud connector}）将本地IIoT网络、区块链覆盖网络和云基础设施无缝绑定在一起，以构建分层区块链存储。覆盖网络中的区块链连接器从IIoT网络中生成的数据构建区块链中的区块，云连接器解决覆盖网络和云之间的区块链同步问题。我们还提供了一个案例研究，以展示在实际工业物联网案例中提出的分层区块链存储的效率。
2019-10-02 cs.CR cs.DC
Enabling Blockchain Interoperability Through Network Discovery Services
本文提出一种去中心化的区块链网络发现架构，解决网络间初始发现缺失问题，并设计激励机制与资产服务发现机制，经Substrate实现验证，可处理13万并发请求且中位响应5.5毫秒。
2025-06-19 cs.DC cs.NI
Toward Scalable Docker-Based Emulations of Blockchain Networks for Research and Development
本文提出利用Linux和Docker在单台物理机上运行大规模真实区块链软件的方法，解决大规模网络仿真中的技术问题，并通过两个涉及3000多个容器的实验验证其可扩展性与实用性。
2024-02-22 cs.DC cs.PF
We might walk together, but I run faster: Network Fairness and Scalability in Blockchains
基于区块链的分布式账本（DLs）承诺通过使其真正民主来改变现有的金融体系。在过去的十年中，区块链技术已经出现了许多新的应用，从银行业到房地产。然而，为了被普遍采用，区块链系统必须是可扩展的，以支持大量交易。随着我们增加DL系统的吞吐量，底层对等网络可能面临多个级别的挑战以跟上需求。由于网络容量不同，与速度较快的节点相比，速度较慢的节点将处于相对劣势，这可能会对其收入产生负面影响。为了量化它们的相对优势或劣势，我们引入了两种网络公平性的度量，$p_f$，领先的概率和$α_f$，发布公平性。我们发现，随着区块链规模的扩大，这两个指标都会恶化，这意味着速度较慢的节点在较高的吞吐量下面临劣势。这导致速度更快的节点获得的奖励超过了他们应得的份额，而速度较慢的节点（网络质量较慢）获得的奖励更少。因此，区块链系统的公平性和可扩展性并不齐头并进。在理性矿工的环境中，缺乏公平性会导致矿工偏离“最长链规则”或削弱，这将降低区块链对拜占庭对手的弹性。因此，公平性不仅是区块链系统的理想属性，而且对于区块链的安全性至关重要，任何可扩展的区块链协议都必须确保公平性。
2021-02-19 cs.DC cs.NI
Introducing the Unitychain Structure: A novel blockchain-like structure that enables greater parallel processing, security, and performance for networks that leverage distributed key generation and classical consensus protocols
Unitychain是一种新型的类似区块链的结构，它大大提高了交易的可扩展性和安全性，同时保持了持续的网络性能，即使参与节点需要执行新的分布式密钥生成过程以实现安全目的。此外，Unitychain结构通过将不同数据库和计算范围的不同网络节点配置分配到多个交叉的区块链链中，从而实现更大的并行处理，从而创建多螺旋结构，我们称之为Unitychain。因此，这使得网络能够进一步将节点的角色分为任意但确定性的网络责任，以最大限度地提高全局计算潜力。
2021-01-21 cs.CR cs.DC
CBlockSim: A Modular High-Performance Blockchain Simulator
