CN111145025A - 一种基于区块链的供应链数据双链存储优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于区块链的供应链数据双链存储优化方法，利用许可区块链技术，上链的数据无法篡改，提高信息透明度，解决了信息不对称的问题；网络模型实现了点对点传输，通过身份许可降低安全风险；主链和摘要链的双链模型设计，让入网节点可以根据自身需求选择性存储，很大程度上解决了区块链存储空间的浪费问题，降低了节点入网的存储门槛；采用改进的DPoS+BFT共识机制，提升了共识出块速度，即使在全网节点很多，交易量很大的情况下，仍然能够高效确认交易，提升了性能和吞吐量，大幅优化供应链体系。

Description

一种基于区块链的供应链数据双链存储优化方法

技术领域

本发明模型涉及许可区块链技术和供应链领域，具体涉及双链共识存储模型，让节点可以自由选择存储模式，缓解区块链系统运行过程中的存储压力问题，提高系统扩展性和交易吞吐量。

背景技术

食品安全问题是关乎百姓生命和健康的大问题，可正是如此重要的领域，近年来却屡屡出错。从三鹿奶粉到“瘦肉精”，“地沟油”到“苏丹红”，越来越多的食品安全问题，触碰着消费者脆弱的神经。而随着生活水平的提高，人们更加注重每天的饮食摄入是否安全，因此，解决食品安全问题刻不容缓。

究其原因，供应链各个环节的信息流通存在问题，信息不对称十分严重。消费者很少能够了解到食品的加工生产过程，更无法触及到复杂的仓储，运输环节。传统的食品安全问题解决方案致力于让供应链透明化，可是由于供应链上下游生态复杂，总有监管机构无法触及的灰色地带，导致还是有很多问题无法彻底解决。此外，传统的追溯系统虽然能够缓解一些信息不对称的问题，可是由于其中心化的性质，无法保证信息的完全准确不被篡改，也就无法从根本解决问题。

区块链由于其良好的去中心化和不可篡改的特点，进入了人们的视野，被视为解决供应链信息不对称问题的终极武器。可是随着研究的深入，基于区块链的供应链项目存在着诸多问题而迟迟不能落地，例如线上线下资源整合、存储问题、性能问题等。存储问题在于，随着区块链网络的扩大，上链的数据越来越多，而全网节点都被要求保存全部历史数据。例如区块链全部数据有100GB的话，如果全网有500个节点，每个节点保存一份完整的数据，就需要耗费50TB的内存，而这50TB仅仅保存了100GB的内容，造成了极大地存储空间浪费，无形中提高了节点的准入门槛。性能问题在于，受全网节点数量，共识机制，网络环境，区块大小等诸多因素影响，交易确认上链的速度十分缓慢，而全网的交易吞吐量更是和传统的中心化系统相差好几个数量级，如此低下的效率造成应用无法落地。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于区块链的供应链数据双链存储优化方法，通过双链设计，打破了区块链存储瓶颈；采用改进的DPoS+BFT共识机制，有效提升系统性能和吞吐量。

本发明提供的技术方法是：一种基于区块链的供应链数据双链存储优化方法，利用区块链保证了信息上链不可篡改，保证了信息透明性；通过主链和摘要链双链的设计，解决了存储空间浪费的问题，打破了系统的存储瓶颈，降低了节点准入门槛。采用改进的DPoS+BFT共识机制，让模型能够在交易数量比较大时依然能够保持出块的速度，提高交易吞吐量，提升性能，能够维护系统的稳定。该方法的具体过程包括如下步骤：

步骤1、监管机构作为超级节点组建许可区块链

具有供应链监管职责的监管机构完成身份认证后，组建点对点许可区块链网络模型；所有监管机构直接成为该模型中的超级节点，并由模型生成私钥和公钥；

步骤2、供应链各环节成员入网授权

供应链各个环节成员入网前需要通过监管机构的CA认证(CertificateAuthority)，获得数字证书，以可信身份进入区块链网络；所有供应链成员入网后成为普通节点；全网节点派发私钥和公钥，允许全网节点自由交易；所述全网节点包括普通节点、候选节点和超级节点；

