关键词:
区块链
共识算法
PBFT
光通信
摘要:
区块链是一种由密码学、点对点网络(Peer-to-Peer Networking,P2P网络)和分散式记录组成的颠覆性技术。由于区块链具有难以篡改、去中心化信任、透明公开和匿名性等优势,受到了政务、金融、民生、供应链、能源等行业的青睐,并逐渐转向光通信、软件定义网络及5G网络等应用领域发展。区块链在数据安全性和隐私性保护等方面具有较好的效果,但传统共识机制存在吞吐量低的缺点,无法满足高频次交易的应用场景。如何有效提升区块链技术在光通信等新型应用场景的共识吞吐量、共识速率及隐私安全性能成为亟待解决的问题。
本文围绕区块链中的共识机制和安全性进行研究,并开展基于区块链技术在光通信系统中的应用方案设计及实验。主要的工作内容如下:
1.设计了一种CRV-PBFT分类信誉价值的共识方案,该方案对节点的类型进行划分,分别为最优节点、次优节点、一般节点和恶意节点,引入时间因子用于评估节点参与共识的行为,并对节点的行为分类后实施奖励与惩罚机制。主节点优先在最优节点的范围进行选取,次优和一般节点依次作为上一级节点的备选节点。同范围内的相同主节点初次共识时,根据节点最佳的硬件资源性能选取。在后续共识中,同范围的相同主节点根据节点的历史诚信次数进行优先选取。此外,CRV-PBFT在实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)基础上简化为两个阶段的共识。仿真结果表明,本方案的CRV-PBFT在平均通信量上分别为PBFT的51.4%,GRBFT的62.4%,SBFT的92.9%,相较于PBFT和GRBFT通信量降低最为明显。而CRV-PBFT的平均吞吐量约为PBFT的3.6倍,直至50个节点时,CRV-PBFT的共识时延降低为PBFT的76.8%。综上,CRV-PBFT能够有效提升吞吐量,降低通信量及共识时延,解决了传统共识算法效率低导致吞吐量不高等问题。
2.设计了一种基于区块链技术的光通信可匿安全传输方案,在Linux系统下,基于ganache(以太坊模拟器)和Python搭建了区块链平台,再结合Optisystem搭建了10Gbit/s正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)相干光通信仿真系统。在区块链中使用环签名和非对称加密算法对数据进行处理,再通过相干光通信系统调制解调后,最后由区块链来验证数据的完整性。仿真结果表明,环签名生成时间为315.26ms,加密的时间为11.22 ms,环签名验证时间为314.79ms,解密时间为5.13 ms。此外,与OCDMA保密通信、量子保密通信、混沌保密通信以及区块链保密通信在数据加密、抗干扰、身份匿名、访问控制以及成本等方面进行性能比较,本方案既兼具安全性和可靠性,又能实现身份匿名和访问控制,提高了光通信系统传输过程中的数据保密性,实现了发送方的身份匿名,接收方可验证数据的真实性,为传统的光通信系统安全可匿传输数据提供了有价值的参考。
3.设计并开展了一种基于区块链技术的光通信可匿安全传输实验,搭建了双偏振正交相移键控(Dual-polarization Quadrature Phase Shift Keying,DP-QPSK)数字相干光通信实验系统,在10.3125Gbit/s传输速率下,分别进行了背靠背及10KM光纤的传输实验。实验结果表明接收端均可正确解码出期望用户数据,且通过解码信号示波器眼图分析可知,两个实验传输无误码,均得到了较好的眼图,眼图较端正,码间串扰小,星座图较端正清晰。因此采用区块链技术的可匿安全光通信系统传输方案的正确及有效性得到了初步验证。