CN108446376A - 数据存储方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数据存储方法，包括：基于待存储数据的键值信息，在用于表征存储架构的树表示中确定第一节点的位置，第一节点对应于待存储数据；基于第一节点的子节点的哈希信息和键值信息来确定第一节点的哈希信息，并且待存储数据的存储索引基于第一节点的哈希信息来确定；如果树表示中存在与第一节点哈希相关的节点，则基于第一节点的哈希信息，对在树表示中的与第一节点哈希相关的节点的哈希信息进行更新。

Description

数据存储方法与装置
技术领域
本发明属于计算机领域，尤其涉及一种能够应用在区块链中的数据存储方法与装置。
背景技术
区块链技术是基于去中心化的对等网络，将密码学和分布式共识等技术相结合而创造一套安全的分布式系统。
区块链的存储，可以简单地分为区块数据和状态数据两种。一般而言,区块数据包含了区块链本身的存储，即包括区块头信息和区块打包的交易数据；状态数据是区块链账本状态的描述，一般以键值对的方式进行存储。区块数据和状态数据存在如下关系：区块数据中的交易数据是对状态数据的变更记录，而状态数据是区块数据执行的结果反映。
然而，当前存储区块链的状态数据的方法并不支持并发操作，无法满足大量请求的区块链系统。
因此，亟需提供一种能够支持并发操作的存储方法。
发明内容
本发明针对当前区块链的数据存储不支持并发操作的问题，提出了一种通过对存储内容的改变进而实现支持并发操作的存储方法。
本发明首先提出了一种数据处理方法，包括：基于待存储数据的键值信息，在用于表征存储架构的树表示中确定第一节点的位置，所述第一节点对应于所述待存储数据；基于所述第一节点的子节点的哈希信息和所述键值信息来确定所述第一节点的哈希信息，并且所述待存储数据的存储索引基于所述第一节点的哈希信息来确定；如果所述树表示中存在与所述第一节点哈希相关的节点，则基于所述第一节点的哈希信息，对在所述树表示中的与所述第一节点哈希相关的节点的哈希信息进行更新。
本发明还提出了一种数据恢复方法，其包括基于指定节点的哈希信息来确定与之对应的节点数据，其中，所述节点数据包括所述经存储的数据的键值信息以及所述指定节点的子节点的哈希信息；基于所述指定节点的哈希信息以及所述子节点的哈希信息来确定以所述指定节点为根节点的树表示，其中，所述树表示用于表征存储架构
本发明的还提出了一种用于数据存储的装置，其包括：处理器；存储器，其用于存储指令，当所述指令在执行时，使得所述处理器执行以下操作：基于待存储数据的键值信息，在用于表征存储架构的树表示中确定第一节点的位置，所述第一节点对应于所述待存储数据；基于所述第一节点的子节点的哈希信息和所述键值信息来确定所述第一节点的哈希信息，并且所述待存储数据的存储索引基于所述第一节点的哈希信息来确定；如果所述树表示中存在与所述第一节点哈希相关的节点，则基于所述第一节点的哈希信息，对在所述树表示中的与所述第一节点哈希相关的节点的哈希信息进行更新。
本发明的还提出了一种用于数据恢复的装置，其包括：处理器；存储器，其用于存储指令，当所述指令在执行时，使得所述处理器执行以下操作：基于指定节点的哈希信息来确定与之对应的节点数据，其中，所述节点数据包括所述经存储的数据的键值信息以及所述指定节点的子节点的哈希信息；基于所述指定节点的哈希信息以及所述子节点的哈希信息来确定以所述指定节点为根节点的树表示，其中，所述树表示用于表征存储架构。
本发明还提出了一种计算机可读存储介质，具有存储在其上的计算机可读程序指令，当所述指令被执行时，执行以上涉及到数据存储和/或恢复方法。
相较于传统方法，通过本发明的技术方案，能够提升状态数据的更新速度，够获得与指定树结构匹配的性能，并且对状态数据的任何修改都会反映到根节点上。另外，树结构的左右子树的操作互不影响，能够实现并发操作。
附图说明
参考附图示出并阐明实施例。这些附图用于阐明基本原理，从而仅仅示出了对于理解基本原理必要的方面。这些附图不是按比例的。在附图中，相同的附图标记表示相似的特征。
