CN108063758A - 用于区块链网络的签名验证方法及区块链网络中的节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于区块链网络的签名验证方法，包括：由所述区块链网络中的节点的第一处理器从区块链网络中接收数据区块；由第一处理器将接收到的数据区块中的签名验证数据发送给节点的第二处理器，签名验证数据包括签名；由第二处理器根据签名验证数据来验证签名，以获得签名验证结果；以及由第二处理器将签名验证结果发送给第一处理器。

Description

用于区块链网络的签名验证方法及区块链网络中的节点

技术领域

本发明涉及区块链的技术领域，更具体来说，涉及一种用于区块链网络的签名验证方法及区块链网络中的节点。

背景技术

区块链(Block Chain)技术是一种基于去中心化的对等(peer-to-peer)网络，其将密码学原理与共识机制相结合，来保障分布式各节点的数据连贯和持续，实现信息的即时验证、可追溯、难篡改和无法屏蔽，从而创造了一套隐私、高效、安全的共享价值体系。

在区块链网络中，交易信息(如买方、卖方、标的、价格等)起初会构成数据区块，这些数据区块要被整个网络中的所有节点认证，才会被加到区块链上。所谓认证，即签名的验证，也叫验签。所有发送到区块链上的交易，都会附有一个用户的签名，用来确认该笔交易是由用户自己发起的。目前主流的验签算法为非对称加密算法，主要包括以下几种：1)RSA，属于传统的非对称加密算法，可用于签名/验签，暂时在区块链上无使用先例；2)secp256k1：属于椭圆曲线加密算法类，是目前区块链上主流的签名/验签算法，例如，比特币和以太坊使用该加密算法；3)ed25519：属于椭圆曲线加密算法类，速度较快，在一些较新的区块链平台上使用；4)国密SM2：国家密码局认定的国产密码算法，基于ECC的256位非对称加密算法，该算法在国内一些相对敏感的区块链场景中使用。

在目前的区块链平台中，链的交易处理能力(TPS)还一直停留在较低的阶段，比如比特币的平均交易量是7笔/秒，以太坊也只有25笔/秒，远远不能满足实际需求。影响TPS的因素有很多，但其中签名验证是一个影响较大的环节。这是因为待加入区块链的每笔交易都需要验签，而验签又是一个计算密集型的操作。目前的区块链平台基本上都使用各节点的CPU来执行验签动作，因此如此密集的验签动作非常耗费CPU资源，使得本不尽如人意的TPS更是雪上加霜。

发明内容

当前，采用多核并行计算是提升处理器性能的重要方式，因此出现了包括海量并行结构运算单元的图形处理器(GPU)。相对于中央处理器(CPU)，图形处理器具有强大的数据处理能力，在浮点运算及并行计算等方面，能够提供中央处理器几十倍甚至数百倍的性能。对于大规模并发的简单计算，图形处理器相比于中央处理器能显著提高运算速度。而考虑到验签计算事实上也属于大量的重复计算，因此图形处理器更适合执行这样的计算工作，并因而能够释放中央处理器的资源，提高运算速度。

因此，本发明提供了一种用于区块链网络的签名验证方法，该方法基于OpenCL环境，可以在图形处理器上批量同时执行多个验签计算，不仅能够大幅提升验签速度，还能够显著降低对中央处理器资源的消耗，最终能显著提升区块链系统的整体性能。

本发明提供了一种用于区块链网络的签名验证方法，包括：由所述区块链网络中的节点的第一处理器从所述区块链网络中接收数据区块；由所述第一处理器将接收到的数据区块中的签名验证数据发送给所述节点的第二处理器，所述签名验证数据包括签名；由所述第二处理器根据所述签名验证数据来验证签名，以获得签名验证结果；以及由所述第二处理器将所述签名验证结果发送给所述第一处理器。

本发明还提供了一种区块链网络中的节点，包括：接收单元，所述接收单元被配置为从所述区块链网络中接收数据区块；第一处理器；以及第二处理器，其中，所述第一处理器被配置为将所述接收单元接收到的数据区块中的签名验证数据发送给第二处理器，所述签名验证数据包括签名，并且所述第二处理器被配置为根据所述签名验证数据来验证所述签名，以获得签名验证结果，以及将所述签名验证结果发送给所述第一处理器。