步骤3、采用改进的DPoS+BFT混合共识机制选取超级节点，候选节点

超级节点即为全网的记账节点，负责验证交易，维护全网账本的一致性；超级节点由两部分构成：全部监管机构节点+部分供应链节点，且超级节点数目固定；候选节点从供应链成员节点中选出，作为超级节点的候选域；供应链成员在认证入网之后，可选择是否成为候选节点，如果选择成为候选节点，则意味着有意愿参与全网共识过程，并有意愿保存区块链主链账本全部数据；如果没有意愿，则维持普通节点身份；候选节点和普通节点后期允许更改；

步骤4、运行区块链网络，并生成主链

按照超级节点的选取原则，选出超级节点验证交易，等待共识出块；每产生的一笔交易需要由双方乃至多方参与节点进行数字签名，并将交易广播给附近的超级节点验证交易信息；超级节点验证通过后，将该交易加入本地交易池，并转发给邻近的其他超级节点，验证无误后，将交易加入交易池中等待上链；

该模型采用DPoS+BFT共识机制，按照本轮随机生成的出块顺序，超级节点从本地交易池打包交易区块，打包好区块后，广播给其他超级节点验证，并等待其他节点回复；每个节点产生区块并上链有一定的时间限制，时限到了如果有的其他节点没回复，则算其弃权，扣除相应积分；所有回复的超级节点如果有超过2/3的人认可该区块，则将该区块上链，下一个超级节点打包区块并广播，重复上述步骤；若小于2/3的节点认可，则视为作废，扣除出块超级节点积分，由下一个超级节点打包区块；直到最后一个超级节点出块后，本轮出块完成，将根据积分重新选出超级节点，通过上述步骤，完成一轮共识，并生成主链；

步骤5、生成摘要链

考虑到重复占用存储空间带来的资源浪费，由超级节点在主链的基础上生成摘要链；摘要链生成区块的周期和主链一致，主链经过一轮共识后根据超级节点个数生成若干个区块，摘要链生成一个区块；

步骤6、存储释放

普通节点能够任意选择存储主链或者摘要链，如果要申请成为候选节点，则需要保存所有主链和摘要链数据；如果候选节点申请变为普通节点，则丢弃本地存储的主链数据，存摘要链即可，即存储释放；

步骤7、存储释放后的交易验证

如果想验证一笔交易：找到最近的超级节点，根据摘要块，验证超级节点信息是否完整未被篡改，根据merkle树找到原始交易数据。

进一步的，采用许可区块链的网络结构模型，数据上链不可篡改，网络为点对点，且许可上链模式保证了网络安全，不会受到女巫攻击；入网节点根据目的，身份获得不同的角色。

进一步的，改进的DPoS+BFT共识机制具体包括：

(1)采用积分制度产生超级节点，由超级节点轮流生产区块；

(2)将积分最多的节点当做最大权益节点，用于维护网络稳定；

(3)当一个节点生成一个区块后，会将其转发给其他超级节点，其他超级节点需要在固定时间内审核这个区块内容，并响应结果；在时间结束汇总时，如果超过所有响应的超级节点总数的2/3的节点认可该区块，即认定这个区块为不可逆区块；并按顺序由下一个超级节点生成区块；若响应小于2/3节点认可该区块，则这个块作废，并按顺序由下一个节点生成区块；每个超级节点生成区块时都遵循上述规则。

进一步的，摘要链区块包括以下信息：

(1)该块所记录的主链区块信息，包括这一轮主链共识所生成的每个区块头信息hash、每个区块高度、该区块打包交易的merkle根；

(2)参与该轮共识的超级节点成绩，包括本轮共识开始前的原始成绩，成绩的变动，本轮过后成绩。

进一步的，主链区块的区块体包括以下信息:全网的交易信息，包括交易双方以及交易内容。

进一步的，所述步骤4中超级节点选取规则为：

普通节点入网之后，会得到一个初始积分；经过不同的行为，分数会增加或减少；模型会自动从候选节点中，按照分数从高到低补齐超级节点；如果分数相同，则参考节点达成的有效交易数量；每轮超级节点出块完成后，模型会更新候选节点的积分，从而更替超级节点：积分不足者退出超级节点成为候选节点，积分够的候选节点成为新的超级节点；

