CN110474818A - 区块链网络嗅探器、网络嗅探方法和优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及一种区块链网络嗅探器、网络嗅探方法和优化方法，所述区块链网络嗅探器包括包括一个探测模块和决策仲裁模块，探测模块包含至少一个探测节点，所述探测节点连接区块链网络中的所有节点；每个探测节点连接所有节点的子集，探测节点连接的子集不存在重叠，所有子集的合并集合为区块链所有节点的全集；所述决策仲裁模块由一个仲裁节点组成网络嗅探器还包括仲裁节点，仲裁节点安放在区块链网络中并连接所有的探测节点。本发明能够对区块链网络中的业务数据传递效率有一个量化度量指标。同时借助嗅探器的网络通道，既可以减少数据传递的跳数，相应的减少验证的次数，还可以借助嗅探器的网络通道，从网络层上提高传播的速度。

Description

区块链网络嗅探器、网络嗅探方法和优化方法
技术领域
本发明涉及区块链点对点网络优化技术，特别是针对区块链点对点网络中主要业务数据的传递效率的优化。
背景技术
在区块链的点对点的网状网络中，节点的连接是属于半盲目的，一个节点把交易或者区块信息广播给全网节点的效率比较低，无法适应实时性的业务要求。具体表现为：当交易源节点把交易数据传递到矿工节点，或者矿工节点把区块数据广播到其他节点，会存在以下几个问题：
第一、传递节点的跳数(层数)不确定(1到n)。
第二、传递到每一层节点都对数据进行验证，存在验证冗余。
第三、传输无法使用网状最优路径。
为此，本发明提供了以下两个方面的解决方案。第一、定义了一种嗅探区块链网络的方法和指标。第二、为区块链全网构建一个点到点最优最优路径方案，加速信息传播。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种区块链网络嗅探器、网络嗅探方法和优化方法，通过该嗅探器、网络嗅探方法和优化方法能够对网络中的业务数据传递效率有一个量化度量指标。
本发明是通过以下技术方案来实现的：一种区块链网络嗅探器,包括随机散列放置在区块链网络中的至少两个探测节点，所述探测节点连接区块链网络中的所有节点；每个探测节点连接所有节点的子集，探测节点连接的子集不存在重叠，所有子集的合并集合为区块链所有节点的全集。
进一步地，所述区块链网络嗅探器,还包括一个仲裁节点，所述仲裁节点安放在区块链网络中并连接所有的探测节点，用于收集探测节点的原始数据，生成全网数据报表，标记交易源节点和矿工节点，决策探测节点连接范围。
同时本发明还提供一种区块链网络嗅探方法和优化方法，借助该嗅探方法可以为区块链全网构建一个到矿工节点和交易源节点的最优路径方案，加速信息传播。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种区块链网络嗅探方法，包括以下步骤：
在区块链网络中随机散列放置至少两个探测节点，同时对所有的探测节点进行时间同步；
通过每一个探测节点使用区块链网络协议中的Addr消息，在运行一段时间后得到一部分的全网节点列表；
将所有的探测节点收集到的节点列表合并去重后得到一张全网完整的节点列表全集；
将节点列表全集同步给每一个探测节点；
探测节点根据节点列表全集，尝试连接所有节点，根据对应的连接的结果情况生成一张新的连接报告。
进一步地，所述两个探测节点中有一个设置为仲裁节点或在区块链网络中另外还安放一个仲裁节点，用于收集探测节点的原始数据，生成全网数据报表，决策探测节点连接范围。
另外，本发明还提供一种区块链网络的优化方法，包括以下步骤：
在区块链网络中随机散列放置至少两个探测节点，同时对所有的探测节点进行时间同步；
通过每一个探测节点使用区块链网络协议中的Addr消息，在运行一段时间后得到一部分的全网节点列表；
将所有的探测节点收集到的节点列表合并去重后得到一张全网完整的节点列表全集；
将节点列表全集同步给每一个探测节点；