区块链自2008年出现以来，引起了学术界和工业界的广泛关注。由于大规模区块链部署的不便，区块链模拟器被用来促进区块链的设计和实现。我们评估了应用于比特币和以太坊的最先进的模拟器，发现它们的性能和可扩展性较低，这是显著的局限性。为了构建一个更通用、更快速的区块链模拟器，我们扩展了现有的区块链模拟器，即BlockSim。我们添加了一个网络模块，集成了网络拓扑生成算法和块传播算法，以生成真实的区块链网络并有效地模拟块传播。我们设计了一个二进制事务池结构，并将BlockSim从Python迁移到C++，以便使用按位操作来加速模拟并减少内存使用。此外，我们基于五个主要的区块链进程对模拟器进行了模块化。重要的区块链元素，包括共识协议（PoW和PoS），信息传播算法（Gossip）和终结规则（Longest rule和GHOST rule）都在各个模块中实现，并且可以灵活组合以模拟不同类型的区块链。实验表明，新的模拟器将模拟时间减少了一个数量级，并提高了可扩展性，使我们能够模拟超过一万个节点，大致相当于比特币和以太坊网络的规模。提出了两个典型的用例来研究大多数其他模拟器所不涵盖的网络相关问题。
2022-05-30 cs.DC cs.PF
Performance Analysis of the Raft Consensus Algorithm for Private Blockchains
共识是区块链的关键问题之一。有许多文章分析了区块链威胁模型的性能。但网络稳定性似乎缺乏关注，这实际上影响了区块链的性能。本文研究了一种广泛采用的共识算法Raft在丢包率不可忽略的网络中的性能。特别是，我们提出了一个简单但准确的分析模型来分析分布式网络分裂概率。在给定的时间，我们明确提出的网络分裂概率作为网络规模，数据包丢失率，和选举超时期间的函数。为了验证我们的分析，我们实现了一个筏模拟器和模拟结果与分析结果相吻合。利用该模型，可以从理论上预测网络分裂时间和分裂概率，优化Raft共识算法中的参数。
2018-08-03 cs.DC cs.NI
BlockSDN: Towards a High-Performance Blockchain via Software-Defined Cross Networking optimization
Shenzhen Graduate School Peking University（北京大学深圳研究生院）；The Fifth Electronic Research Institute of MIIT（工业和信息化部第五研究所）
BlockSDN通过软件定义交叉网络优化，显著提升区块链的可扩展性和性能。
2025-10-09 cs.DC cs.NI
Is Blockchain Suitable for Data Freshness? -- Age-of-Information Perspective
区块链的最新进展引发了人们对开发基于区块链的应用程序的浓厚兴趣。虽然数据可以保留在区块链中，但存储的值可以被删除或更新。从搜索数据的用户角度来看，目前还不清楚从区块链存储中发现的数据是否与基于区块链的应用程序的实时决策过程相关。数据新鲜度问题是一个关键因素，特别是在处理实时信息的动态网络中。一般来说，更新数据的交易需要区块链网络内部的额外处理时间，这被称为账本提交延迟。由于这个问题，一些用户可能会收到过时的数据。因此，调查区块链是否适合提供实时数据服务是很重要的。在本文中，我们首先描述了使用Hyperledger Fabric（HLF）的区块链启用（BCE）网络。然后，我们定义了BCE网络的信息年龄（AoI），并研究了影响AoI的因素。分析和实验进行，以支持我们提出的框架。最后，我们将讨论未来的一些挑战。
2020-06-04 cs.CR 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
On the Bandwidth Consumption of Blockchains
The University of Sydney（悉尼大学）；Redbelly Network（红贝利网络）
本文首次实证比较了不同区块链协议的带宽消耗，发现传输协议和节点角色对网络流量影响显著。
2026-01-26 cs.DC cs.NI cs.PF
OverChain: Building a robust overlay with a blockchain
