安 洋,李 坤,李軍懷,王懷軍

(西安理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710048)

食品事關(guān)國(guó)運(yùn)民生,食品安全是國(guó)家安全的重要基礎(chǔ),與公眾健康、生活水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展乃至社會(huì)穩(wěn)定息息相關(guān)[1].果品作為常見(jiàn)食品受眾面很廣,其質(zhì)量安全溯源受到廣泛關(guān)注.果品質(zhì)量溯源是將果品從果園培育到銷(xiāo)售的完整產(chǎn)業(yè)鏈中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行管理以實(shí)現(xiàn)監(jiān)管,這需要整個(gè)供應(yīng)鏈中的參與者共同實(shí)現(xiàn)[2].然而,現(xiàn)有的主流果品質(zhì)量溯源系統(tǒng)的溯源數(shù)據(jù)都是集中化控制管理的,數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在中央數(shù)據(jù)庫(kù),因此追溯數(shù)據(jù)極易被人刻意篡改且難以發(fā)現(xiàn),追溯數(shù)據(jù)的采集比較單一,數(shù)據(jù)是否完整也無(wú)法被驗(yàn)證[3].集中式管理數(shù)據(jù)的溯源系統(tǒng)并不能保證查詢(xún)數(shù)據(jù)的真實(shí)性,不能完全滿(mǎn)足果品溯源數(shù)據(jù)安全完整的需求.

區(qū)塊鏈去中心化等特點(diǎn)滿(mǎn)足果品質(zhì)量溯源系統(tǒng)的需求[4].在供應(yīng)流程中產(chǎn)生的果園基地的環(huán)境數(shù)據(jù)、施肥、防蟲(chóng)、除害、加工、銷(xiāo)售、物流等溯源數(shù)據(jù)都可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或人工錄入的方式進(jìn)行信息上鏈,一旦數(shù)據(jù)上鏈便不能修改.區(qū)塊鏈上的所有數(shù)據(jù)都需要信息背書(shū),這樣可以有效減少人為錯(cuò)誤,供應(yīng)鏈上的企業(yè)能夠共同維護(hù)數(shù)據(jù),消費(fèi)者只需通過(guò)溯源碼進(jìn)行鏈上數(shù)據(jù)查詢(xún)即可獲得果品溯源數(shù)據(jù),因此可以很大程度上解決消費(fèi)者對(duì)數(shù)據(jù)的不信任問(wèn)題.

在基于區(qū)塊鏈的果品質(zhì)量溯源系統(tǒng)中,所有環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都在一個(gè)去中心化、不可偽造和不可篡改的安全環(huán)境中進(jìn)行流通,共識(shí)機(jī)制是保證這些特征的區(qū)塊鏈底層技術(shù)之一[5].由于果品質(zhì)量溯源系統(tǒng)應(yīng)用于供應(yīng)鏈當(dāng)中,每天的交易和賬戶(hù)數(shù)據(jù)更新較為頻繁,系統(tǒng)需要良好的吞吐量以及低交易時(shí)延.雖然區(qū)塊鏈去中心化等特點(diǎn)適用于供應(yīng)鏈,但共識(shí)算法存在吞吐量低、時(shí)延高、節(jié)點(diǎn)數(shù)不能動(dòng)態(tài)變化等問(wèn)題,影響了基于區(qū)塊鏈的果品質(zhì)量溯源系統(tǒng)的整體性能.

鑒于上述原因,研究實(shí)現(xiàn)一種可以良好的對(duì)抗拜占庭將軍問(wèn)題[6]且可以滿(mǎn)足高吞吐量和低延時(shí)的區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制成為本文的研究重點(diǎn).

1 相關(guān)研究

追溯體系的構(gòu)建需要依托溯源技術(shù).目前,國(guó)內(nèi)外的追溯技術(shù)主要是通過(guò)二維碼、RFID 技術(shù)、NFC 技術(shù)和生物DNA 等技術(shù)手段對(duì)產(chǎn)品標(biāo)記和記錄,實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ),通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)或手持設(shè)備等手段查詢(xún)信息真?zhèn)?傳統(tǒng)溯源技術(shù)雖然發(fā)展比較成熟[7–9],但其存在溯源數(shù)據(jù)采集單一、易被篡改、數(shù)據(jù)完整性無(wú)法驗(yàn)證等問(wèn)題.區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、可追溯性及不可篡改等特性能夠很好的解決傳統(tǒng)溯源技術(shù)存在的問(wèn)題,基于區(qū)塊鏈的溯源方法成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)[10–12].

