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本书重点阐述了区块链数据通信性能优化问题。本书从提升数据通信的效率，确保传输的可靠性，改善服务的公平性三方面进行阐述，在节点通信能力、信任度、权值、服务请求优先级等多个影响因素的约束下，首先从通信拓扑结构和通信机制角度优化通信性能，构建了多连接并发通信树模型，在此基础上，针对不同的应用需求和场景，提出了多个区块链数据通信算法对区块链通信性能进行优化，具体包括考虑节点信任度的区块链通信算法、考虑权值的多因子区块链通信算法、考虑节点失效的区块链通信算法和考虑节点服务优先级的区块链通信算法。从理论证明和仿真实验对算法的正确性和有效性进行验证。

第1章  区块链技术概述	1
1.1  区块链发展历程	2
1.1.1  区块链的起源	2
1.1.2  区块链构建价值互联网	3
1.1.3  区块链发展的三个阶段	5
1.1.4  区块链国内外研究现状	5
1.2  区块链基本概念	8
1.2.1  区块链的定义	8
1.2.2  区块链的特点	8
1.2.3  区块链的分类	10
1.3  区块链运作原理	10
1.4  区块链架构	12
1.5  区块链的关键技术	19
1.5.1  P2P网络	19
1.5.2  加密技术	21
1.5.3  共识机制	21
1.6  区块链数据通信问题	22
1.7  章节内容及全书框架	26
参考文献	30
第2章  区块链数据通信模型构建	35
2.1  引言	36
2.2  区块链数据通信拓扑结构	39
2.2.1  三种通信结构	39
2.2.2  树形通信结构及优点	41
2.3  并发通信机制及通信规则	43
2.4  性能评价指标及通信树特点	44
2.4.1  性能评价指标	44
2.4.2  通信树特点	46
2.5  多连接并发通信树模型	47
2.6  模型性能分析	49
2.6.1  通信结构性能比较	49
2.6.2  并发通信效率分析	51
2.6.3  节点使用率性能指标分析	51
2.7  模型特点	55
2.8  本章小结	57
参考文献	58
第3章  区块链通信影响因子分析	61
3.1  引言	62
3.2  节点通信连接数	64
3.2.1  节点通信连接数的含义	64
3.2.2  节点通信连接数的相关定义	64
3.3  节点信任度	65
3.3.1  节点信任度概念及相关定义	65
3.3.2  基于AHP的直接信任度	70
3.3.3  推荐信任度	77
3.3.4  综合信任度	78
3.3.5  基于时间帧的信任更新策略	78
3.3.6  节点信任度初始化	79
3.3.7  节点信任度区间及分类	80
3.4  节点服务优先级	83
3.5  通信权值	85
3.5.1  通信权值的含义	85
3.5.2  通信权值的度量	86
3.6  本章小结	89
参考文献	90
第4章  区块链数据通信性能优化策略	93
4.1  引言	94
4.2  考虑节点通信连接数的区块链通信算法	96
4.2.1  研究假设与约定	96
4.2.2  通信树表示方法	98
4.2.3  算法描述	99
4.2.4  理论证明及分析	101
4.2.5  仿真实验及通信性能评价	102
4.2.6  算法研究结论	106
4.3  考虑节点信任度的区块链通信算法	106
4.3.1  问题描述	106
4.3.2  相关定义	110
4.3.3  算法描述	112
4.3.4  理论证明及分析	115
4.3.5  仿真实验及通信性能评价	118
4.3.6  算法研究结论	124
4.4  考虑权值的多因子区块链通信算法	125
4.4.1  问题描述	125
4.4.2  MMWT算法描述	128
4.4.3  实例构造	131
4.4.4  仿真实验及通信性能评价	133
4.4.5  算法研究结论	140
4.5  考虑节点服务优先级的区块链通信算法	141
4.5.1  问题描述	141
4.5.2  IOT算法描述	142
4.5.3  通信树队列调整比率寻优	146
4.5.4  仿真实验及通信性能评价	148
4.5.5  算法研究结论	153
4.6  本章小结	154
参考文献	155
第5章  考虑节点失效的区块链通信算法	161
5.1  引言	162
5.1.1  区块链中节点行为特征分析	164
5.1.2  按传输角色节点分类	166
5.2  算法描述	167
5.2.1  失效节点检测方法	167
5.2.2  通信树构造	168
5.3  理论证明与分析	170
5.4  仿真实验	172
5.4.1  不同比例失效节点对通信性能影响	172
5.4.2  不同节点失效对通信性能影响	177
5.5  本章小结	179
参考文献	180
第6章  总结与展望	183
6.1  总结	184
6.2  展望	187