区块链使用对等网络在对等体之间传播信息，但这些网络目前没有任何可证明的保证，例如拜占庭容错，良好的连接性和小直径。这不仅仅是一个理论问题，因为最近的工作利用了不安全的对等连接策略和弱网络同步来对比特币进行分区攻击。加密货币区块链是安全关键系统，因此我们需要有原则的算法来维护它们的网络。我们的关键见解是，我们可以利用区块链本身在对等体之间共享信息，从而简化网络维护过程。考虑到对等节点的计算资源有限，并且其中最多有一部分是拜占庭式的，我们提供了通信高效的协议来维护区块链的超立方网络，其中对等节点可以随着时间的推移加入和离开。有趣的是，我们发现我们的设计可以\emph{recover}从实质性的对抗失败。此外，尽管出现了重大的流失，但这些资产仍然存在。一个关键的贡献是加入网络的安全机制，该机制使用区块链来帮助新的对等点联系现有的对等点。此外，通过检查对等体如何加入网络，即，对于"引导服务"，我们给出了一个下限，表明（在对数因子内）我们的网络可以容忍最大的流失率。事实上，我们可以为任何需要连接的完全分布式服务提供一个较低的流失率。
2022-01-30 cs.DC cs.DS
Blockchain Machine: A Network-Attached Hardware Accelerator for Hyperledger Fabric
在本文中，我们展示了最受欢迎的许可区块链之一Hyperledger Fabric如何从网络附加加速中受益。Fabric的可扩展性和峰值性能主要受到其块验证/提交阶段中存在的瓶颈的限制。我们提出了区块链机器，一个硬件加速器加上一个硬件友好的通信协议，作为验证器对等体。它可以适应应用程序及其智能合约，并针对具有网络连接的FPGA加速卡的服务器。区块链机器直接从网络接口检索硬件中的块及其交易，然后通过可配置且高效的块级和交易级管道进行验证。然后将验证结果传输到主机CPU，在那里执行非瓶颈操作。从我们与Fabric v1.4 LTS集成的实现中，我们观察到与纯软件验证器对等体相比，块验证的速度提高了12倍，提交吞吐量高达68，900 tps。我们的工作提供了一个加速平台，将促进对许可区块链硬件加速的进一步研究。
2021-09-20 cs.AR cs.DC
A Mathematical Theory of Hyper-simplex Fractal Network for Blockchain: Part I
本文提出超单纯形分形网络拓扑的数学理论，通过将一维数据块折叠为N维单纯形几何结构，实现近无限可扩展性、分层共识与确定性快速路由，为下一代区块链架构奠定基础。
2024-10-01 cs.DC cs.NI
A Blockchain-based Decentralized Data Sharing Infrastructure for Off-grid Networking
离网网络是最近出现的一种解决方案，用于连接未连接的网络或为可能不受信任的参与者的网络提供替代服务。然而，目前使用的系统由于其集中化的性质而表现出局限性，因此证明不足以确保信任。区块链技术可以成为在这种网络中实现信任和透明度的工具。在本文中，我们介绍了一个平台，安全和隐私尊重分散的数据共享之间的不可信的参与者在离网网络。所提出的架构通过将现有的区块链框架（Hyperledger Fabric，Indy，Aries）与离网网络设备和分布式文件系统集成来实现这一目标。我们评估所提出的平台，通过实验，并显示其吞吐量和延迟的结果，这表明其足够的性能支持离网分散的应用程序。
2020-07-08 cs.DC cs.SI
Blockchain based trust & authentication for decentralized sensor networks
传感器网络和无线传感器网络（WSN）是物联网发展的关键组成部分。这些网络受到两种约束。通过可变性和进化性以及诸如能量消耗、计算复杂性或存储器使用的约束节点资源来表示适应性。在这种情况下，现有的协议和模型都不允许可靠的对等身份验证和信任级别管理。在虚拟经济交易领域，比特币提出了一种新的去中心化和进化的方式，通过区块链来建模和确认对等网络中的信任和数据有效性。提出了一种基于区块链技术的传感器网络安全模型及其协议，以保证传感器网络从生命周期的开始到结束，加密认证数据的有效性和完整性，并关联节点的信任级别。
2017-06-06 cs.CR cs.DC
An Analysis of Blockchain Consistency in Asynchronous Networks: Deriving a Neat Bound
