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论文发表 | IEEE国际期刊审核通过,能链科技两篇技术创新论文顺利发布

论文发表 | IEEE国际期刊审核通过,能链科技两篇技术创新论文顺利发布

发布时间:2021.02.25
能链科技技术创新论文发布
2020年12月,IEEE第三届信息中心未来网络学术会议(IEEE HotICN 2020)在中国科学技术大学举行,会议聚焦ICN/NDN、区块链、网络智能以及未来网络试验设施等相关技术和应用问题,并征集原创性论文以分享理论性研究及应用研究。

能链科技两篇底层技术创新论文:
1. Continuous Distributed Key Generation on Blockchain Based on BFT Consensus(《基于BFT共识的持续的分布式密钥生成协议》)
2. Chained Tendermint:A Parallel BFT consensus mechanism(《链式Tendermint:一种并行化BFT共识机制》)

顺利通过会议程序委员会审核,并作为HotICN 2020会议论文集,于IEEE国际核心期刊刊载发布,为全球区块链技术创新贡献智慧。

能链科技技术创新论文发布

一、Continuous Distributed Key Generation on Blockchain Based on BFT Consensus

论文核心贡献:
如何通过生成真随机数来选择并确认记账节点,
同时兼顾整个链式结构信息存储的安全及效率。


在区块链系统中,如何让各节点通过一定的规则保持数据一致是核心问题。共识算法便是解决路径,实现不同节点账本数据的一致性和正确性。

然而,在信息传输过程中,主机可能有故障,网络可能会拥塞,这些错误信息在系统内传播会影响共识达成效率。因此在不可靠的异步网络中定义容错协议,是确保各节点在安全可靠状态下达成共识的关键。

但在许多容错协议中,如何选定下一区块的提议者,决定着区块链网络的安全。例如Tendermint等算法都是使用伪随机算法来计算下一个提议者。由于计算序列的方法是对所有人开放的,恶意对手可以提前计算序列并预测任何未来高度/轮的提议者。这样区块提议者很容易受到DDoS或网络分裂的攻击。

由此,区块链上“真随机数流”对于使提议者优先级和每个高度的验证者不可预测非常重要。本论文提出了一种在区块链上实现可更新的VSS协议,使其适应异步和拜占庭网络模型,克服单点故障以及单个节点不可信任问题,并通过分布式密钥生成机制,实现抗串通性和安全性。

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实际上,VSS协议在许多区块链系统中使用,如Dfinity和Ouroboros均以此生成不可预测的随机数流,它们可以用来确定每个高度的提议人名单和投票人的投票权。然而,为了防止随机数被预测或被攻击者破坏从而违反底层信任假设,分布式协议中可更新的VSS协议是非常重要的。因此,该方案实现了对Dfinity的增强:即组秘密在每个纪元(epoch)不断地更新。

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简单来说,每个节点在每个纪元都会重新执行一遍VSS协议,生成一遍多项式系数。与此同时,协议的阈值组成员可以随着帐户和节点的更新而更新。这也就是说即使所有的第n纪元的随机多项式系数都被泄漏,攻击者也只能在第n+2纪元中使用它们。但攻击者很难不断地学习所有参与者的更新多项式,从而增强了分布式系统的安全性。另外,从VSS协议的角度说,基于区块链共识来执行它这个协议,解决了在异步网络模型里各参与者对于投诉视角不一致的问题。

二、Chained Tendermint:A Parallel BFT consensus mechanism

论文核心贡献:
通过一种出块过程的机制创新,
保障共识协议可以如流水线般顺畅效率地运行。


在区块链网络中,解决分布式一致性的关键便是共识机制。然而,为了保证算法的正确性,任何共识算法都需要满足安全性和灵活性两个要求:

-为了满足安全性,需要证明不同分叉链上的两个区块不能同时满足提交要求。
-为了保证灵活性,即在任何情况下,节点不应该被锁死,共识协议的参与者都应该有办法继续并最终与其他节点达成共识。

