CN110233802A - 一种构建一主链多侧链的区块链架构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种构建一主链多侧链的区块链架构的方法，所述方法包括以下步骤：基于区块Merkle Tree、访问Merkle Tree以及状态Merkle Tree建立主链与初始侧链之间的索引信息；当访问量超过初始侧链访问量的最大限制时，对初始侧链进行创建；矿工节点的接收与分发处理；基于Actor集群的并发处理；在同层侧链之间构建适配模块用于同层跨链交互通信；对不同层的侧链之间，通过主链为出块慢的侧链提供担保，实现不同层跨链交互通信。本发明能够有效提高区块链架构的可扩展性用于解决网络拥堵问题，保证各类生产数据的快速传输。

Description

一种构建一主链多侧链的区块链架构的方法

技术领域

本发明涉及区块链架构领域，尤其涉及基于侧链技术的构建一主链多侧链的区块链架构的方法。

背景技术

区块链技术有很多特点及优点，其中包括：去中心化、开放性、可编程和不可篡改等。区块链的去中心化是指数据的存储、验证和传输均是由分布式的网络节点来完成，系统中节点的权利和义务都是均等的，不依赖于中心的管理节点。无论是新的节点加入到系统中，还是系统原有节点突然停止工作，都不会影响系统的整体运作，从而能够实现数据的分布式记录、存储和更新。

但是，网络数据传输迟缓甚至拥堵，导致网络性能的急速下降，是经常遇到的问题。这类故障严重影响了企业中的各类生产数据的正常传输，是必须要尽快解决的。

发明内容

本发明提供了一种构建一主链多侧链的区块链架构的方法，本发明能够有效提高区块链架构的可扩展性用于解决网络拥堵问题，保证各类生产数据的快速传输，详见下文描述：

一种构建一主链多侧链的区块链架构的方法，所述方法包括以下步骤：

基于区块Merkle Tree、访问Merkle Tree以及状态Merkle Tree建立主链与初始侧链之间的索引信息；

当访问量超过初始侧链访问量的最大限制时，对初始侧链进行创建；

矿工节点的接收与分发处理；基于Actor集群的并发处理；

在同层侧链之间构建适配模块用于同层跨链交互通信；对不同层的侧链之间，通过主链为出块慢的侧链提供担保，实现不同层跨链交互通信。

其中，所述基于区块Merkle Tree、访问Merkle Tree以及状态Merkle Tree建立主链与初始侧链之间的索引信息具体为：

配置主侧链的节点网络通信参数，包括：IP地址、通信端口号、SSL安全证书；

主链节点通过RPC初始侧链读取区块及访问信息，基于所有初始侧链的信息生成区块Merkle Tree、访问Merkle Tree以及状态Merkle Tree；

主链新区块的区块头记录上述Merkle Tree根，当主链产生新区块时会通知被索引的初始侧链；

当初始侧链接收到主链新区块的生成消息，记录这一区块高度，更新索引信息。

进一步地，所述当访问量超过初始侧链访问量的最大限制时，对初始侧链进行创建具体为：

1)侧链创建者需要发送一笔访问到初始侧链用于创建管理合约，根据初始侧链提供的侧链ID创建一条新侧链，此时新侧链处于未激活挂起状态；

2)由矿工或者Token所有者发起一轮新访问，如果超过初始侧链访问量的最大限制，执行新侧链的注册工作，如果没有超过初始侧链访问量的最大限制，则新侧链创建失败、创建任务终止；

3)新侧链的注册将由侧链提供的服务完成注册，注册成功后该新侧链才能够真正开始运行并被主链索引；

4)侧链创建者将发起弃用当前侧链请求，终止服务请求完成之后主链将停止当前侧链的索引工作。

其中，所述矿工节点的接收与分发处理具体为：

1)网络中的矿工节点接收从用户发过来的访问，并接收服务处理访问请求，依据当前访问的侧链ID将访问放入不同的侧链访问队列中；

2)每条侧链都有对应worker负责该侧链上访问的处理，侧链从访问池中按照顺序取出一定数量的访问，发给自己相对应的worker；

3)每个矿工节点都有自己的worker组，负责本节点访问的处理，组中worker的数量会根据访问池中待处理访问的数量动态调整，worker组处理完访问后，将计算结果以及错误的访问返回给侧链，供新侧链区块使用。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明在各侧链合约上的访问是并行处理的，随着智能合约数量增量即侧链数量的增加，区块链架构的访问吞吐量会稳步提升；

2、在本实验的机器配置下，当侧链数量为3的时候区块链架构的访问吞吐量达到最高，大约有4736笔访问/每秒，是单链区块链架构的3倍左右，很大程度上解决了网络拥堵问题。