探测节点根据节点列表全集，尝试连接所有节点，根据对应的连接的结果情况生成一张新的连接报告；
汇总所有的探测节点生成的连接报告，分析某个节点网络是否可达或被拒绝，并根据最小pingpong决定由哪个探测节点连接到该节点最优，并规定由该探测节点负责连接到该节点，将其他不负责连接该节点的探测节点则断开与该节点的连接。
利用各探测节点使用区块链网络协议中的Inv消息监听并记录节点给它发送的区块头,交易头和时间信息；通过统计和分析所有探测节点的区块头信息和交易头信息，标记出矿工节点和交易源节点；
根据某个区块头或交易头每个节点的发送时间得到一张区块头或交易头传播表，根据这张表得出可以使区块在整个p2p网络的具有最优传播效率的探测网络通道。
进一步地，为了便于收集和统计各探测节点得到的信息，所述两个探测节点中有一个设置为仲裁节点或在区块链网络中另外还安放一个仲裁节点，用于收集探测节点的原始数据，生成全网数据报表，决策探测节点连接范围。
进一步地，所述每一个探测节点得到一部分的全网节点列表后，将节点列表上报给仲裁节点，仲裁节点合并所有收集到的节点列表并去重后得到一张全网完整的节点列表全集；通过仲裁节点将节点列表全集同步给探测节点。
进一步地，在仲裁节点将节点列表全集同步给探测节点完成后，后续某个探测节点会继续发现网络上新增的节点，也以上述方式上报给仲裁节点并同步给其他探测节点，实现各探测节点的信息增量同步。
进一步地，所有探测节点上报连接报告到仲裁节点；由仲裁节点汇总所有的探测节点生成的连接报告，分析某个节点网络是否可达或被拒绝，根据最小pingpong决定由哪个探测节点连接到该节点最优，并规定由该探测节点负责连接到该节点，将其他不负责连接该节点的探测节点断开与该节点的连接。
进一步地，通过仲裁节点收集所有探测节点的区块头信息，统计每个区块头的最快发送节点，区块的播报方，及其他区块信息，在统计若干个区块后，最先出块的节点数多的即为矿工节点，并进行标记；进一步地，通过仲裁节点收集所有探测节点的交易头信息，统计每个交易头的最快发送节点，最先发出交易节点数多的即为交易源节点，并进行标记。
进一步地，探测节点收到交易源节点的交易信息后，通过上述得出的探测网络通道迅速的将交易发送给标记好的矿工节点；探测节点收到矿工节点的区块信息后，通过上述得出的探测网络通道迅速的将区块信息广播给所有的节点。
通过本发明所述的区块链网络嗅探器和嗅探方法，具有以下的有益效果：
1、能够对网络中的业务数据传递效率有一个量化度量指标。
2、借助嗅探器的网络通道，从以下两个方面加速传播。第一，减少数据传递的跳数，相应的减少验证的次数。第二，可以借助嗅探器的网络通道，从网络层上提高传播的速度。
附图说明
图1是在区块链网络的某一个交易的简易连接模型示意图。
图2是本发明所述的区块链网络嗅探器的第一种实施例的应用图。
图3是本发明所述的区块链网络嗅探器的第二种实施例的应用图。
图4是本发明实施例所述的一种区块链网络嗅探器的在网络中应用的连接结构图。
图5是本发明所述的区块链网络嗅探器的第三种实施例的连接结构图图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中应用到以下术语，其定义及解释如下：
区块链:(英语:block chain)是借由密码学串接并保护内容的串连交易记录(又称区块)。每一个区块包含了前一个区块的加密散列、相应时间戳记以及交易数据(通常用默克尔树算法计算的散列值表示)这样的设计使得区块内容具有难以篡改的特性。用区块链所串接的分布式账本能让两方有效纪录交易，且可永久查验此交易。中本聪在2008年，于《比特币白皮书》[8]中提出“区块链”概念，并在2009年创立了比特币网络，开发出第一个区块。
点对点对技术又称等式网络(peer-to-peer,简称P2P)，是无中心服务器、依靠用户群(peers)交换信息的互联网体系，它的作用在于，减低以往网路传输中的节点，以降低资料遗失的风险。与有中心服务器的中央网络系统不同，对等网络的每个用户端既是一个节点，也有服务器的功能，任何一个节点无法直接找到其他节点，必须依靠其户群进行信息交流。
