2024年3月16日发(作者：)

2023年5月1日

第46卷第9期

现代电子技术

ModernElectronicsTechnique

May2023

Vol.46No.9

引用格式：商广勇，赵钦，陆冬妮，等.基于动态分组的主流区块链PoS共识算法研究[J].现代电子技术，2023，46（9）：87⁃90.

DOI：10.16652/.1004⁃373x.2023.09.017

87

基于动态分组的主流区块链PoS共识算法研究

2

商广勇

1，

，赵钦

3

，陆冬妮

3

，彭新永

3

250101；

530028）

（1.山东大学，山东济南250100；2.浪潮云洲（山东）工业互联网有限公司，山东济南

3.广西壮族自治区信息中心，广西南宁

摘要：共识算法是区块链技术的核心，其应用直接关系到该技术的上链质量和效率。在共识算法中，一旦权益最高

的节点出现问题，容易造成上链停滞。为此，研究了基于动态分组的主流区块链PoS共识算法。选择节点影响因素并进行

量化和标准化，利用层次分析法计算每个节点影响因素的权重，将影响因素量化值与权重相乘得到节点重要性，通过与阈值

对比，实现节点的动态分组。将分组结果加入PoS机制中，对区块数据打包，在见证人节点的广播下，获得其他节点的共识，

完成区块认证和上链。结果表明：在所研究算法应用下，资源消耗量更小、容错概率更大、共识时延更少，能够有效提高区块

链技术的应用效果。

关键词：PoS共识算法；主流区块链；动态分组；影响因素；权重计算；区块链技术

中图分类号：TN919⁃34；TP393文献标识码：A文章编号：1004⁃373X（2023）09⁃0087⁃04

ResearchonmainstreamblockchainPoSconsensusalgorithmbasedondynamicgrouping

（ngUniversity，Jinan250100，China；Yunzhou（Shandong）IndustrialInternet，Jinan250101，China；

ationCenterofGuangxiZhuangAutonomousRegion，Nanning530028，China）

SHANGGuangyong

1，2

，ZHAOQin

3

，LUDongni

3

，PENGXinyong

3

Abstract：Theconsensusalgorithmisthecoreofblockchaintechnology，anditsapplicationisdirectlyrelatedtothe

onsensusalgorithm，oncethenodewiththehighestinteresthas

problems，ore，themainstreamblockchainPoSconsensusalgorithmbasedon

influencingntizedvalueofinfluencingfactors

luencingfactorsofnodesareelected，quantifiedandstandardized，andtheweightof

ismultipliedwiththeweighttogetthenodeimportance，andthedynamicgroupingofnodesisrealizedbycomparingwiththe

upingresultsareaddedtothePoSmechanism，andtheblockdataispackedtoobtaintheconsensusofother

nodesunderthebroadcastofthewitnessnode，ultsshowthat，

withtheapplicationofthestudiedalgorithm，theresourceconsumptionissmaller，thefaulttoleranceprobabilityisgreater，and

theconsensusdelayisless，whichcaneffectivelyimprovetheapplicationeffectofblockchaintechnology.

blockchaintechnology

Keywords：PoSconsensusalgorithm；mainstreamblockchain；dynamicgrouping；influencefactor；weightcalculation；

0引言

一种基于PoC+PoW的共识算法，利用PoW对PoC进行

改进，弥补PoC存在的缺陷，然而这种方法的请求响应和

处理时间较长，且运行成本较高。文献[5]提出了一种

基于DS⁃PBFT的共识算法，采用Grouping算法计算节点

之间的距离，将距离较近的节点划分为一组，再利用

PBFT对请求进行共识协商，协商成功后进行数据打包

时延，但是对错误情况的容忍程度较低。针对上述情

况，为进一步提高区块链技术的共识能力，本文研究基

于动态分组的主流区块链PoS共识算法。

存储。该算法能够极大降低节点间的通信代价和共识

区块链技术是应对大数据安全问题而提出的一种

新的存储方式，它将数据分为多个区块，然后存储在多

个数据库中

[1⁃3]