區(qū)塊鏈的核心技術(shù)包括共識(shí)機(jī)制、分布式存儲(chǔ)技術(shù)、密碼學(xué)和智能合約[13].其中,共識(shí)機(jī)制主要解決分布式系統(tǒng)的一致性問(wèn)題,保證所有節(jié)點(diǎn)維護(hù)的數(shù)據(jù)副本的一致性.共識(shí)算法已經(jīng)有了非常豐富的實(shí)例,從區(qū)塊鏈應(yīng)用衍生出來(lái)的共識(shí)算法有PoW、PoS、DPoS等;從傳統(tǒng)一致性算法衍生出來(lái)的共識(shí)算法有Paxos、Raft、PBFT 等.6 種共識(shí)機(jī)制具體對(duì)比結(jié)果如表1所示.通過(guò)對(duì)區(qū)塊鏈中幾種常見(jiàn)的共識(shí)機(jī)制對(duì)比分析,結(jié)合果品質(zhì)量溯源系統(tǒng)的應(yīng)用需求可得出:PoW和PoS雖然擁有非常良好的拜占庭容錯(cuò)性但吞吐量與交易時(shí)延并不能滿(mǎn)足該系統(tǒng)的性能要求,且其資源消耗普通企業(yè)無(wú)法承擔(dān).Raft、Paxos和Kafka 雖然都擁有良好的吞吐量、交易時(shí)延和低消耗,但均不具備拜占庭容錯(cuò)能力,并不滿(mǎn)足果品質(zhì)量溯源系統(tǒng)對(duì)安全性的要求.PBFT 雖然在吞吐量、交易時(shí)延和消耗都不是最優(yōu),但是其具備抗拜占庭能力,基本滿(mǎn)足果品質(zhì)量溯源系統(tǒng)的需求,因此本文選擇PBFT 共識(shí)算法作為基礎(chǔ),結(jié)合果品質(zhì)量溯源系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景展開(kāi)研究工作.

表1 6 種共識(shí)機(jī)制多指標(biāo)對(duì)比

2 基于積分選擇的改進(jìn)PBFT 共識(shí)算法

針對(duì)共識(shí)機(jī)制低吞吐、高時(shí)延和主節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇的問(wèn)題,文獻(xiàn)[14]提出使用投票選舉主節(jié)點(diǎn)的方式提高共識(shí)效率,文獻(xiàn)[15]通過(guò)簡(jiǎn)化一致性協(xié)議提高共識(shí)效率,文獻(xiàn)[16]提出分組概念將節(jié)點(diǎn)分為共識(shí)節(jié)點(diǎn)與記賬節(jié)點(diǎn),但這些方法假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都是誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)并未考慮拜占庭問(wèn)題,且根據(jù)時(shí)間戳進(jìn)行垃圾回收并不滿(mǎn)足果品質(zhì)量溯源系統(tǒng)需求.本文引入積分機(jī)制[17],對(duì)抗拜占庭節(jié)點(diǎn),對(duì)一致性協(xié)議步驟進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)積分來(lái)執(zhí)行垃圾回收機(jī)制,以提高吞吐量、降低通信開(kāi)銷(xiāo),從而提高共識(shí)效率.

2.1 PBFT 共識(shí)算法

PBFT 共識(shí)算法的核心流程,如圖1所示,算法的核心階段分別是預(yù)準(zhǔn)備階段(pre-prepare)、準(zhǔn)備階段(prepare)和提交階段(commit).圖中的C 代表客戶(hù)端,N0,N1,N2,N3代表節(jié)點(diǎn)的編號(hào),N3代表可能故障的節(jié)點(diǎn)或者是作惡節(jié)點(diǎn),N0是主節(jié)點(diǎn).整個(gè)過(guò)程如圖1,其中,f代表故障節(jié)點(diǎn)數(shù)量.