前言

随着经济全球化的持续发展，企业向着跨地域、跨国界方向发展，企业数据分布式管理成为必然趋势。企业数据量日益增长，传统的集中式数据管理导致中心节点负荷重，容易引起中心节点故障而出现全网瘫痪现象。企业越来越倾向于根据实际业务需求将数据分布式存储在各个站点。然而，数据分布式存储带来站点间数据协作交互困难、通信效率低、可靠性差等问题，严重影响着企业获取数据的响应速度和时效性。企业寻求一种更有效的方式解决分布式数据管理所面临的问题。区块链（Blockchain）是支撑管理信息系统发展的新兴信息技术之一，它为分布式数据的存储、验证、传递和交流提供了一种解决方案。
近年来，区块链技术受到人们的关注，区块链在各个行业的巨大潜力被逐步挖掘，区块链的研究和应用呈现迅猛的发展势态。区块链技术具有去中心化、数据不可伪造、不可篡改、去信任化、低运营成本的特点，使其在数字货币、金融证券、资产管理、交易支付领域凸显广阔的应用前景。与强烈的市场应用需求相比，区块链的基础理论研究相对滞后。各大学术检索机构的搜索关键词为“区块链”的文献并不多，可见区块链技术作为新技术，还处于萌芽阶段，其基础理论需要进一步完善。目前，比特币区块链交易确认共识达成的时间周期为10分钟左右，其处理业务能力只有每秒8笔，这显然不适合大规模交易频繁的商业级应用。如何缩短交易验证时间、提高交易验证效率，这些都是影响区块链应用推广的重要因素。因此采用何种方法有效组织节点进行交易验证，以达到缩短区块数据交易确认时间，提高区块链业务处理能力是区块链研究领域的关键问题之一。本书重点解决区块链交易验证中数据通信性能优化问题。
区块链从本质上讲是一种去中心化的P2P计算模式。作者从2005年开始研究P2P通信算法，已经进行了10余年。在陕西省自然科学基金、陕西省科技攻关项目、陕西省教育厅专项科技计划的资助下，对P2P通信算法的网络拓扑结构、通信机制、通信影响因子、通信树构造进行了深入的研究。而近两年兴起的区块链技术正是采用P2P网络结构，长期研究的P2P通信算法可为区块链交易验证提供路由选择策略，为区块链技术实施落地提供理论参考。早在2008年已经有比特币，然而区块链技术是近两年才真正被重视起来的。作者在2015年较早关注区块链技术，读博期间重点研究区块链数据通信。本书正是这些研究工作的一个小结。
本书重点讨论区块链数据传输性能优化问题，分为6章。第1章对区块链技术进行概述，通过对比特币区块链交易验证流程分析，提出区块链数据通信所要解决的问题。第2章从通信拓扑结构和通信机制的角度出发，构建了适合区块链数据传输的模型。第3章分析了区块链通信影响因子并给出节点通信连接数、节点信任度、服务请求优先级、权值的表示方法及度量方法，为后续区块链通信算法研究奠定基础。第4章从提升数据通信的效率、确保传输的可靠性、改善服务的公平性三方面进行研究，在节点通信能力、节点信任度、权值、服务请求优先级等多个影响因素的约束下，提出了不同的区块链数据通信性能优化策略，包括考虑节点通信连接数的区块链通信算法，考虑节点信任度的区块链通信算法，考虑权值的多因子区块链通信算法和考虑节点服务优先级的区块链通信算法。第5章针对区块链节点失效这一特例，研究了考虑节点失效的区块链通信算法。第6章总结了全书的内容，对有待进一步研究的问题进行了展望。
在本书完成的过程中，得到了梁工谦教授、刘天时教授的指导与帮助，他们对本书的内容提出了很多宝贵的意见，在此表示衷心的感谢。本书由西安石油大学优秀学术著作出版基金资助出版。
由于作者水平有限，书中所存不妥之处，敬请专家和读者批评指正。

作者
2018年6月

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