Page 407 - 《软件学报》2026年第4期

1848 软件学报 2026 年第 37 卷第 4 期

程的安全性, 共识机制需要保证共识过程中共识节点身份验证的准确性, 以及共识消息传递的真实性和完整性, 实
现对于诚实节点的共识信息的准确传递.
为衡量轻量共识框架身份验证过程的安全性, 本文对轻量共识框架的 IP 地址身份验证机制进行分析, 认为其
可以保证信任联盟地址域内共识节点身份真实可信. 在轻量共识框架中, 信任联盟地址域间互相协商了独特的对
称密钥, 构成了“对称密钥-地址域”一一对应关系. 因此, 共识节点可以根据其他节点的 IP 地址判断其所在地址域,
进而根据对应关系获得对称密钥. 通过验证共识消息的 HMAC 中所包含的对称密钥, 根据其独特性, 共识节点可
以确认该消息地址域来源是否真实. 在源地址域真实的情况下, 共识节点根据共识消息的源 IP 地址可以确认目标
节点身份, 因为在完全部署真实源地址验证技术的地址域中, 地址域内的其他节点无法假冒该节点的 IP 地址发送
消息. 轻量共识框架的 IP 地址身份验证机制, 通过对称密钥验证源地址域, 通过 IP 地址验证节点身份, 保证地址
域外恶意节点无法获取密钥, 地址域内恶意节点无法假冒 IP 地址, 实现了身份验证准确无误.
为衡量轻量共识框架共识消息的安全性, 本文将轻量共识框架的 IP 地址身份验证机制, 与传统非匿名共识框
架的非对称加密身份验证机制进行了对比, 认为两者在共识消息的安全性上相仿. 如表 1 所示, 在保证共识消息的
完整性上, 传统非匿名共识模型采用哈希进行验证并采用签名保证哈希算法已知时哈希和消息内容不会同时受到
篡改, 基于真实地址的共识模型采用 HMAC 进行验证并保证哈希和消息内容不会受到篡改; 在保证共识消息的真
实性上, 传统非匿名共识模型采用签名进行验证, 基于真实地址的共识模型采用真实 IP 地址进行验证. 因此, 基于
真实地址的共识模型能够在共识过程中保证共识消息的真实性和完整性, 实现与传统非匿名共识相似的安全性.

表 1 共识消息安全性分析

共识机制 共识消息完整性 哈希算法已知时哈希不受篡改 共识消息真实性
传统非匿名共识机制 哈希 非对称加密 非对称加密
基于真实地址的轻量共识机制 HMAC HMAC 真实IP地址

为了分析轻量共识框架在部分部署情况下的安全性, 本文对轻量共识框架的 IP 地址身份验证机制进行分析.
IP 地址身份验证机制对基于签名进行的身份验证进行了兼容处理, 对于完全部署了真实源地址验证技术的地址
域采用 IP 地址身份验证, 对于未部署的地址域采用签名验证. 因此, 共识机制实现了部分部署情况下安全性与签
名验证相仿, 在部分部署情况下也能够达到与签名验证相仿的安全性.

7 原型系统实现与测试
为进一步测量基于真实地址的轻量共识框架的共识效率、共识吞吐与网络信任联盟的激活与动态更新的性
能, 本文对所提出的轻量共识框架进行了原型系统实现并对其进行了测试. 测试结果表明, 本文的基于真实地址的
轻量共识框架相较于常用的基于 ECDSA 和 RSA 的身份验证算法, 通过在共识过程中降低身份验证的开销, 大幅
提升了共识过程的吞吐量.
7.1 原型系统实现
本文使用 Golang 1.17.5 实现了所提出的轻量共识框架的原型系统, 并通过仿真的方式对其进行了测试, 测
试实验参数如表 2 所示. 测试平台为搭载 Intel E5-2650 v4 @ 2.20 GHz 的处理器、377 GB 内存的 Ubuntu 20.04
服务器, 测试中对每个共识节点采用单独的线程进行仿真. 在网络仿真环境构建方面, 本文采用全连接拓扑结构
进行建模, 主要参数设置如下: (1) 节点间通信采用零丢包设置; (2) 节点间单向网络延迟设置为 27.4 ms; (3) 系统
性能指标通过分布式日志采集. 该参数设置依据国内某大型运营商提供的实测数据, 其数据表明在网络正常运
行情况下, 其骨干网 BGP 节点间通讯具有零丢包特征, 且端到端传输延迟均值为 27.4 ms. 测试框架分为节点仿
真模块与网络信任联盟仿真模块, 其中节点仿真模块主要负责模拟节点的行为, 网络信任联盟仿真模块主要负
责模拟共识过程、网络信任联盟的激活与维护过程、地址域间对称密钥的协商过程, 以及地址域内密钥分发的
过程.