。区块链的实现是多个技术共同协作的

结果，共识机制是其中的核心。只有通过共识认证的区

块，才被允许同步到区块链网络中各节点链上。

目前关于共识算法的研究有很多，文献[4]提出了

收稿日期：2022⁃10⁃10修回日期：2022⁃10⁃26

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88

现代电子技术

2023年第46卷

1主流区块链PoS共识机制

区块链技术的应用需要使各节点的数据记录一

为便于模型训练，将量化后影响因素统一缩放至

[0，1]，公式如下：

x

i

=

ˉ

x

i

-x

a

致

[6]

。PoS即为权益证明共识算法，该算法的资源消耗

低、但容错能力低、共识达成时间长

[7]

。为此，本文研究

了基于动态分组的主流区块链PoS共识算法，通过对节

点的动态分组来弥补PoS共识算法存在的缺陷，进一步

提高该算法的性能。

1.1

节点重要性受到多种因素影响，仅凭一种因素来判

[8⁃10]

（1）

x

i

代表缩放后第

i

个离散因素的量化值；

x

i

代表缩

式中：

ˉ

代表平

a

代表方差；

x

放前第

i

个离散因素的量化值；

均值。

针对近似正态分布因素，采用下述公式进行标准

化，将其统一缩放至[0，1]。

s

i

=

s

i

⋅e

b

-

基于节点重要性的动态分组研究

(

s

i

-c

)

2b

2

2

定节点是否重要会缺乏客观性

所示。

。为此，选取节点重

要性影响因素，采用DEMATEL法进行指标选取，如图1

2π

（2）

式中：

s

i

代表缩放后第

i

个近似正态分布因素的标准化

s

i

代表原始第

i

个近似正态分布因素的标准化值；

b

值；

代表方差；

c

代表标准差。

通过上述处理后，所有节点重要性影响因素值均分

布在[0，1]区间。

接着针对选出的节点重要性影响因素研究，利用层

次分析法计算影响因素的权重，如图2所示。

图1节点重要性影响因素选取结果图

图1中，性质可分为近似正态分布和离散，不同性

质无法同步用于节点重要性评估。为此，需要对影响因

素进行标准化处理。针对离散因素进行量化，如表1

所示。

表1离散因素量化表

因素

参与共识次

数（/区间/次）

节点离线时

长（/区间/h）

网络延迟时

长（/区间/ms）

节点在线时

长（/区间/h）

节点离线次

数（/区间/次）

投票选举的

次数（/区间/次）

量值

是否提供无效区块

量值

0~10

0~1

0~20

0~5

0

0~20

1

是

1

10~30

1~3

20~40

5~10

0~3

20~40

2

否

-1

量化标准

30~50

3~6

40~60

10~15

3~5

40~60

4

—

—

50~8080~100

6~99~12

>100

>12

>100

>30

>10

>100

10

—

—

图2节点重要性影响因素权重计算流程

60~8080~100

15~20

5~8

20~30

8~10

将上述权重与影响因素的标准化量值相乘，计算得

出节点重要性，公式如下：

é

w

1

ù

ê

w

2

ú

Y=

êú

⋅

[

p

1

⋮

êú

ë

w

n

û

p

2

…p

n

]