进一步的，摘要链的生成同样采用改进的DPoS+BFT共识机制，生成区块节点为本轮过后分数最高的超级节点；其根据主链内容生成摘要块后，将摘要块广播给其他超级节点并等待回复，等待存在时间限制；如果有超级节点在时限到达时没有回复，则视为弃权，扣除积分；从剩余响应中，若大于2/3的人认可该区块，则将该区块上链；若小于2/3的节点认可，则视为作废，扣除该超级节点积分，并按照积分顺延到下一超级节点重新打包摘要块。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明运用区块链去中心化的特性，很好地解决了传统中心化追溯系统效率低，容易出错，管理不周全的问题；利用区块链不可篡改的特性，解决了供应链上信息不对称的问题，让信息透明安全的存储在区块链账本中并对全网可见。这两点解决了供应链领域的顽疾。本发明采用主链和摘要链双链模型设计，解决了区块链存储容量扩展性问题，降低了入网门槛，后续随着数据的增多，节点依然可以自由选择存储模式，提高了区块链系统的可用性。采用改进的DPoS+BFT共识机制，能够使得交易验证的效率提高，提升交易吞吐量，打破了区块链系统交易吞吐量的瓶颈。同时，采用竞争超级节点记账的模式，配合适当的措施，能够在提升共识效率的同时，维护了全网的稳定。如果想要成为超级节点，那么可以积极存储主链和摘要链的全部信息，新加入的节点可以根据自己的定位目标选择存储的内容，这极大地缓解了普通节点的存储压力，减少了无用的空间浪费，降低了节点入网的门槛，增加了系统的扩展性。

附图说明

图1本发明主链区块头；

图2本发明摘要链区块头；

图3本发明节点上链流程图；

图4本发明点对点网络结构模型图；

图5本发明双链共识流程图；

图6本发明双链共识过程。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。

具体方法如下：

步骤1：监管机构主要指的是供应链领域的管理机构。这些监管机构在身份认证后，组建点对点许可区块链网络模型。所有监管机构直接成为该模型中的超级节点，并由模型生成私钥和公钥。

步骤2：供应链主要由以下部分构成：各地区畜牧养殖场、农场、水产养殖场、物流企业、加工厂、屠宰场、添加剂生产商、饲料厂、批发商、零售商、餐饮行业、消费者/消费者协会等，这些成员入网前需要提供相应营业许可、检疫记录、法人信息等交给监管机构审查，审查通过获得数字证书，以可信身份进入区块链网络。全网节点派发私钥和公钥，允许入网节点自由交易。点对点网络结构模型如图4所示，超级节点、候选节点和普通节点共同组成点对点网络；

节点上链过程如图3：首先监管机构作为超级节点上链，组成点对点网络；供应链节点申请加入网络，由监管机构对其进行CA认证(身份验证)，验证通过允许其进入网络，不通过则无法进入网络；认证通过的节点可以选择成为候选节点或维持普通节点的身份，若选择成为候选节点，则系统为其自动赋予初始分数；全网开始交易和共识过程；

步骤3：本模型基于许可区块链思想，采用改进的DPoS+BFT混合共识机制。超级节点即为全网的记账节点，负责验证交易，维护全网账本的一致性。超级节点由两部分构成：全部监管机构节点+部分供应链节点，且超级节点数目固定。候选节点从供应链成员节点中选出，作为超级节点的候选域。供应链成员在认证入网之后，可选择是否成为候选节点，如果选择成为候选节点，则意味着有意愿参与全网共识过程，并有意愿保存区块链主链账本全部数据。如果没有意愿，则维持普通节点身份。候选节点和普通节点后期可以更改。