附图说明

图1为一种构建一主链多侧链的区块链架构的方法的示意图；

图2为多级侧链结构的示意图；

图3为矿工节点基于Actor的集群示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

为了实现上述目的，本发明实施例提出了一种构建一主链多侧链的区块链架构的方法，参见图1，该构建方法包括以下步骤：

101：基于区块Merkle Tree、访问Merkle Tree以及状态Merkle Tree建立主链与初始侧链之间的索引信息；

102：当访问量超过初始侧链访问量的最大限制时，对初始侧链进行创建；

103：矿工节点的接收与分发处理；

104：基于Actor集群的并发处理；

105：在同层侧链之间构建适配模块用于同层跨链交互通信；对不同层的侧链之间，通过主链为出块慢的侧链提供担保，实现不同层跨链交互通信。

在一个实施例中，步骤101基于区块Merkle Tree、访问Merkle Tree以及状态Merkle Tree建立主链与初始侧链之间的索引信息，具体步骤如下：

1)首先需要配置主侧链的节点网络通信参数，包括：IP地址、通信端口号、SSL安全证书等；

2)主链节点通过RPC(Remote Procedure Call)初始侧链读取区块及访问信息，基于所有初始侧链的信息生成区块Merkle Tree、访问Merkle Tree以及状态Merkle Tree；

3)主链新区块的区块头记录上述Merkle Tree根，当主链产生新区块时会通知被索引的初始侧链；

4)当初始侧链接收到主链新区块的生成消息，记录这一区块高度，更新索引信息。

在一个实施例中，步骤102中的对初始侧链进行创建的步骤具体为：

1)首先侧链创建者需要发送一笔访问到初始侧链用于创建管理合约，根据初始侧链提供的侧链ID创建一条新侧链，此时新侧链处于未激活挂起状态；

2)由矿工或者Token所有者发起一轮新访问，如果超过初始侧链访问量的最大限制(总访问量的80％)，则执行新侧链的注册工作，如果没有超过初始侧链访问量的最大限制，则新侧链创建失败、创建任务终止；

3)新侧链的注册将由侧链提供的服务完成注册，注册成功后该新侧链才能够真正开始运行并被主链索引；

4)如果当前侧链由于某种原因(拥堵或者访问完成)需要终止服务，为了节省计算时间和存储资源，侧链创建者将发起弃用当前侧链请求，终止服务请求完成之后主链将停止当前侧链的索引工作。

在一个实施例中，步骤103是矿工节点接收分发处理的过程，包括以下几个步骤：

1)网络中的矿工节点接收从用户发过来的访问，并接收服务处理访问请求，然后依据当前访问的侧链ID将访问放入不同的侧链访问队列中；

2)每条侧链都有对应worker负责该侧链上访问的处理，侧链从访问池中按照顺序取出一定数量的访问，发给自己相对应的worker；

3)每个矿工节点都有自己的worker组，负责本节点访问的处理，组中worker的数量会根据访问池中待处理访问的数量动态调整。worker组处理完访问后，将计算结果以及错误的访问返回给侧链，供新侧链区块使用。

其中，步骤104中Actor会对接收到的消息进行处理并在本地做出决策，可以创建更多的Actor或者发送更多消息给其他Actor。

在一个实施例中，步骤105中会为每层侧链提供一个专有的适配模块，同层的侧链之间通过这个适配模块来进行跨链交互。

其中，该适配模块具体为：同侧链进行交互的接口。

另一种方案是跨层的担保机制，对于不同层的侧链间跨链交互，为了保持各节点的一致性，主链为出块较慢的侧链作担保。

综上所述，本发明实施例能够有效提高区块链架构的可扩展性用于解决网络拥堵问题，保证各类生产数据的快速传输。

实施例2

下面结合具体的计算公式、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

本发明实施例主要从两个方面对侧链并行处理性能及可扩展性进行测试，第一个是基于侧链的访问并行化处理的效率实验，基于侧链的访问并行处理过程，并依据此过程来设计实验的具体实施步骤，包括：

201：在实验中会为每个合约生成一组固定数量的随机访问，通过程序计时器计算出系统处理完所有的访问所需要的时间，每组访问数据重复执行10次，计算平均的时间，由此计算出区块链系统的综合访问吞吐量；

其中，在对比实验中单链和多链两种情况都是使用的同一台机器测试的，保证了对比实验中计算资源的一致性。

202：测试单链多合约与一链一合约两种情况下合约间访问处理效率影响的实验；

在传统的单链区块链系统中经常会出现访问拥堵情况，由于某种原因区块链上的某一个合约的访问突然增多，同一链上别的合约调用的响应速度也会受到很大影响，从而导致整个区块链系统的拥堵，用户的体验非常受影响。

本发明实施例提出的区块链系统基于一主链多侧链的架构设计，各侧链的资源是隔离的，矿工能够并行的处理各侧链上的访问，每条侧链都会有相应的Worker来处理该链上的访问，一条侧链上的访问处理不会直接影响到另一条侧链，而且对于一些特殊的侧链还可以由一群专门的矿工节点来维护。