本发明提出的签名验证方法充分利用了近年来图形处理器的迅猛发展成果，在图形处理器上执行计算密集型的验签动作，速度比在中央处理器执行至少高1到2个数量级，可极大加快验签速度，在交易量大的时候优势更为显著。此外，通过将验签动作转移到图形处理器执行，显著降低了中央处理器的负载，使其从繁重的验签计算中解脱出来，从而处理更多的区块链的其它工作，比如通信共识和交易执行等，从另一个方面提高了整个区块链系统的处理能力。而且，对于区块链网络中的每个节点而言，可以根据实际需要自由选择不同性能和价位的显卡，并可以并行扩展，在软件层面不变的前提下通过增加显卡硬件来提升整个系统的处理能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的描述中所需要使用的附图做简单的说明。

图1是根据本发明的一个实施例的区块链网络中的节点的结构示意图；以及

图2是根据本发明的一个实施例的由区块链网络中的节点执行的签名验证方法的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的一个实施例的附图来对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1和图2，图1示出了根据本发明的一个实施例的区块链网络中的节点的结构示意图，图2是根据本发明的一个实施例的由区块链网络中的节点执行的签名验证方法的示意图。图1中的箭头表示数据流动的方向，但是这仅仅是示例性的而不是限制性的。在其它实施例中，数据的流动方向可以根据实施例的变化而改变。

如图1中示出的，在本实施例中，节点100是区块链网络中的任一节点，其包括接收单元11、中央处理器(CPU)12、以及图形处理器(GPU)13。在其它实施例中，接收单元也可以不是独立的单元，而是被包括在中央处理器12中，并且中央处理器12和图形处理器13也可以是任何其它处理器，只要满足本发明所要求的功能即可。在本实施例中，中央处理器12包括交易执行模块121和数据传输模块122，图形处理器13包括验签执行模块131。

同时参考图1和图2，在本发明提出的用于区块链网络的签名验证方法中，在步骤S21中，当在区块链网络中产生数据区块时，接收单元11从区块链网络中接收待加入区块链的数据区块。接着，接收单元11将接收到的数据区块经由中央处理器12中的交易执行模块121发送给数据传输模块122，并且在步骤S22中，由数据传输模块122将该数据区块中的签名验证数据(包括签名和明文)发送给图形处理器13中的验签执行模块131。此后，在步骤S23中，验签执行模块131根据接收到的签名验证数据来验证签名，以获得签名验证结果。由于数据区块中往往包括批量(多组)交易数据和对应的签名验证数据，因此，图形处理器13的验签执行模块131包括多个计算单元，用以对签名验证数据并行进行处理。每个计算单元分别根据每组签名验证数据来验证每个签名，以获得分别与每个签名相对应的多个签名验证结果，例如，“合法”或“不合法”，或者“正确”或“不正确”等。在本实施例中，验证签名的过程使用本领域中常用的非对称加密算法来执行，在其它实施例中，也可以使用其它加密算法，例如，对称加密算法。或者，在其它实施例中，也可以不使用图形处理器，而使用其它处理器，只要其具有多个并行计算单元并可以与中央处理器进行通信即可。

获得签名验证结果之后，在步骤S24中，由验签执行模块131经由数据传输模块122将签名验证结果发送给交易执行模块121。最后，在步骤S25中，交易执行模块121检查签名验证结果，当签名验证结果为正确时，执行与签名相对应的操作，例如进行实际的交易执行动作。除了在执行操作(例如，交易)前进行签名验证以外，在其它情形下，在操作检查(例如，交易检查)环节中，也需要进行签名验证。

下面描述用户将节点加入区块链网络并进行配置以使用本发明的签名验证方法的流程。在本实施例中，接收单元的功能被包括在中央处理器的交易执行模块中。流程主要分为两个阶段：第一阶段：设备、软件初始化，以及第二阶段：启动执行区块链节点。在第一阶段中，用户采购并安装显卡，接着将节点初始化、生成公私钥对，然后进行节点的参数配置，例如配置IP、PORT、创世区块、种子节点等参数。接下来进入第二阶段，中央处理器查找已安装的支持OpenCL的显卡设备并选取该显卡，随后，中央处理器准备验签代码(secp256k1)并编译，以及初始化验签数据(例如包括预计算数据表)，将验签代码和相关数据下传给显卡。接着，中央处理器启动数据传输模块，准备接收批量签名验证请求，并启动交易执行模块和共识模块。之后，节点间执行共识算法、广播交易、产生合法的数据区块，节点的中央处理器的交易执行模块接收产生的数据区块，向数据传输模块发起验签申请，并将接收到的数据区块发送给数据传输模块，数据传输模块继而将数据区块中的签名验证数据发送给显卡中的验签执行模块。验签执行模块根据验签算法来批量验证所有交易签名并经由数据传输模块向交易执行模块返回签名验证结果。交易执行模块随后检查签名验证结果，如果结果正确，则顺序执行相应的交易并保存结果。该数据区块也由此被加入区块链中。此后，重复节点间执行共识算法、广播交易及之后的所有操作。