区块链协议的形式化分析最近受到了广泛关注。Nakamoto的区块链协议的一致性结果通常以数量$c$表示，它表示在挖掘某个区块之前的预期网络延迟数量。与$μ$（分别，$ν$）表示由良性矿工控制的计算能力的部分（分别地，对手），其中$μ+ ν= 1$，我们首次证明，为了确保Nakamoto的区块链协议在异步网络中的一致性，$c$只需略大于$\frac{2μ}{\ln (μ/ν)}$即可。这样的结果比现有的结果更简洁、更有力。在证明中，我们制定了新的马尔可夫链，其特征在于在不同的回合中挖掘块的数量。
2020-03-13 cs.CR cs.DC
A Case Study for Grain Quality Assurance Tracking based on a Blockchain Business Network
农业的关键流程之一是在其复杂的供应链上运输谷物的整个过程中进行质量测量。此程序适用于故障，如延迟到最终目的地，监控不力和欺诈。为了通过运输链解决粮食质量测量的挑战，分布式账本和区块链等新技术可以为这一过程带来更高的效率和弹性。特别地，区块链是一种新型的分布式数据库，其中使用密码学和散列指针安全地附加交易。这些交易可以由特殊的网络嵌入式软件（称为智能合约）生成和管理，该软件可能对网络的所有节点都是公共的，也可能对特定的对等节点集是私有的。本文分析了区块链技术在实际场景中针对粮食质量保证跟踪的实现。初步结果支持对基于区块链的认证的潜在需求，这将导致巴西谷物出口商商业网络范围内的无转基因大豆的估值增加约15%。
2018-03-21 cs.CY cs.DC
Blockchain for Data Sharing at the Network Edge: Trade-Off Between Capability and Security
区块链是一种很有前途的技术，可以在网络边缘实现分布式和可靠的数据共享。区块链的高安全性无疑是网络处理重要数据项的关键因素。另一方面，根据区块链的困境，过度强调分布式安全会导致交易处理能力差，这限制了区块链在高吞吐量和低延迟要求的数据共享场景中的应用。为了实现面向需求的分布式服务，本文从块传播和分叉问题的角度研究了区块链中能力和安全性之间的关系。首先，引入马尔可夫链分析边缘服务器间基于流言的块传播，推导出块传播延迟和分叉概率。然后，我们研究了分叉对区块链能力和安全指标的影响，包括交易吞吐量，确认延迟，容错和恶意修改的概率。分析结果表明，随着块生成时间或块大小的调整，在牺牲容错的情况下提高了事务吞吐量，反之亦然。同时，可以通过调整确认阈值来抵消安全性的下降，代价是增加了确认延迟。能力-安全权衡分析可以为基于数据共享场景需求的区块链性能管理提供理论指导。
2022-12-08 cs.CR cs.DC
Chaos Engineering For Understanding Consensus Algorithms Performance in Permissioned Blockchains
任何区块链或分布式账本技术（DLT）平台的关键组件都是共识算法。区块链共识算法是区块链网络中节点达成协议的主要工具。近年来，许多区块链共识算法主要针对私有和许可的区块链网络提出。然而，这些算法的性能和它们在恶劣的环境中的可靠性或拜占庭和其他网络故障的存在还没有得到很好的理解。此外，区块链应用程序的测试和验证也面临许多技术挑战。在本文中，我们应用混沌工程和测试，以了解性能的共识算法在存在不同的负载，拜占庭故障和其他通信故障的情况下。我们应用混沌工程来评估三种不同的共识算法（PBFT，Clique，Raft）及其各自的区块链平台的性能。我们测量区块链网络的吞吐量，延迟和成功率，同时执行混乱和负载测试。我们开发轻量级区块链应用程序，以便在半生产环境中执行我们的测试。我们的研究结果表明，使用混沌工程有助于了解不同的共识算法在敌对或不可靠的环境中的表现以及区块链平台的局限性。我们的工作证明了在测试复杂的分布式系统（如区块链网络）时使用混沌工程的好处。
2021-08-19 cs.CR cs.DC cs.SE
SyncPCN/PSyncPCN: Payment Channel Networks without Blockchain Synchrony