实验中在单链和多链情况下各部署两个智能合约，分别表示为A合约和B合约，设置B合约上的访问数量是一定的，动态调整A合约的访问数量，通过程序计时器计算B合约上访问处理所需时间并计算访问吞吐量。实验中运行区块链的环境是一样的，保证对比实验使用同样的计算资源。

203：实验中区块链测试程序主要分为以下几个具体步骤：

1)首先初始化区块链系统的相关服务，包括链创建服务(chainCreationService)、智能合约服务(smartContractService)、账户管理服务(accountContextService)、并行处理服务、日志服务等，这些Service将为之后的步骤服务，并设置系统的全局状态；

2)根据程序运行传入的参数，创建一定数量的侧链，并在侧链上部署已经设计编写好的的智能合约，实验中使用的智能合约是简单的Token合约，然后生成一定数量测试账户地址，并在部署完成的智能合约上进行账户的初始化，即每个账户地址存入一定数量的Token；

3)根据程序传入的参数及上一步中生成的测试账户地址和合约地址创建一定数量的随机转账访问，并使用分组程序将生成的访问根据侧链ID进行分组；

4)为了验证访问在合约上是否正确执行，需要对比访问执行前后账户上的Token数量变化，获取每个账户在各合约上的账户Token数量，并根据访问集合计算访问执行后的期望结果；

5)开启程序计时器，由并行处理服务将分组完成的访问按照侧链ID分发给专门Worker执行，等待访问执行完成后，停止程序计时器，查看返回结果判断访问是否都正确执行，再次获取当前每个账户在各合约上的账户Token数量并与上一步计算的期望结果对比，如果账户地址Token数与预期相同说明访问执行成功，否则访问执行失败并重新尝试此步骤；

6)多次重复4)、5)步骤，记录访问执行成功的合约数量、访问数量、程序消耗时间等实验数据，并计算系统的访问吞吐量及加速比。

在高性能计算系统中并行加速比是最常用的度量其计算性能指标之一，加速比是反映计算机系统在运行并行程序时系统的并行计算能力发挥的程度，它与程序的算法、计算机的硬件和应用的特性都有关系。目前比较常用的几个并行加速比公式主要有Amdahl加速比定律、Sun和Ni加速比定律、Gustafson加速比定律等。

204：为了简便的表述定义和公式，定义以下几个参数：

其中，W是计算的工作量(负载)，W₁是应用程序中串行的分量，W_n代表W中可并行化计算的部分，其中W₁+W_n＝W；n代表系统的结点数量，也就是并行的粒度；

其中，f＝W₁/W是串行分量比例，1-f为并行分量比例。Amdahl推导出了固定计算工作量情况下的加速比公式，如公式(1)所示：

由上述公式推导分析可知，当系统的结点数量n趋近于无穷大时，并行加速比极限为1/f，意味着随着结点数量n的无限增加，并行系统所能达到的加速比上限为1/f。

205：基于Amdahl加速比定律，在可扩展问题规模的情况下Gustafson提出了另一种加速比公式，如公式(2)所示：

由公式(2)推导分析可知，当结点数量n比较大时，并行加速比与结点数量n成线性正比关系，加速比的增长率为1-f，意味着随着结点数量n的增加，加速比几乎与结点数量成正比例地线性增加，程序的串行比例f将不再是限制程序加速比提升的瓶颈。

206：Amdahl加速比定律和Gustafson加速比定律是简化的并行计算机系统运行时候的计算模型，随着系统规模的扩大和程序复杂度的提升，计算机的存储容量、响应时间、通信带宽、硬盘的I/O速度等因素也逐渐成为制约系统并行计算速度的瓶颈。

并行效率E是与加速比相伴出现的并行计算机系统性能的相对度量指标，由加速比公式可知，加速比的最大值是系统的结点数n，但是由于存储、通信等因素的限制，实际加速比S小于结点数n，因此通过并行效率E可以得知并行系统的加速比S与结点数n的接近程度：

207：扩展性是指系统的并行效率E与忽略并行开销的系统效率E′的比值L：

208：上述公式中T₀为系统总的并行开销，其中包括程序通信和数据同步的开销，公式(4)反映出系统的并行开销和程序的并行计算的耗时比例决定了系统的可扩展性。

由分析可知，当系统的并行开销相对与并行计算比较小的时候，则该并行计算系统具有较强的可扩展性。并行计算系统的可扩展性可以通过并行效率E和扩展性度量指标L很好的反映出来，对于可扩展性较好的并行计算系统并行效率E随着结点数变化保持不变，系统的可扩展性指标L也接近于1。