通过使验签计算在图形处理器上批量执行，显著加快验签速度，尤其在交易量大的时候，能够提供非常快的交易速度，例如2000笔/秒，这显著提高了区块链系统的处理速度。此外，通过使用本发明提供的验签方法，还能够增加系统灵活性，节点用户可根据需要来自由选择显卡，通过改变硬件配置来提升系统的处理能力。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述的。应当理解的是，可由计算机程序指令和/或硬件设备来实现流程图和/或框图中的每一个流程图和/或框图、以及流程图和/或框图中的流程和/或方框。计算机程序可被存储于有形计算机可读介质中，例如CD-ROM、软盘、硬盘、数字通用光盘(DVD)、蓝光光盘或其它形式的存储设备。信息在可读介质上可以存储任意时间。可以理解，该计算机可读指令还可以存储在网络服务器中、云端平台上，以便于用户使用。替代地，在用硬件电路实现的实施例中，硬件电路例如为现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(EPLD)、分立的逻辑单元、硬件、固件等的任意组合来实现。尽管流程图和/或框图中的操作以特定顺序描绘，但这并不应该理解为要求此类操作以所示出的特定顺序或以相继顺序完成，或者执行所有图示的操作以获取期望结果。在某些情况下，多任务或并行处理会是有益的。

在本说明书中对“实施例”、“一个实施例”、“某些实施例”、或“其它实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特征、结构、或特性被包括在至少某些实施例中，而并非必须是所有实施例中。“实施例”、“一个实施例”、或“某些实施例”的各次出现并非全都必须指代相同的实施例。如果说明书陈述“可能”、“能够”、或“可以”包括组件、特征、结构、或特性，则该特定组件、特征、结构、或特性并非要求被包括。如果说明书或权利要求书提及“一”或“一个”元件，则并不表示仅存在元件中的一个。如果说明书或权利要求书提及“多个”元件，则可以表示“两个”及“两个以上”的元件。同样地，尽管上述描述包含了某些特定的实施细节，但这并不应解释为限制任何权利要求的范围，而应解释为对可以针对特定发明的特定实施例的描述。本说明书中在不同实施例中描述的某些特征也可以整合在单个实施例中。反之，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分立地在多个实施例或在任意合适的组合中实施。

Claims (10)

1.一种用于区块链网络的签名验证方法，包括：

由所述区块链网络中的节点的第一处理器从所述区块链网络中接收数据区块；

由所述第一处理器将接收到的数据区块中的签名验证数据发送给所述节点的第二处理器，其中，所述签名验证数据包括签名；

由所述第二处理器根据所述签名验证数据来验证所述签名，以获得签名验证结果；以及

由所述第二处理器将所述签名验证结果发送给所述第一处理器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二处理器包括多个计算单元，并且，所述数据区块中包含多组签名验证数据，所述多个计算单元中的每个计算单元分别根据每组签名验证数据验证每个签名，以获得分别与每个签名相对应的多个签名验证结果。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一处理器为中央处理器，并且所述第二处理器为图形处理器。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：由所述第一处理器检查所述签名验证结果，当所述签名验证结果为正确时，由所述第一处理器执行与所述签名对应的操作。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述第二处理器根据所述签名验证数据来验证签名包括：由所述第二处理器使用非对称加密算法来根据所述签名验证数据验证所述签名。

6.一种区块链网络中的节点，包括：

接收单元，所述接收单元被配置为从所述区块链网络中接收数据区块；

第一处理器；以及

第二处理器，其中，所述第一处理器被配置为将所述接收单元接收到的数据区块中的签名验证数据发送给所述第二处理器，其中，所述签名验证数据包括签名，并且所述第二处理器被配置为根据所述签名验证数据来验证所述签名，以获得签名验证结果，以及将所述签名验证结果发送给所述第一处理器。

7.根据权利要求6所述的节点，其中，所述第二处理器包括多个计算单元，并且，所述数据区块中包含多组签名验证数据，所述多个计算单元中的每个计算单元分别根据每组签名验证数据验证每个签名，以获得与所述每个签名相对应的多个签名验证结果。

8.根据权利要求6或7所述的节点，其中，所述第一处理器为中央处理器，并且所述第二处理器为图形处理器。

9.根据权利要求6所述的节点，其中，所述第一处理器还被配置为检查所述签名验证结果，当所述签名验证结果为正确时，执行与所述签名对应的操作。

10.根据权利要求6所述的节点，其中，所述第二处理器还被配置为使用非对称加密算法来根据所述签名验证数据验证签名。