支付通道网络（PCN）通过允许各方在链下进行交易来增强区块链的可扩展性，即无需将每笔交易广播给所有区块链参与者。为了进行交易，发送方和接收方可以建立一个直接的支付渠道，为区块链交易提供资金，或者在多跳支付中利用现有的渠道。PCN的安全性通常依赖于底层区块链的同步性，即，不当行为的证据需要在一定的时间内在区块链上公布。不需要区块链同步的替代支付渠道提案依赖于法定证书，并使用委员会来注册渠道的交易。然而，这些提案不支持多跳支付，这是我们旨在克服的限制。在本文中，我们证明了，它实际上是不可能设计一个多跳支付协议与网络故障和故障通道，即，可能不正确遵循协议的信道。然后，我们详细介绍了两个委员会为基础的多跳支付协议，分别假设同步通信和可能出现故障的渠道，或异步通信和正确的渠道。第一个协议依赖于可能存在缺陷的委员会而不是区块链来解决渠道纠纷，并在同步网络中强制执行隐私属性。第二个依赖于委员会，最多包含f个错误的成员，从3f+1，并连续委托给对方的角色，最终完成多跳支付。我们表明，这两个协议满足多跳支付的安全要求，并比较其通信复杂性和延迟。
2022-08-04 cs.CR cs.DC
Responsible Blockchain: STEADI Principles and the Actor-Network Theory-based Development Methodology (ANT-RDM)
本文针对区块链在技术、商业及社会伦理环境等方面的挑战，提出负责任区块链概念、STEADI原则及ANT-RDM开发方法论，以推动其负责任发展与大规模采用。
2024-09-10 cs.CR cs.DC cs.MA
Block Access Control in Wireless Blockchain Network: Design, Modeling and Analysis
无线区块链网络旨在为各种区块链应用提供分散和安全的无线网络。要在无线网络中实现区块链共识，其中一个重要步骤就是使用无线信道广播新区块。在无线网络协议下，分组传输将受到很大的影响。在这项工作中，我们通过调查媒体访问控制（MAC）协议CSMA/CA的影响，专注于基于区块链的无线局域网（B-WLAN）中的共识过程。由于CSMA/CA中退避计数器的随机性，后面的块有可能赶上或超过前面的块，这使得区块链分叉问题变得复杂。有鉴于此，我们提出了挖掘策略，暂停挖掘，以减少分叉概率，和丢弃策略，删除分叉块已经存在的CSMA/CA退避过程。基于所提出的策略，我们设计了块访问控制（BAC）的方法来有效地调度块挖掘和传输，以提高B-WLAN的性能。然后，马尔可夫链模型进行性能分析的B-WLAN。结果表明，BAC方法可以帮助网络实现高的事务吞吐量，同时提高块利用率和节省计算能力。同时，交易吞吐量和块利用率之间的权衡证明，这可以作为区块链的实际部署的指导。
2021-04-27 cs.DC cs.IT math.IT
SharPer: Sharding Permissioned Blockchains Over Network Clusters
可扩展性是企业采用区块链系统的主要障碍之一。尽管最近对使用分片技术来增强区块链系统的可扩展性进行了深入的研究，但现有的解决方案并不能有效地解决跨分片交易。在本文中，我们介绍了SharPer，这是一个许可的区块链系统，它通过对节点进行聚类（分区）并将不同的数据分片分配给不同的集群来提高可扩展性，其中每个数据分片都在集群的节点上复制。SharPer支持分片内和跨分片事务，同时处理不同集群的分片内事务和不重叠集群的跨分片事务。在SharPer中，区块链分类账形成为有向非循环图，其中每个集群仅维护分类账的视图。SharPer还集成了一个扁平化协议，以在跨分片事务的顺序上建立集群之间的共识。实验结果显示SharPer在性能和可扩展性方面的效率，特别是在跨分片事务比例较低的工作负载中。
2020-02-16 cs.DB cs.DC
SCRamble: Adaptive Decentralized Overlay Construction for Blockchain Networks
Athens University of Economics and Business（雅典大学经济与商业学院）
SCRamble通过创新的链接选择策略，减少区块链网络中的区块传播时间，提升交易吞吐量和系统安全性。
2026-01-15 cs.DC cs.NI