(1)從所有參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn),主節(jié)點(diǎn)的主要工作是負(fù)責(zé)接收客戶(hù)端信息、廣播信息以及生成新的區(qū)塊;

(2)預(yù)準(zhǔn)備階段:主節(jié)點(diǎn)將從客戶(hù)端接收到的交易請(qǐng)求進(jìn)行校驗(yàn),校驗(yàn)通過(guò)后,加上自己的簽名通過(guò)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)廣播至所有參與共識(shí)的從節(jié)點(diǎn),并且將該交易保存在日志文件中;

(3)準(zhǔn)備階段:所有從節(jié)點(diǎn)收到消息之后,首先對(duì)消息進(jìn)行校驗(yàn),包括主節(jié)點(diǎn)簽名等,校驗(yàn)通過(guò)后,將該交易保存在日志文件并向全網(wǎng)廣播一條準(zhǔn)備消息;

(4)確認(rèn)階段:節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的準(zhǔn)備消息進(jìn)行統(tǒng)計(jì),若收到2f條通過(guò)校驗(yàn)且和自己信息一致的消息,就廣播一條確認(rèn)消息;

(5)回復(fù)階段:節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的確認(rèn)消息進(jìn)行統(tǒng)計(jì),若收到2f+1 條確認(rèn)消息,就將新區(qū)塊更新到本地賬本,并向客戶(hù)端發(fā)送消息;

(6)客戶(hù)端若收到f+1 條相同消息,共識(shí)結(jié)束.

通過(guò)對(duì)PBFT 算法共識(shí)過(guò)程的分析可以得出,PBFT 共識(shí)算法存在以下問(wèn)題:1)在執(zhí)行完整的一致性協(xié)議時(shí)節(jié)點(diǎn)間需要進(jìn)行大量的通信,其時(shí)間復(fù)雜度為O(N2);2)主節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)選擇的,增大了選擇異常節(jié)點(diǎn)的概率,從而導(dǎo)致視圖轉(zhuǎn)換協(xié)議調(diào)用次數(shù)增多;3)垃圾回收機(jī)制中需要確保至少f+1 個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)執(zhí)行了待回收的舊消息,從而額外增加了節(jié)點(diǎn)間的通信開(kāi)銷(xiāo).

2.2 改進(jìn)的PBFT 共識(shí)算法

針對(duì)傳統(tǒng)PBFT 共識(shí)算法存在的問(wèn)題,本文提出了一種基于積分選擇的改進(jìn)PBFT 共識(shí)算法.該算法通過(guò)積分選擇,從一致性協(xié)議、視圖轉(zhuǎn)換協(xié)議、垃圾回收機(jī)制幾方面進(jìn)行了優(yōu)化,提高了共識(shí)算法的效率.系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的積分是每個(gè)參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行共識(shí)過(guò)程中根據(jù)共識(shí)行為進(jìn)行相應(yīng)加減.在成功執(zhí)行一次一致性協(xié)議之后,對(duì)所有達(dá)成共識(shí)的節(jié)點(diǎn)(除主節(jié)點(diǎn)),將積分加5;對(duì)于未達(dá)成共識(shí)的節(jié)點(diǎn),將積分減5;主節(jié)點(diǎn)成功完成一次區(qū)塊生成,積分加1.積分選擇協(xié)議如表2所示,根據(jù)積分賦予節(jié)點(diǎn)不同角色.

表2 積分選擇協(xié)議

主節(jié)點(diǎn)的選取依據(jù)積分選擇協(xié)議,積分越高的節(jié)點(diǎn)其安全性越高且更穩(wěn)定不易壞,增大主節(jié)點(diǎn)選擇的安全性,從而降低了視圖轉(zhuǎn)化協(xié)議執(zhí)行的概率,提高共識(shí)效率.通過(guò)不斷的執(zhí)行共識(shí)機(jī)制,成功達(dá)成共識(shí)的節(jié)點(diǎn)將不斷積累積分,認(rèn)為積分高的共識(shí)節(jié)點(diǎn)其安全性更高.

