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格拉斯哥学院本科生在计算机科学及工程技术领域Top级期刊发表论文
文:吴迪一 来源:格拉斯哥学院 时间:2023-04-02 5271

  格拉斯哥学院2019级通信工程专业学生李岳泰以第一作者的身份撰写论文“RAFT Consensus Reliability in Wireless Networks: Probabilistic Analysis”,并于2023年2月被计算机科学及工程技术领域Top级期刊IEEE Internet of Things Journal接收(SCI一区,影响因子10.24)。

  随着网络规模和异构性增加,中心化系统因其内在的单点故障问题而变得不够高效、安全和可靠。分布式共识机制具有分散化、自治、并行化和容错性等特点,可以满足关键互联系统中安全性不断增长的需求。容错性是CFT共识算法最重要的特征。对于大多数CFT共识算法,需要超过一半的节点存活才能确保达成共识。然而,由于不可避免的自然损坏、子系统故障、有限的寿命、不足的能源补给和干扰器攻击,连接的节点易崩溃。如果超过一半的节点崩溃,则无法达成共识。此外,分布式共识最初是在稳定的有线通信网络中设计的,通信故障引起的性能降级可以忽略不计。然而,为了支持大规模系统并允许物联网设备和其他客户端之间的连接,在共识操作中必须使用无线通信。无线IoT网络可能会由于开放的无线信道中的信道衰落或频谱干扰而遭受各种程度的传输链路故障。由于共识协议依赖于信息交换,链路故障可能会导致共识交易失败。

  本文针对一种代表性的容错分布式共识协议RAFT,建立了一种节点和链路故障的概率性失效模型,推导了共识可靠性的概率密度函数和平均值等分析结果。提出了两个重要的可靠性性能指标——可靠性增益和容错增益,用于指示共识可靠性与两个网络基本参数之间的线性关系,即联合故障率和最大容错节点数,为快速部署RAFT系统提供理论指导。此外,本文还对已经存在一定数量故障的分布式共识网络及其不利影响进行了评估。本文提出的马尔科夫概率模型、可靠性增益和容错增益的定义以及分析方法可以扩展应用到其他分布式共识系统中。

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图1 对于固定的共识失败率的对数,共识网络规模N和联合失败率的对数的关系 2.png

图2:当节点可靠性和链路可靠性分别为均匀分布时,为截断高斯分布时,以及指数分布时,共识失效率H的概率密度函数

  图1展示了通过计算可靠性增益和容错增益的帮助,可以快速计算出对于总节点数和联合可靠性的安排,以满足系统中严格的可靠性要求。值得注意的是,如果这两个因素中的一个被固定,失败共识率的对数的均值将与另一个因素呈线性关系。图2展示了在独立同分布的假设下的对数共识失效率H的概率密度函数,其中节点可靠性和链路可靠性的概率密度函数分别为均匀分布、截断高斯分布和指数分布。保留的幂级数定理的首非零项的近似结果与实际结果非常接近。此外尽管节点可靠性和链路可靠性的概率密度函数不同,但对数共识失效率H的数值结果始终近似于高斯分布。

  IEEE Internet of Things Journal是物联网领域的权威期刊之一,涵盖物联网的各个方面,包括硬件、软件、通信、安全、数据分析等,发表在该期刊上的论文具有重要的理论价值和工程意义。

  李岳泰同学从大二开始加入格拉斯哥大学张磊教授的可信系统团队,积极开展科研工作,已发表一篇SCI一区一作,两篇SCI三区一作,一篇CCF B类会议。目前,李岳泰同学已拿到剑桥计算机科学的直博和华盛顿大学电子计算机工程的全奖直博。


  论文链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/10071537


编辑:助理编辑  / 审核:林坤  / 发布:陈伟

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