本发明改进的DPoS+BFT共识机制具体包括：

DPoS方面：(1)采用节点积分制度代替社区投票制度：传统的DPoS根据投票选出见证节点(Witness)来轮流生成区块，本方法采用积分制度产生超级节点(详见超级节点选举方案)，由超级节点轮流生产区块。(顺序随机)(2)取消Token：传统的 DPoS的使用场景中存在Token，本方法中不存在Token，而是把积分最多的节点当做最大权益节点，让其维护网络稳定，因为一旦出了问题，他们的损失最大；(3)生成区块的验证：传统的DPoS共识机制，Witness节点轮流出块，必须在三秒内提交区块，其他节点如果认可，就在其后面出块，而一个区块得到认可需要至少2/3的节点在其后面生成区块，一笔交易要确认就需要3*(2/3Witness节点数)秒，导致交易确认时间很长。改进这个点：考虑到时效性，也就是交易上链确认的时间，本方法结合BFT共识算法：当一个节点生成一个区块后，会将其转发给其他超级节点，其他超级节点需要在固定时间内审核这个区块内容，并响应结果。在时间结束汇总时，如果超过所有响应的超级节点总数的2/3的节点认可该区块，即认定这个区块为不可逆区块。并按顺序由下一个超级节点生成区块；若响应小于2/3节点认可该区块，则这个块作废，并按顺序由下一个节点生成区块。这样大大缩短了交易确认的时间。每个超级节点生成区块时都遵循上述规则；还包括重新设计的主链区块结构，摘要链区块结构。

步骤4：普通节点入网之后，会得到一个初始积分。经过不同的行为，分数可能增加或减少。具体行为参见表1。

表1

表1节点积分规则

模型会自动从候选节点中，按照分数从高到低补齐超级节点，来验证全网的交易，来达成共识，出块。如果分数相同，则参考节点达成的有效交易数量。经过每轮超级节点都达成共识生成区块后，模型会更新候选节点的积分，从而更替超级节点：积分不足者退出超级节点成为候选节点，积分够的候选节点成为新的超级节点。

步骤4：选出超级节点验证交易，等待共识出块。每产生的一笔交易需要由双方乃至多方参与节点进行数字签名，并将交易广播给附近的超级节点验证交易信息。超级节点验证通过后，将该交易加入本地交易池，并转发给邻近的其他超级节点，验证无误后，将交易加入交易池中等待上链。

该模型采用改进的DPoS+BFT共识机制，按照本轮随机生成的出块顺序，超级节点从本地交易池打包交易出块，打包好区块后，广播给其他超级节点验证，并等待其他节点回复。每个节点出块有一定的时间限制，时限到了如果有的其他节点没回复，则算其弃权，扣除相应积分。所有回复的超级节点如果有超过2/3的人认可该区块，则将该区块上链，下一个超级节点打包区块并广播，重复上述步骤。若小于2/3的节点认可，则视为作废，扣除该超级节点积分，由下一个超级节点打包区块。直到最后一个超级节点出块后，本轮出块完成，将根据积分重新选出超级节点。

主链区块分为区块头和区块体，其区块结构如图1，区块体包含全网交易信息。区块头内容包括：上一个区块头的哈希值、时间戳、版本号、区块生产者的签名、该区块包含的所有交易的默克尔根；

步骤5：由超级节点在主链的基础上生成摘要链。摘要链出块周期和主链一致，主链一轮共识过程如果没有节点没出块，理论生成超级节点数量个区块，而本轮摘要链生成一个区块。

摘要链的生成同样采用改进的DPoS+BFT共识机制，出块节点为本轮过后分数最高的超级节点。其根据主链内容生成摘要块后，将摘要块广播给其他超级节点并等待回复，等待存在时间限制。如果有超级节点在时限到达时没有回复，则视为弃权，扣除积分。从剩余响应中，若大于2/3的人认可该区块，则将该区块上链；若小于2/3的节点认可，则视为作废，扣除该超级节点积分，并按照积分顺延到下一超级节点重新打包摘要块。