Blockchain for Economically Sustainable Wireless Mesh Networks
去中心化，以网状网络和区块链的形式，这两种有前途的技术，正在进入电信行业。网状网络允许更广泛的低成本互联网接入，其基础设施由不同所有者提供的路由器构建，而区块链则可以通过共享网络流量，内容和服务实现投资，收入或其他形式的经济补偿的透明度和问责制。众包网络覆盖率加上众筹资金成本，可以创造经济上可持续但分散的互联网接入。这意味着每个参与者都可以投资于资源，并支付或获得使用费，以收回网络设备和维护的成本。虽然网状网络和网状路由协议使自组织网络能够有机地扩展，但加密货币和智能合约使网络提供商和消费者之间的经济协调成为可能。我们探索和评估了两个现有的区块链软件栈，Hyperledger Fabric（HLF）和Ethereum geth，其授权证明（PoA）旨在作为本地轻量级分布式账本，部署在一个真正的全市生产网状网络和实验室网络中。我们量化了性能、瓶颈，并确定了当前的限制和改进机会，以满足本地无线网状网络的需求，而无需依赖公共区块链的隐私和经济成本。
2019-04-02 cs.CR cs.DC cs.NI
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
Toward Low-Cost and Stable Blockchain Networks
Iowa State University（爱荷华州立大学）
区块链网络被认为是安全分布式系统的未来，近年来受到业界和学术界越来越多的关注。然而，区块链挖矿过程需要高昂的硬件成本，并消耗大量的能源（研究表明，比特币挖矿消耗的能源几乎与爱尔兰的用电量相同）。为了解决区块链网络的高挖掘成本问题，本文提出了一种区块链挖掘资源分配算法，以降低基于PoW（基于工作量证明）的区块链网络的挖掘成本。我们首先提出了一个一般区块链网络的分析模型。在我们的排队模型中，事务随机到达队列，并以批处理的方式提供服务，服务率概率分布未知，不知道任何优先级机制。然后，我们利用李雅普诺夫优化技术，提出了一个动态的采矿资源分配算法（DMRA），这是参数化的调整参数$K>0$。我们表明，我们的算法实现了$[O(1/K), O(K)]$成本最优间隙与延迟权衡。我们的模拟结果也证明了DMRA在降低采矿成本方面的有效性。
2020-02-26 cs.CR cs.DC cs.LG
A Location-based and Hierarchical Framework for Fast Consensus in Blockchain Networks
本文提出一种面向物联网区块链的基于位置的分层共识协议，利用节点声誉与距离信息选举子层领导者，并结合门限签名实现全局共识，相比 Raft 在通信成本、网络延迟和一致时间上均降低超过 50%。
2023-05-26 cs.CR cs.DC
Consensus in Blockchain Systems with Low Network Throughput: A Systematic Mapping Study
区块链技术起源于加密货币。因此，大多数区块链技术都假设一个具有快速稳定网络的环境。然而，在一些基于区块链的系统中，例如，在供应链管理（SCM）系统中，一些物联网（IOT）节点有时只能依靠低质量的网络来达成共识。因此，理解现有共识算法在这样的环境中的适用性是至关重要的。我们进行了系统的映射研究，以评估和比较现有的共识机制的能力，提供不同的网络属性的完整性和安全性。我们的研究从已发表和预印本文献中确定了25种最先进的共识算法。我们基于已建立的性能和完整性指标以及众所周知的区块链安全问题，对共识算法进行了定性分类和比较。结果表明，共识算法依赖于同步网络的正确性不能提供预期的完整性。考虑到有限的网络吞吐量，这种共识算法也可能容易受到分布式拒绝服务（DDOS）和路由攻击。相反，异步共识算法，例如，Honey-BadgerBFT被认为对这些攻击中的许多攻击更鲁棒，并且可以在恶意事件中提供高完整性。
2021-03-04 cs.CC cs.DC cs.PF
Evolutionary Game for Consensus Provision in Permissionless Blockchain Networks with Shard
