面向工业物联网的改进拜占庭容错共识算法

摘要

针对实用拜占庭容错算法应用于工业物联网场景中存在通信开销大、时延高、吞吐量低且节点无法根据场景需求动态调整等问题，提出一种面向工业物联网的改进拜占庭容错共识算法。该算法通过建立节点综合评估模型，从性能、时空稳定度和可信度3个维度对节点进行综合评估，筛选满足场景需求的节点，并进行节点聚类分组，优化聚类中心节点选取方式和节点间距离计算方式，形成双层网络架构。最后，优化系统共识流程，主组使用实用拜占庭容错（Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT）算法，保证主组共识的高可靠性与抗攻击性，从组采用Fast-HotStuff共识算法，加快从组共识，并引入恶意节点检测与视图切换跨层治理机制，提高系统的稳健性和共识效率。实验结果表明，在参与共识节点数为100的情况下，相较于PBFT算法，改进算法通信开销优化了97.1%，平均吞吐量提高了82.9%，平均时延降低了84.8%，适用于不同的工业物联网场景。

关键词

工业物联网 / 区块链 / 聚类算法 / 实用拜占庭容错算法 / 共识算法

基金资助

国家自然科学基金项目（61373116）; 陕西省重点研发计划项目（2025SF-YBXM-528）;陕西省重点研发计划项目（2022GY-038）; 国家级大学生创新创业计划训练项目（202411664067）; 陕西省大学生创新创业计划训练项目（S202411664140）; 西安邮电大学研究生创新基金项目（CXJJYL2024045）