本文參考文獻(xiàn)[14–17]對(duì)共識(shí)算法的改進(jìn)思路,進(jìn)一步明確節(jié)點(diǎn)分組邊界.具體來(lái)說(shuō),首先將所有節(jié)點(diǎn)的積分從小到大進(jìn)行排序,認(rèn)為[(n?1)/2,n?1]范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可信度高,作為共識(shí)節(jié)點(diǎn),共識(shí)節(jié)點(diǎn)至少為4 個(gè),其余節(jié)點(diǎn)作為記賬節(jié)點(diǎn).主節(jié)點(diǎn)從 [3(n?1)/4,n?1]范圍內(nèi)隨機(jī)選擇,算法整體流程如圖2所示.

具體步驟如下:

(1)首先將區(qū)塊鏈所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)積分選擇協(xié)議的積分選擇依據(jù)進(jìn)行分組,分為共識(shí)節(jié)點(diǎn)和記賬節(jié)點(diǎn);

(2)客戶(hù)端在共識(shí)節(jié)點(diǎn)中根據(jù)積分區(qū)間選擇主節(jié)點(diǎn)N1,主節(jié)點(diǎn)的主要工作是負(fù)責(zé)接收客戶(hù)端信息、廣播信息以及生成新的區(qū)塊;

(3)主節(jié)點(diǎn)將從客戶(hù)端接收到的交易請(qǐng)求進(jìn)行校驗(yàn),校驗(yàn)通過(guò)之后,加上自己的簽名通過(guò)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)廣播至所有參與共識(shí)的從節(jié)點(diǎn),并且將該交易保存在日志文件中;

(4)從節(jié)點(diǎn)收到消息,并對(duì)消息通過(guò)簽名字段進(jìn)行認(rèn)證,如果認(rèn)可這條消息,則將同樣的消息加上簽名發(fā)送給主節(jié)點(diǎn),并保留消息內(nèi)容等待二次確認(rèn);

(5)如果主節(jié)點(diǎn)收到的認(rèn)可信息且消息內(nèi)容沒(méi)有更改的數(shù)量大于等于2f,則將認(rèn)可信息打包再發(fā)給所有節(jié)點(diǎn),共識(shí)節(jié)點(diǎn)將收到的消息進(jìn)行二次確認(rèn)檢查信息是否正確,通過(guò)驗(yàn)證后進(jìn)入commit 狀態(tài),將新區(qū)塊更新到本地賬本,并向客戶(hù)端發(fā)送消息,記賬節(jié)點(diǎn)接收消息更新本地賬本;

(6)如果客戶(hù)端收到f+1 條消息認(rèn)為達(dá)成共識(shí),共識(shí)結(jié)束.

算法在執(zhí)行過(guò)程中,本文針對(duì)共識(shí)節(jié)點(diǎn)內(nèi)拜占庭節(jié)點(diǎn)大于承載能力兩種情況,分別給出解決方法:1)若3 階段內(nèi)任意階段條件為滿(mǎn)足,認(rèn)為共識(shí)節(jié)點(diǎn)中存在大于f個(gè)拜占庭節(jié)點(diǎn),則算法執(zhí)行完整的一致性協(xié)議來(lái)解決拜占庭問(wèn)題;2)若節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求超時(shí),認(rèn)為主節(jié)點(diǎn)為惡意節(jié)點(diǎn),則算法執(zhí)行視圖轉(zhuǎn)換協(xié)議來(lái)解決主節(jié)點(diǎn)作惡?jiǎn)栴}.

每次執(zhí)行一致性協(xié)議都會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)積分產(chǎn)生影響,當(dāng)積分值積累到一定程度后執(zhí)行垃圾回收機(jī)制更新并重置節(jié)點(diǎn)積分值.優(yōu)化的一致性協(xié)議通過(guò)簡(jiǎn)化信息交互過(guò)程,降低了在共識(shí)過(guò)程中的通信開(kāi)銷(xiāo),并且由于引入積分機(jī)制使良好節(jié)點(diǎn)當(dāng)選主節(jié)點(diǎn)的概率增高,降低使用視圖轉(zhuǎn)換協(xié)議的概率,提高了整體的效率.