矿工：挖矿节点通过运行在特殊硬件设备上的工作量证明(proof-of-work)算法，以相互竞争的方式创建新的区块，一些挖矿节点同时也是全节点，保有区块链的完整拷贝；还有一些参与矿池挖矿的节点是轻量级节点，它们必须依赖矿池服务器维护的全节点进行工作。
比特币开发者网络协议:比特币点对点传输的网络协议，协议规定了节点间消息传递的格式，消息种类，消息的内容和目的。如下提到的ping和pong就是定义在此文档中两个种类的消息。
ping pong:节点间维护心跳的一种信息交互方式,假设有两个节点(A,B),A节点发送一个ping消息给B节点，B节点收到ping消息后，给A节点回复一个pong消息。本发明中，通过这ping pong的一应一答，两个节点互相确认对方是否在线，同时采用这个来回所耗费的时间来度量A节点与B节点的连通速度。pingpong＝网络单向传输的时间*2+两端处理消息的时间。
最小pingpong:节点处理所有网络消息都是放在一个队列依次排队处理的，所以一次ping和pong消息处理时间受这个排队的时间影响比较大。要度量两个节点的连接情况，不能只取一次pingpong。本例中每30秒为一次间隔发起一次pingpong，采集至少30次pingpong数据，将记录过的pingpong最小值作为度量两个节点的连接性能。
如图1，是在区块链网络中的某一个交易的简易连接模型图示意。图中标记有三个类型的节点(1.矿工节点2.节点3.交易源节点),同时也标记了他们之间是否存在网络连接,以及连接速度(快/慢)。
交易源节点A产生一笔交易，该交易需要以最快的速度同步到所有矿工节点A,B和C中，在下一个区块产生的时候就能够被记入区块链账本。
矿工节点A收到的路径:交易源节点A->节点4->节点1->矿工A(共3跳)
矿工节点B收到的路径:交易源节点A->节点4->矿工B(共2跳)
矿工节点C收到的路径:交易源节点A->节点4->节点1->节点5->节点6->矿工C(共5跳)
如图2，是本发明所述的区块链网络嗅探器的一个实施例的应用图。通过在区块链网络中增加探测节点的方式，建立区块链所有节点与探测节点的连接，每个探测节点连接所有节点的子集，探测节点连接的子集不存在重叠，所有子集的合并集合为区块链所有节点的全集。b本发明通过探测节点的数据，设计了一种衡量节点间连接性能的标准。同时也可以通过探测节点降低数据传输的跳数，加速数据传播，减少冗余验证。
如图3，是本发明所述的区块链网络嗅探器的另一个实施例的应用图。是在图2的基础上增加一个仲裁节点，用来协调探测节点间连接，产生数据报告。
图4是本发明所述的区块链网络嗅探器的连接方式示意图。其中，所述区块链网络嗅探器,包括随机散列放置在区块链网络中的至少两个探测节点，所述探测节点连接区块链网络中的所有节点；每个探测节点连接所有节点的子集，探测节点连接的子集不存在重叠，所有子集的合并集合为区块链所有节点的全集；同时，还可以包括一个仲裁节点，所述仲裁节点安放在区块链网络中并连接所有的探测节点，用于收集探测节点的原始数据，生成全网数据报表，决策探测节点连接范围。
图5，是本发明所述的区块链网络嗅探器的第三种实施例的连接结构图。本实施例中，所述区块链网络嗅探器，包括一个探测模块和一个决策仲裁模块。所述探测模块由n(n>＝1)个探测节点组成。所述探测模块和决策仲裁模块的工作原理与前述两个实施例相同。所述探测模块和决策仲裁模块可以采用硬件或者软件方式实现。
下面结合图3和图4的区块链网络嗅探器，通过一个具体的实施例来说明本发明所述区块链网络嗅探器对区块链网络的嗅探和优化的实现方法，具体分4个阶段:
第一阶段目标是所有探测节点同步全网的节点连接列表。
第二阶段目标是优化协调探测节点与全网所有节点间的连接，表现为某个探测节点负责连接某些节点子集为最优情况。
第三阶段目标是收集交易及区块数据分析区块链网络处理交易和区块的性能。