实施例3

实验给每条侧链分配4000笔访问，调整侧链的数量从2到16，总共8组对比实验，每组实验运行10次，去结结果的平均值并记录的实验数据结果，实验的详细数据如表4-3所示。

在单机环境下，当侧链数量不超过6时，随着侧链增加，系统的访问吞吐量随之增加，最大能达到4568笔访问每秒，一旦侧链超过6，系统的访问处理能力开始下滑。在集群环境下，侧链数量小于8时，系统的访问处理能力稳步上升，最大能达到5848笔访问每秒，当侧链数量超过8时，随着侧链增加增加，访问吞吐量基本保持稳定，有稍微下降。相比之下，在当侧链数量比较少的时候，在单机环境下和集群环境下能够达到的访问吞吐量不相上下，但是当侧链数量继续增加时，集群的优势开始展现出来，集群能够保证系统性能的稳定。实验结果表明，在集群环境下，区块链系统处理访问的能力具有更好的稳定性，可以保证挂载更多数量的侧链而不影响系统的总吞吐量。

在图2中，作为一个动态的区块链系统，所有的侧链都直接或间接依附于主链，主链包含了系统侧链的索引(用于记录挂载侧链)。系统中的侧链之间可以通过其索引主链的Merkle树以及外部输入的信息来验证交互，而不是直接的进行侧链间的交互，减小了侧链之间耦合依赖关系，从而可以很容易的在系统里添加删除侧链或升级侧链的智能合约。

在图3中，在这个网络节点中运行着一个主链和多条侧链，它们共享一个基于Actor的worker集群来处理各自的访问，因为主链和侧链运行在同一个矿工节点，而且是联合出块的，所以主链可以实时索引这些侧链。这种分布式的worker集群还有两个优点：一是在遇到区块链中的访问突然增多的情况时，例如项目方发起访问活动，为了不让系统拥堵，worker集群可以很容易的根据需要进行弹性扩展；二是如果某个worker所运行的机器突然发生异常而停止工作，整个集群可以照样运行而不受太大影响，并且备用机器可以很快顶上空缺，从而保证区块链系统的稳定运行。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种构建一主链多侧链的区块链架构的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

基于区块Merkle Tree、访问Merkle Tree以及状态Merkle Tree建立主链与初始侧链之间的索引信息；

当访问量超过初始侧链访问量的最大限制时，对初始侧链进行创建；

矿工节点的接收与分发处理；基于Actor集群的并发处理；

在同层侧链之间构建适配模块用于同层跨链交互通信；对不同层的侧链之间，通过主链为出块慢的侧链提供担保，实现不同层跨链交互通信。

2.根据权利要求1所述的一种构建一主链多侧链的区块链架构的方法，其特征在于，所述基于区块Merkle Tree、访问Merkle Tree以及状态Merkle Tree建立主链与初始侧链之间的索引信息具体为：

配置主侧链的节点网络通信参数，包括：IP地址、通信端口号、SSL安全证书；

主链节点通过RPC初始侧链读取区块及访问信息，基于所有初始侧链的信息生成区块Merkle Tree、访问Merkle Tree以及状态Merkle Tree；

主链新区块的区块头记录上述Merkle Tree根，当主链产生新区块时会通知被索引的初始侧链；

当初始侧链接收到主链新区块的生成消息，记录这一区块高度，更新索引信息。

3.根据权利要求1所述的一种构建一主链多侧链的区块链架构的方法，其特征在于，所述当访问量超过初始侧链访问量的最大限制时，对初始侧链进行创建具体为：

1)侧链创建者需要发送一笔访问到初始侧链用于创建管理合约，根据初始侧链提供的侧链ID创建一条新侧链，此时新侧链处于未激活挂起状态；

2)由矿工或者Token所有者发起一轮新访问，如果超过初始侧链访问量的最大限制，执行新侧链的注册工作，如果没有超过初始侧链访问量的最大限制，则新侧链创建失败、创建任务终止；

3)新侧链的注册将由侧链提供的服务完成注册，注册成功后该新侧链才能够真正开始运行并被主链索引；

4)侧链创建者将发起弃用当前侧链请求，终止服务请求完成之后主链将停止当前侧链的索引工作。

4.根据权利要求1所述的一种构建一主链多侧链的区块链架构的方法，其特征在于，所述矿工节点的接收与分发处理具体为：

1)网络中的矿工节点接收从用户发过来的访问，并接收服务处理访问请求，依据当前访问的侧链ID将访问放入不同的侧链访问队列中；

2)每条侧链都有对应worker负责该侧链上访问的处理，侧链从访问池中按照顺序取出一定数量的访问，发给自己相对应的worker；

3)每个矿工节点都有自己的worker组，负责本节点访问的处理，组中worker的数量会根据访问池中待处理访问的数量动态调整，worker组处理完访问后，将计算结果以及错误的访问返回给侧链，供新侧链区块使用。