（3）

60~8080~100

6

—

—

8

—

—

Y

为节点重要性；

p

i

为第

i

个影响因素的标准化值；

式中：

w

i

为第

i

个影响因素的权重；

n

为节点数量。

针对计算的节点重要性，比较设定的阈值，将重要

性大于阈值的节点划分为见证人节点，将重要性小于阈

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第9期

商广勇，等：基于动态分组的主流区块链PoS共识算法研究

89

值的节点划分为候选见证人节点，分别记为：

Q=

{

q

1

,q

2

,⋯,q

m

}

U=

{

u

1

,u

2

,⋯,u

n-m

}

经过上述步骤，完成基于动态分组的主流区块链

（4）

PoS共识算法研究。

经过上述过程，完成节点的动态分组。当见证人节

点集合中某一个节点出现问题，无法正常记账，就需要

在候选见证人节点集合中利用PoD投票策略，推举出一个

信誉度最好的节点进入见证人节点集合中，弥补其空

缺，这样能够极大避免记账空缺，有效避免了上链停滞

引起的共识时延问题。

1.2

在完成节点动态分组的基础上，进行主流区块链

主流区块链PoS共识算法

2算法应用效果分析

为验证所研究算法的应用性，由20个节点搭建形

成一个区域链，以此为基础，将3个大数据集同步到区

块链上，形成测试环境。

2.1

在影响因素量化的基础上，计算影响因素权重，获

节点分组结果

得节点重要性，计算结果如表2所示。

表2节点重要性计算结果表

节点

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

重要性

0.8225

1.2232

1.4133

0.6157

0.5844

0.4225

1.3623

1.2580

0.5662

0.4552

节点

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

重要性

0.2362

0.4155

0.8473

1.2247

1.5566

0.5663

0.6325

0.7852

0.8223

1.1533

PoS共识算法研究，将区块同步到区块链网络环境中各

节点链上。具体过程如下：

构形式如图3所示。

步骤1：将大数据划分为若干个区块，每个区块结

设置节点重要性阈值为1.0，从表2中可以看出，见

证人节点有7个，候选见证人节点有13个。

图3区块结构形式

2.2

步骤2：将选出的见证人节点加入PoS机制中。

步骤3：在见证人节点集合中选择一个权益最大的

节点。权益计算公式如下：

R

i

=r

i

⋅L

i

针对所研究算法，将资源消耗量、容错概率以及共

1）资源消耗量：是指算法应用下通信资源消耗量

H=h

1

+h

2

算法评价指标

识时延（出块时间）作为测试指标。

占比以及存储资源消耗量占比的总和，计算公式如下：

（5）

r

i

为第

i

个节点的持币量；

L

i

为第

i

个节点的持币

式中：

时间。

步骤4：权益最大的见证人节点对区块进行打包。

步骤5：权益最大的见证人节点向区块链网络中的

其他节点进行区块广播。

步骤6：其他节点对该区块利用门限签名对区块的

有效性进行验证。当达成一致认为区块有效时，见证人

节点将获得的系统奖励依据边际贡献，合理地分配给所

有投赞成票的节点，并进行下一步；否则，重新选取见证

人节点打包区块，即回到步骤3。

步骤7：将达成一致共识后的区块同步到区块链网

络环境中各节点链上。

h

1

代表区块链节点终端通信资源消耗量占比；

h

2

式中：

（6）

代表区块链节点终端存储资源消耗量占比。

达成共识的效率。时延越小，则交易被确定的时间越

短，出块速度越快。计算公式如下：

f

1

代表区块执行完成的时间；

f

2

代表交易写入区块

式中：

F=f

1

+f

2

2）共识时延（出块时间消耗）：反映了算法应用下

（7）

的时间。

算公式如下：

3）容错概率：反映了对错误情况的容忍程度，其计

K=max

(

NM

)