第四阶段目标是利用探测节点的通道加速数据的传播。
其中，前置工作分为2个步骤：
1、在区块链网络中，随机散列放置n个探测节点，n的取值最佳为网状网络密集区域的个数，在本实施例中采用n＝2，即设置两个。同时要求这n个探测节点进行时间同步(本实施例中保守要求精度在3ms以下)，可以在后续的数据结论中指导探测节点安放的网络位置是否理想，数量是否足够。
2、在区块链网络中安放一个仲裁节点，用于收集探测节点的原始数据，生成全网数据报表，决策探测节点连接范围。
第一阶段：所有探测节点同步全网节点列表，分为5个子步骤：
1、每一个探测节点使用区块链网络协议中的Addr消息，在运行一段时间后会得到一部分的全网节点列表；
2、探测节点将节点列表上报给仲裁节点；
3、仲裁节点合并所有收集到的节点列表并去重后得到一张全网完整的节点列表全集；
4、仲裁节点将节点列表全集同步给探测节点；
5、在同步完，后续某个探测节点会继续发现网络上新增的节点，也以如上方式上报给仲裁节点并同步给其他探测节点，这个过程的信息同步是增量的。
经过上述步骤后，获取的全网完整的节点列表全集信息如下：
至此，完成对全网的嗅探，接下来在此基础上对区块链网络进行优化处理：
第二阶段：协调探测节点与全网节点的连接，分为3个子步骤
1、探测节点根据节点列表全集，尝试连接所有节点，连接的结果有以下几种：(a.网络层不可达b.应用层被拒绝c.连接成功，后继续获取探测节点与该节点的最小pingpong。)根据对应的情况生成一张新的连接报告。
2、所有探测节点上报连接报告到仲裁节点。
3、仲裁节点汇总报告，分析某个节点网络是否可达，是否被拒绝，并根据最小pingpong决定由哪个探测节点连接该节点最优，其他不负责连接该节点的探测节点则断开与该节点的连接。
经过上述步骤后，可以获得如下表的实施例数据：
第三阶段：收集交易及区块数据，分析全网数据传播性能，分为4个子步骤：
1、探测节点使用区块链网络协议中的Inv消息监听并记录节点给它发送的区块头,交易头和时间信息。如下表是探测节点1监听并记录的各节点的信息数据(探测节点2的信息数据同理可得，在此不一一列出)：
数据说明1：大小为2M的区块数据，该区块在全网的传播时间为1400ms。
数据说明2：在p2p网络开放的节点中该区块由‘矿工A’节点最早广播出来的。
2、一段时间后仲裁节点收集所有探测节点的区块头信息，统计每个区块头的最快发送节点，区块的播报方，及其他区块信息，在统计若干个区块后，最先出块的节点数多的即为矿工节点，并进行标记。
如下表是仲裁节点统计若干个区块后定位出相应的矿工节点的数据信息：
说明：根据各个播报方的统计数据定位出相应的矿工节点
3、一段时间后仲裁节点收集所有探测节点的交易头信息，统计每个交易头的最快发送节点，最先发出交易节点数多的即为交易源节点，并进行标记。
4、根据某个区块头每个节点的发送时间得到一张区块头传播表，根据这张表得出区块在整个p2p网络的量化传播效率。
5、根据某个交易头每个节点的发送时间得到一张交易头传播表，根据这张表得出交易在整个p2p网络的量化传播效率。
第四阶段：使用通道加速传播
1、探测节点收到交易源节点的交易信息后，通过现有的探测网络迅速的将交易发送给标记好的矿工节点。
2、探测节点收到矿工节点的区块信息后，通过现有的探测网络迅速的将区块信息广播给所有的节点。
通过上述的区块链网络嗅探器、嗅探方法和优化方法，能够对区块链网络中的业务数据传递效率有一个量化度量指标。同时借助嗅探器的网络通道，既可以减少数据传递的跳数，相应的减少验证的次数，还可以借助嗅探器的网络通道，为区块链全网构建一个到矿工节点和交易源节点的最优路径方案，加速信息传播。
上述具体实施方式只是对本发明的技术方案进行详细解释，本发明并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种区块链网络嗅探器，其特征在于，包括随机散列放置在区块链网络中的至少两个探测节点，所述探测节点连接区块链网络中的所有节点；每个探测节点连接所有节点的子集，探测节点连接的子集不存在重叠，所有子集的合并集合为区块链所有节点的全集。