摘要链区块分为区块头和区块体，其区块结构如图2，区块体包含以下信息：1.该块所记录的主链区块信息，包括主链区块头信息hash、区块高度、区块打包交易的merkle根。2.参与该轮共识的超级节点成绩，包括原始成绩，变动成绩，本轮过后成绩。

超级节点共识生成两条链的过程如图5、6：一轮共识开始后，超级节点从本地交易池打包数据，将打包好的区块内容广播给其他超级节点，其他超级节点在规定时间内进行响应；若超过2/3的其他超级节点认可该区块，则该区块为不可逆区块；若小于2/3 的超级节点认可该区块，则轮到下一个超级节点生成区块；重复上述过程直到所有的超级节点都完成；接下来生成摘要链，选出积分最高的超级节点，从本轮生成的主链中提取数据，写进摘要区块；将该区块广播给其他超级节点，等待响应，若超过2/3的其他超级节点认可该区块，则该区块为不可逆区块；若小于2/3的超级节点认可该区块，则选下一个超级节点重新生成摘要块，直到成功生成一个摘要块。至此本轮共识结束，下一轮共识步骤和本轮相同；

步骤6：普通节点可以任意选择存储主链或者摘要链。如果要申请成为候选节点，则需要保存所有主链和摘要链数据。如果候选节点申请变为普通节点，则可以丢弃本地存储的主链数据，存摘要链即可。这一步即存储释放。

如果想要成为超级节点，那么可以积极存储主链和摘要链的全部信息，新加入的节点可以根据自己的定位目标选择存储的内容，这极大地缓解了普通节点的存储压力，减少了无用的空间浪费，降低了节点入网的门槛，增加了系统的扩展性。

步骤7：如果想验证一笔交易：找到最近的超级节点，根据摘要块，验证超级节点信息是否完整未被篡改。根据merkle树找到原始交易数据。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于区块链的供应链数据双链存储优化方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、监管机构作为超级节点组建许可区块链

具有供应链监管职责的监管机构完成身份认证后，组建点对点许可区块链网络模型；所有监管机构直接成为该模型中的超级节点，并由模型生成私钥和公钥；

步骤2、供应链各环节成员入网授权

供应链各个环节成员入网前需要通过监管机构的CA认证(Certificate Authority)，获得数字证书，以可信身份进入区块链网络；所有供应链成员入网后成为普通节点；全网节点派发私钥和公钥，允许全网节点自由交易；所述全网节点包括普通节点、候选节点和超级节点；

步骤3、采用改进的DPoS+BFT混合共识机制选取超级节点，候选节点

超级节点即为全网的记账节点，负责验证交易，维护全网账本的一致性；超级节点由两部分构成：全部监管机构节点+部分供应链节点，且超级节点数目固定；候选节点从供应链成员节点中选出，作为超级节点的候选域；供应链成员在认证入网之后，可选择是否成为候选节点，如果选择成为候选节点，则意味着有意愿参与全网共识过程，并有意愿保存区块链主链账本全部数据；如果没有意愿，则维持普通节点身份；候选节点和普通节点后期允许更改；

步骤4、运行区块链网络，并生成主链

按照超级节点的选取原则，选出超级节点验证交易，等待共识出块；每产生的一笔交易需要由双方乃至多方参与节点进行数字签名，并将交易广播给附近的超级节点验证交易信息；超级节点验证通过后，将该交易加入本地交易池，并转发给邻近的其他超级节点，验证无误后，将交易加入交易池中等待上链；

该模型采用DPoS+BFT共识机制，按照本轮随机生成的出块顺序，超级节点从本地交易池打包交易区块，打包好区块后，广播给其他超级节点验证，并等待其他节点回复；每个节点产生区块并上链有一定的时间限制，时限到了如果有的其他节点没回复，则算其弃权，扣除相应积分；所有回复的超级节点如果有超过2/3的人认可该区块，则将该区块上链，下一个超级节点打包区块并广播，重复上述步骤；若小于2/3的节点认可，则视为作废，扣除出块超级节点积分，由下一个超级节点打包区块；直到最后一个超级节点出块后，本轮出块完成，将根据积分重新选出超级节点，通过上述步骤，完成一轮共识，并生成主链；