随着去中心化共识协议的发展，无需许可的区块链被认为是通用交易驱动的自治系统的一个有前途的推动者。然而，大多数流行的区块链网络都是建立在被称为工作量证明的密码谜题框架下的共识协议上的。这样的协议面临着交易处理瓶颈的固有问题，因为网络以非常高的延迟为代价实现了交易确认的分散共识。在本文中，我们研究了在具有分片共识的多个吞吐量可扩展区块链系统中的共识形成问题。具体而言，分片共识的协议设计不仅能够并行化处理器子组的事务验证过程，而且还引入了用于加速共识过程的拜占庭共识协议。通过允许不同的区块链征收不同水平的处理费用并具有不同的交易生成率，我们的目标是模拟现实世界中基于区块链的多服务提供生态系统。我们专注于在大量共识处理器的条件下区块链选择的动力学。因此，我们将各个处理器对区块链选择的演变建模为进化博弈。理论和数值分析提供有关的进化平衡和稳定性的处理器的策略在一般情况下。
2018-11-16 cs.CR cs.DC cs.GT
Maximizing Blockchain Performance: Mitigating Conflicting Transactions through Parallelism and Dependency Management
针对区块链因冲突交易（竞争）导致的高延迟、低吞吐量等问题，提出集成交易并行性和智能依赖管理器的方案，实验证明其在交易成功率、吞吐量和延迟上优于现有Hyperledger Fabric网络，可提升区块链性能与稳定性。
2024-07-03 cs.CR cs.DC
Stability and Scalability of Blockchain Systems
区块链范式提供了一种用于对等（P2P）网络上的内容传播和分布式共识的机制。虽然这种模式已被广泛采用的行业，它还没有被仔细分析，在其网络规模方面的对等点的数量。区块链系统的应用，如加密货币和物联网，需要这种形式的网络扩展。在本文中，我们提出了一个新的随机网络模型的区块链系统。我们确定了一个称为\emph{one-endedness}的结构属性，我们证明这在任何区块链系统中都是可取的，因为它与对等体之间的分布式共识直接相关。我们证明了网络的随机稳定性足以证明区块链的一端性。我们进一步确定，我们的模型属于一类网络模型，称为单调可分模型。这使我们能够建立稳定区域的上界和下界。稳定性的界限取决于P2P网络通过其电导的连通性，并允许我们分析区块链系统在大型P2P网络上的可扩展性。我们使用来自比特币网络的合成数据和真实数据来验证我们的理论见解。
2020-12-19 cs.DC cs.IT cs.SI
Demo -- Zelig: Customizable Blockchain Simulator
随着基于区块链的系统得到更广泛的采用，确保其可靠性、安全性和效率变得越来越重要。运行模拟是一种有效的方法，可以深入了解现有系统并分析潜在的改进。然而，许多现有的区块链模拟器具有各种缺点，这些缺点使它们不足以用于各种场景。在这篇演示论文中，我们介绍了Zelig：我们的区块链模拟器，其主要目标是可定制性和可扩展性。据我们所知，Zelig是唯一一个能够在不修改模拟器代码的情况下模拟自定义网络拓扑的区块链模拟器。我们解释了我们的模拟器设计，通过对真实世界比特币网络的实验分析进行了验证，并强调了潜在的用例。
2021-07-16 cs.CR cs.DC
Active External Calls for Blockchain and Distributed Ledger Technologies: Debunking cited inability of Blockchain and DLT to make external calls
区块链和其他分布式账本技术使点对点网络能够维护具有不可变历史和有保证计算的账本，所有这些都不需要可信方。在实践中，很少有区块链应用程序是封闭的，即不与区块链外部的世界交互，并且已经提出并使用各种技术来处理这种交互。一个问题是，人们普遍认为，由于区块链网络的去中心化性质以及确保信任和确定性的约束，这种通信只能流入区块链，并且区块链系统无法发起和执行对外部系统或服务的调用。在本文中，我们通过构建我们先前提出的解决方案来证明这种误解是先入为主的，以证明这种调用可以以可行和有效的方式直接从区块链本身发起。
2023-01-10 cs.CR cs.DC cs.NI