2.如权利要求1所述的区块链网络嗅探器,，其特征在于：所述区块链网络嗅探器,还包括一个仲裁节点，所述仲裁节点安放在区块链网络中并连接所有的探测节点，用于收集探测节点的原始数据，生成全网数据报表，标记交易源节点和矿工节点，决策探测节点连接范围。
3.一种区块链网络嗅探器，其特征在于，包括一个探测模块和一个决策仲裁模块，所述探测模块由至少一个探测节点组成，所述探测节点连接区块链网络中的所有节点；每个探测节点连接所有节点的子集，探测节点连接的子集不存在重叠，所有子集的合并集合为区块链所有节点的全集；所述决策仲裁模块由一个仲裁节点组成，所述仲裁节点安放在区块链网络中并连接所有的探测节点，用于收集探测节点的原始数据，生成全网数据报表，决策探测节点连接范围。
4.一种区块链网络嗅探方法，其特征在于，包括以下步骤：
在区块链网络中随机散列放置至少两个探测节点，同时对所有的探测节点进行时间同步；
通过每一个探测节点使用区块链网络协议中的Addr消息，在运行一段时间后得到一部分的全网节点列表；
将所有的探测节点收集到的节点列表合并去重后得到一张全网完整的节点列表全集；
将节点列表全集同步给每一个探测节点。
5.如权利要求4所述的区块链网络嗅探方法，其特征在于，
探测节点根据节点列表全集，尝试连接所有节点，根据对应的连接的结果情况生成一张新的连接报告。
6.如权利要求4或5所述的区块链网络嗅探方法，其特征在于，所述两个探测节点中有一个设置为仲裁节点或在区块链网络中另外还安放一个仲裁节点，用于收集探测节点的原始数据，生成全网数据报表，决策探测节点连接范围。
7.一种区块链网络的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
在区块链网络中随机散列放置至少两个探测节点，同时对所有的探测节点进行时间同步；
通过每一个探测节点使用区块链网络协议中的Addr消息，在运行一段时间后得到一部分的全网节点列表；
将所有的探测节点收集到的节点列表合并去重后得到一张全网完整的节点列表全集；
将节点列表全集同步给每一个探测节点；
探测节点根据节点列表全集，尝试连接所有节点，根据对应的连接的结果情况生成一张新的连接报告；
汇总所有的探测节点生成的连接报告，分析某个节点网络是否可达或被拒绝，并根据最小pingpong决定由哪个探测节点连接到该节点最优，并规定由该探测节点负责连接到该节点，将其他不负责连接该节点的探测节点则断开与该节点的连接。
利用各探测节点使用区块链网络协议中的Inv消息监听并记录节点给它发送的区块头,交易头和时间信息；通过统计和分析所有探测节点的区块头信息和交易头信息，标记出矿工节点和交易源节点；
根据某个区块头或交易头每个节点的发送时间得到一张区块头或交易头传播表，根据这张表得出可以使区块在整个p2p网络的具有最优传播效率的探测网络通道。
8.如权利要求7所述的区块链网络优化方法，其特征在于，所述两个探测节点中有一个设置为仲裁节点或在区块链网络中另外还安放一个仲裁节点，用于收集探测节点的原始数据，生成全网数据报表，决策探测节点连接范围。
9.如权利要求8所述的区块链网络优化方法，其特征在于，所述每一个探测节点得到一部分的全网节点列表后，将节点列表上报给仲裁节点，仲裁节点合并所有收集到的节点列表并去重后得到一张全网完整的节点列表全集；通过仲裁节点将节点列表全集同步给探测节点。
10.如权利要求5所述的区块链网络优化方法，其特征在于，在仲裁节点将节点列表全集同步给探测节点完成后，后续某个探测节点会继续发现网络上新增的节点，也以同样的方式上报给仲裁节点并同步给其他探测节点，实现各探测节点的信息同步增量。
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