×100%

（8）

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90

总数，这里取值为20。

2.3

现代电子技术

2023年第46卷

N

代表不中断共识流程的节点数量；

M

代表节点式中：

共识算法应用效果分析

3结语

目前大数据存储多数呈电子数字化形式，虽然利用

方便但容易发生窃取和篡改问题。区块链技术的出现

和应用为该问题提供了解决思路。其中，共识算法作为

核心，起到了重要的作用。在此背景下，本文研究了基

于动态分组的主流区块链PoS共识算法。根据节点重

要性进行了分组，以分组结果为基础，运行PoS共识算

法，实现区块上链。在算法应用下进行了性能测试，通

过资源消耗量、容错概率以及共识时延（出块时间）3个

测试指标的对比，证明了本文算法的性能。

注：本文通讯作者为赵钦。

参考文献

将3个大数据集按照图3形式划分为多个区块，然

后运行本文算法、文献[4]算法和文献[5]算法，进行区块

上链。统计上链过程中算法应用下的资源消耗量、容错

概率以及共识时延，结果如图4、图5和表3所示。

[1]谭春桥，杨慧娟，易文桃.基于纳什谈判的共享经济区块链网

229.

络PoS共识传播博弈分析[J].控制与决策，2022，37（1）：219⁃

图4不同算法的资源消耗量对比图

[2]王群，李馥娟，倪雪莉，等.区块链共识算法及应用研究[J].计

算机科学与探索，2022，16（6）：1214⁃1242.

[3]缪文豪，王健翔，郑朝晖.基于区块链和多因子结合的身份认

证方案[J].计算机仿真，2022，39（5）：402⁃408.

[4]何泾沙，张琨，薛瑞昕，等.基于贡献值和难度值的高可靠性区

块链共识机制[J].计算机学报，2021，44（1）：162⁃176.

法[J].小型微型计算机系统，2022，43（3）：506⁃513.

[5]朱海，金瑜.DS⁃PBFT：一种基于距离的面向区块链的共识算

[6]刘云，马儀，田地，等.可信激励算法对区块链移动节点共识优

化研究[J].四川大学学报（自然科学版），2022，59（6）：68⁃76.

[7]陈友荣，章阳，陈浩，等.面向车联网异构节点的区块链高效一

图5不同算法的容错概率对比图

表3不同算法的共识时延对比表

不同算法

本文算法

文献[4]算法

文献[5]算法

大数据集1

15.25

18.36

21.32

大数据集2

15.62

18.62

11.27

致性共识算法研究[J].电子与信息学报，2022，44（1）：314⁃323.

PBFT[J].计算机应用，2021，41（3）：756⁃762.

计算机应用研究，2022，39（1）：1⁃8.

ms

[8]刘宇，朱朝阳，李金泽，等.检测型的联盟区块链共识算法d⁃

[9]邓小鸿，王智强，李娟，等.主流区块链共识算法对比研究[J].

[10]朱小强，郑明辉，乔译萱，等.一种基于可验证秘密共享的区

（2）：215⁃221.

[11]拜亚萌，邓小鸿.基于区块链的分布式节点访问风险预警系

统设计[J].现代电子技术，2020，43（13）：69⁃72.

子技术，2021，44（4）：133⁃137.

[12]张辰，马素刚，李宥谋，等.基于区块链的医疗系统[J].现代电

[13]方世敏，朱建华.高效区块链用户隐私数据网故障溯源算法

研究[J].现代电子技术，2022，45（2）：162⁃166.

大数据集3

14.33

13.55

10.57

块链共识算法[J].中南民族大学学报（自然科学版），2022，41

从图4、图5和表3中可以看出：与文献[4]算法、文

献[5]算法相比，本文算法应用下，资源消耗量更小、容错

概率更大、共识时延更少，由此说明，本文算法能够以更

小的消耗、更快的速度、更加可靠地完成区块上链任务，

提高了区块链技术的应用效果。

作者简介：商广勇（1982—），男，山东济南人，研究生在读，中级工程师，研究方向为区块链、云计算、大数据、人工智能、工业互联网。

赵钦（1981—），男，河南襄城人，硕士，高级工程师，主要从事应用经济、数字经济运行分析、大数据发展研究。

陆冬妮（1991—），女，壮族，广西南宁人，工程师，研究方向为数据发展研究、大数据应用。

彭新永（1976—），男，江西余干人，硕士，正高级经济师，主要从事数字化研究、数字经济、大数据发展研究。

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