2.3 視圖轉(zhuǎn)換協(xié)議和垃圾回收機(jī)制的優(yōu)化

PBFT 共識(shí)算法中視圖轉(zhuǎn)換協(xié)議的主要目的是當(dāng)判定主節(jié)點(diǎn)為錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)時(shí)更換主節(jié)點(diǎn),具體過(guò)程如圖3所示.

從節(jié)點(diǎn)需要在view-change 階段相互通訊來(lái)確定主節(jié)點(diǎn)為惡意節(jié)點(diǎn),然后在view-change-ack 階段隨機(jī)選擇新的節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn),并舍棄未完成的交易.通過(guò)積分機(jī)制,在view-change-ack 階段根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)積分選擇新的主節(jié)點(diǎn),可以有效降低使用視圖轉(zhuǎn)換協(xié)議的概率,達(dá)到提高共識(shí)效率的目的.

PBFT 通過(guò)3 階段協(xié)議來(lái)對(duì)請(qǐng)求達(dá)成共識(shí),但各個(gè)階段產(chǎn)生的消息如果不進(jìn)行垃圾回收的話(huà),系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間將會(huì)不堪重負(fù).為此,PBFT 算法設(shè)計(jì)了垃圾回收機(jī)制來(lái)清除本地緩存.根據(jù)前面的3 階段協(xié)議,客戶(hù)端收到某個(gè)請(qǐng)求的執(zhí)行結(jié)果的時(shí)候,表明該請(qǐng)求已經(jīng)被至少f+1 個(gè)節(jié)點(diǎn)提交過(guò),這個(gè)時(shí)候需要?jiǎng)h除該消息.垃圾回收機(jī)制是通過(guò)額外的通訊來(lái)提供證明,證明節(jié)點(diǎn)狀態(tài)正確.如果每執(zhí)行結(jié)束一次一致性協(xié)議都需要生成上述證明,那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將會(huì)消耗大量資源.

在PBFT 垃圾回收機(jī)制中,執(zhí)行方式是周期性執(zhí)行,目的是為了防止節(jié)點(diǎn)因?yàn)殄礄C(jī)、網(wǎng)絡(luò)或自身故障等原因而產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)信息不一致從而導(dǎo)致系統(tǒng)故障.為了確保系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及安全,節(jié)點(diǎn)在清除本地消息日志中舊消息時(shí),必須確保至少存在f+1 個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)執(zhí)行了這些舊消息,因此需要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間是否同步的確認(rèn)通信,這導(dǎo)致每次在執(zhí)行垃圾回收機(jī)制時(shí)就會(huì)產(chǎn)生巨大的通信開(kāi)銷(xiāo).

改進(jìn)的PBFT 算法在垃圾回收機(jī)制中實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)增加和退出節(jié)點(diǎn)的功能以及積分重新分配的功能.當(dāng)執(zhí)行一致性協(xié)議時(shí)存在節(jié)點(diǎn)積分大于等于閾值的情況時(shí),完成一致性協(xié)議后運(yùn)行垃圾回收機(jī)制,所有參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)會(huì)清除本地日志中已執(zhí)行過(guò)的交易請(qǐng)求,達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)通訊消耗的目的.同時(shí)將系統(tǒng)中所有共識(shí)節(jié)點(diǎn)的信用全部清零,并對(duì)所有參與共識(shí)節(jié)點(diǎn)的積分在一定范圍內(nèi)隨機(jī)賦值,提高了新加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn)的可能,從而達(dá)到了共識(shí)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)增加和退出的目的.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用改進(jìn)PBFT 共識(shí)機(jī)制作為Fabric的自定義共識(shí)后端并通過(guò)Caliper 對(duì)區(qū)塊鏈框架中兩種不同事務(wù)在不同情況下進(jìn)行測(cè)試,然后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析討論.實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置如表3所示.

表3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置

分別進(jìn)行提交請(qǐng)求和查詢(xún)請(qǐng)求的測(cè)試,觀察在兩種請(qǐng)求下系統(tǒng)資源占用情況與區(qū)塊鏈性能情況.表4、表5分別為在交易數(shù)量為100 時(shí)提交請(qǐng)求和查詢(xún)請(qǐng)求的內(nèi)存和CPU 占用率.