基于上述考量,许多拜占庭容错算法(BFT)提出只要超过2/3的正常节点,整个系统就便可正常运作,如Tendermint、Casper、HotStuff和Grandpa,其中Tendermint支持即时最终性,而后三种共识算法为追求更高的吞吐量,放弃了即时最终性。

关于即时最终性,以Tendermint协议为例,一个出块的完成流程涵盖:
-块的广播
-预投票的广播
-预提交的广播
-块的执行

因此,每次出块可能需要经过多轮投决达成Commit,然后才能进到下一个高度的共识流程,即到下个高度时,上个高度的块已被确定,这便是即时最终性。

本论文为提高系统的吞吐量,放弃即时最终性,并且采用和HotStuff类似的链式模型和聚合签名机制确认出块过程,将共识协议流水线化。

首先,它将多轮投决的概念“扁平化”放到各个高度去完成,即允许节点可先Prevote下一高度的提案块,再Precommit之前高度区块。在这里,Precommit可以理解为一个不改变锁的承诺,也就说当一个节点Prevote某一高度的区块,便无法补Precommit和已投出的Prevote相矛盾的之前高度的块。因此,在正常情况下,只要链不分叉,那他仍可以补投任何前面高度的Precommit,这也是保障完整账本不可篡改的重要一环。

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其次,本论文在HotStuff论文的Basic HotStuff和Chained Hotstuff两种协议基础上,优化并提出了:Parallel Tendermint协议和Chained Tendermint协议。

-Parallel Tendermint协议:对比Tendermint协议,其只改变了节点投票的时序,即允许它在当前高度没有最终化时先投下一个高度的投票,但仍然保证他投出的票按照高度是符合Tendermint的安全规则的。

-Chained Tendermint协议:使用聚合签名算法减少网络传输冗余,实现高效验签,其对比Chained HotStuff的改进在于:
1. 不需要额外增加一个Prepare Phase,每个块还是两个Phase就能确认,从而减少了每个块里交易的确认时间。
2. 块的确认不需要“Direct Parent”的限制,在两个竞争分叉发生时,分叉上的块能更容易获得最终确认,从而解决分叉。ChainedTendermint协议的投票仍然符合Tendermint的安全规则,所以它不需要这个限制。
3. 不需要View Change机制,下一个出块者不需要其它节点发给它各自的PrepareQC,而只需要在他的提交块中带上它自己本地的LockQC。

Chained Tendermint协议里的投票根据是否接受出块者块里带的LockQC分为两种,如果接受就投true类型的投票,否则投false类型的投票。这样聚合出的投票也分两种,如果都接受,那这种聚合投票为“one message”类型,否则,投票集里可能既含有true类型也含有false类型的,聚合投票为“two messages”类型。两种情况都代表了对当前被投票块的prevote集,前一种情况还代表了对块里带的LockQC所指的块的precommit集,从而可以提交块,如下图所示:

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正常情况下,在设定每个高度合理的超时时间,链不分叉时,所有节点都应接受每个提案块里LockQC所指的块,从而协议在正常情况下满足流水线设计。

此次论文成果的权威发布,是对区块链技术底层创新的重大突破与贡献,展现了能链科技团队在底层技术研发的能力与实力,以及能链科技公司在区块链领域深度创新引领行业发展的决心与布局。

正是基于上述创新研究的深度思考,能链科技自主研发倾力打造的DTFN开放许可链,已全面支撑金融、政务、交通、能源、人力等多个领域、多种行业、多类场景的应用落地,助力金融机构和实体产业实施数字化转型升级,推动全社会数字经济的发展进程。

放眼未来,能链科技将本次论文发表视为新的起点,持续自主研发、不断创新探索,强化科研团队力量,夯实技术创新基础,为区块链技术的广泛应用提供技术保障。

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