步骤5、生成摘要链

考虑到重复占用存储空间带来的资源浪费，由超级节点在主链的基础上生成摘要链；摘要链生成区块的周期和主链一致，主链经过一轮共识后根据超级节点个数生成若干个区块，摘要链生成一个区块；

步骤6、存储释放

普通节点能够任意选择存储主链或者摘要链，如果要申请成为候选节点，则需要保存所有主链和摘要链数据；如果候选节点申请变为普通节点，则丢弃本地存储的主链数据，存摘要链即可，即存储释放；

步骤7、存储释放后的交易验证

如果想验证一笔交易：找到最近的超级节点，根据摘要块，验证超级节点信息是否完整未被篡改，根据merkle树找到原始交易数据。

2.根据权利要求1所述一种基于区块链的供应链数据双链存储优化方法，其特征在于：

采用许可区块链的网络结构，数据上链不可篡改，网络模型为点对点，且许可上链模式保证了网络安全，不会受到女巫攻击；入网节点根据目的，身份获得不同的角色。

3.根据权利要求1所述一种基于区块链的供应链数据双链存储优化方法，其特征在于：所述步骤3中改进的DPoS+BFT共识机制具体包括：

(31)采用积分制度产生超级节点，由超级节点轮流生产区块；

(32)将积分最多的节点当做最大权益节点，用于维护网络稳定；

(33)当一个节点生成一个区块后，会将其转发给其他超级节点，其他超级节点需要在固定时间内审核这个区块内容，并响应结果；在时间结束汇总时，如果超过所有响应的超级节点总数的2/3的节点认可该区块，即认定这个区块为不可逆区块；并按顺序由下一个超级节点生成区块；若响应小于2/3节点认可该区块，则这个块作废，并按顺序由下一个节点生成区块；每个超级节点生成区块时都遵循上述规则。

4.根据权利要求1所述一种基于区块链的供应链数据双链存储优化方法，其特征在于：

所述步骤5中摘要链区块包括以下信息：

(51)该块所记录的主链区块信息，包括这一轮主链共识所生成的每个区块头信息hash、每个区块高度、该区块打包交易的merkle根；

(52)参与该轮共识的超级节点成绩，包括本轮共识开始前的原始成绩，成绩的变动，本轮过后成绩，防止积分篡改。

5.根据权利要求1所述一种基于区块链的供应链数据双链存储优化方法，其特征在于：

主链区块的区块体包括以下信息:全网的交易信息，包括交易双方以及交易内容。

6.根据权利要求1所述一种基于区块链的供应链数据双链存储优化方法，其特征在于：所述步骤4中超级节点选取规则为：

普通节点入网之后，会得到一个初始积分；经过不同的行为，分数会增加或减少；模型会自动从候选节点中，按照分数从高到低补齐超级节点；如果分数相同，则参考节点达成的有效交易数量；每轮超级节点出块完成后，模型会更新候选节点的积分，从而更替超级节点：积分不足者退出超级节点成为候选节点，积分够的候选节点成为新的超级节点。

7.根据权利要求1所述一种基于区块链的供应链数据双链存储优化方法，其特征在于：

所述步骤5中摘要链的生成同样采用改进的DPoS+BFT共识机制，生成区块节点为本轮过后分数最高的超级节点；其根据主链内容生成摘要块后，将摘要块广播给其他超级节点并等待回复，等待存在时间限制；如果有超级节点在时限到达时没有回复，则视为弃权，扣除积分；从剩余响应中，若大于2/3的人认可该区块，则将该区块上链；若小于2/3的节点认可，则视为作废，扣除该超级节点积分，并按照积分顺延到下一超级节点重新打包摘要块。

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