由表4和表5中的信息可以看出peer1 節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存、CPU 等系統(tǒng)資源使用情況都是0,表明該節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過(guò)程中并沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)提交的交易做出響應(yīng),即該節(jié)點(diǎn)屬于錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn).然而可以看出,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出提交事務(wù)請(qǐng)求的時(shí)候,系統(tǒng)依舊完成了共識(shí)過(guò)程,并沒(méi)有因?yàn)槟承┦Ч?jié)點(diǎn)或惡意節(jié)點(diǎn)造成區(qū)塊鏈系統(tǒng)癱瘓.因此基于積分選擇的改進(jìn)PBFT 共識(shí)算法可以抵抗拜占庭錯(cuò)誤,安全性高.

表4 提交請(qǐng)求時(shí)資源占用率

表5 查詢(xún)請(qǐng)求時(shí)資源占用率

表6、表7表示在提交請(qǐng)求下不斷增加交易數(shù)量以及查詢(xún)請(qǐng)求下不斷增加發(fā)送請(qǐng)求,得出不同情況下系統(tǒng)處理返回?cái)?shù)據(jù)的TPS 以及請(qǐng)求時(shí)延情況(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為10 次請(qǐng)求的平均值).

表6 不同事務(wù)下PBFT的TPS 以及時(shí)延

表7 不同事務(wù)下本文方法的TPS 以及時(shí)延

首先分析吞吐量情況,PBFT 共識(shí)機(jī)制與本文方法提交事務(wù)與查詢(xún)事務(wù)吞吐量對(duì)比情況如圖4、圖5所示.

結(jié)果表明,在提交事務(wù)中隨著交易數(shù)量的增加吞吐量逐漸增大并趨向飽和,可以看出當(dāng)交易數(shù)量達(dá)到一定程度之后吞吐量將維持在一個(gè)平穩(wěn)的水平.通過(guò)優(yōu)化一致性協(xié)議、視圖轉(zhuǎn)換協(xié)議以及垃圾回收機(jī)制,對(duì)比發(fā)送請(qǐng)求平均吞吐量從604 TPS 提升到了756 TPS提升了25%而響應(yīng)處理請(qǐng)求的平均吞吐量從121 TPS提升到了137 TPS 提升了13%.在查詢(xún)事務(wù)中設(shè)置交易數(shù)量為5 000 在不同的請(qǐng)求發(fā)送速率下可得,系統(tǒng)響應(yīng)平均吞吐量從298 TPS 提升到了350 TPS 提升了17%.

接下來(lái)分析交易請(qǐng)求的時(shí)延情況,傳統(tǒng)PBFT 共識(shí)機(jī)制與本文方法提交事務(wù)與查詢(xún)事務(wù)的時(shí)延對(duì)比情況,如圖6、圖7所示.

結(jié)果表明,在進(jìn)行提交事務(wù)與查詢(xún)事務(wù)時(shí),系統(tǒng)的最大時(shí)延、平均時(shí)延都隨著交易數(shù)量的增加而增加,提交事務(wù)的平均時(shí)延從3.36 s 下降到2.56 s,查詢(xún)事務(wù)的平均時(shí)延從4.96 s 下降到4.66 s,有效的提升了果品質(zhì)量溯源用戶(hù)的系統(tǒng)使用體驗(yàn).

4 結(jié)論

針對(duì)基于區(qū)塊鏈的果品質(zhì)量溯源系統(tǒng)中存在的共識(shí)算法性能低下問(wèn)題,本文對(duì)PBFT 算法進(jìn)行分析并引入積分選擇協(xié)議,優(yōu)化了一致性協(xié)議、視圖轉(zhuǎn)換協(xié)議以及垃圾回收機(jī)制.在保證算法容錯(cuò)性的同時(shí),降低了共識(shí)過(guò)程中的傳輸消耗,提高了吞吐量,縮短了共識(shí)達(dá)成時(shí)間.在運(yùn)行垃圾回收機(jī)制時(shí)給所有節(jié)點(diǎn)重新分配積分,達(dá)到了動(dòng)態(tài)更改節(jié)點(diǎn)的目的.最后,通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了基于積分選擇的改進(jìn)PBFT 共識(shí)機(jī)制的有效性.