图1为默克尔树的示意图；
图2为依据本发明实施例的基于默克尔树的红黑树结构的示意图；
图3为依据本发明实施例的对应于无数据状态下插入数据的示意图；
图4a、4b为依据本发明实施例的在图3的红黑树结构中插入数据的示意图；
图5为依据本发明实施例的数据存储的流程图；
图6为依据本发明实施例的数据恢复的流程图。
具体实施方式
在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。对于附图中的各单元之间的连线，仅仅是为了便于说明，其表示至少连线两端的单元是相互通信的，并非旨在限制未连线的单元之间无法通信。
首先对本发明所涉及的术语进行阐述。哈希(Hash)用于把任意长度的输入变换成指定长度的输出，该输出就是哈希值。通过不同的哈希算法(譬如但不限于MD5、SHA、RIPEMD、国密SM3等)来确定的哈希值皆可用于本发明。“树表示”是指用来表征逻辑上的存储架构，可以包括红黑树(Red Black Tree)、B树(Balanced tree)、默克尔树(MerkleTree)等等。“树表示处于空状态”表示此时没有具体的键值数据基于该树表示存储在数据库中。对于本发明的实施例而言，空状态旨在说明此时的树表示(譬如，红黑树)只有一个根节点和两个空的子节点，根节点没有相对应的键值数据。当一节点的哈希值变化时，进而影响到的其它节点哈希值，则将该节点与受影响的节点之间认为是哈希相关。
发明人通过大量的实践发现，对于区块链的交易数据，可以通过例如默克尔树来实现对交易数据的存储。图1中的默克尔树的叶子节点存放具体的存储数据，每个中间节点存放其子节点内容合并后的哈希信息。具体而言，根据默克尔树的结构来存储多个数据时，将对与该多个数据相关的哈希信息进行处理。如图1所示，数据Dn分别具有与之相对应的哈希信息Hn。因此，当任何一个叶子节点存储的哈希信息发生变更时，这个变更便会反映根节点的具体数据的变化。
在现有的区块链系统中，默克尔树主要被用来存储交易数据，而交易数据本身是比较扁平简单，不会更新的，所以默克尔树可以很好地完成交易数据的存储。然而，由于状态数据变化频繁，默克尔树并不适合存储状态数据。另外，基于默克尔树的数据结构，往往只能对数据进行读取、写入，难以进行查找，并且由于与叶子节点对应的哈希信息与其下一层两个节点相关，因此，基于默克尔树的数据结构难以进行并发操作。
针对上述问题，本发明提出一种基于默克尔树的数据存储方法，通过该方法，能够实现对数据的查找以及实施并行处理。
下面以红黑树为例，对该数据存储方法进行阐述。本领域技术人员可以理解的，虽然这里以红黑树为例，但是其它类型的树也可以和默克尔树相结合。
图2示出了依据本发明实施例的基于默克尔树的红黑树结构，其中，阴影节点是黑节点，无阴影的节点是红节点。
如图2所示，节点1对应于哈希信息H1，节点6对应于哈希信息H6，其中，哈希信息H6可以由表达式(1)来表示：
H6＝hash(K6:V6+hash(nil)+hash(nil)) (1)
其中，K6:V6为与节点6对应的键值对数据，K6为键值名，V6为键值，hash(nil)为空节点的哈希值。由于节点1是节点6的上层节点，因此，哈希信息H1中的信息可以由表达式(2)来表示：
H1＝hash(K1:V1+hash(nil)+hash(H6)) (2)
其中，K1:V1为与节点1对应的键值对数据，hash(H6)为节点6的哈希信息的哈希值。以此类推，各个节点处的哈希信息均包括键值对数据以及同样，节点8相对应的哈希信息H8可以由表达式(3)来表示：
H8＝hash(K8:V8+hash(H1)+hash(H11)) (3)
其中，K8:V8为与节点8对应的键值对数据，hash(H1)、hash(H11)分别为节点1、11的哈希信息的哈希值。
上述红黑树的结构逻辑上是通过键值对K:V来进行构造，即对于K的值而言，左边节点的K值小于右边节点的K值。可以理解的，当对节点8进行更新时，可以同时对节点1和11进行操作且该两个支路并不相互影响，进而实现并发操作。
下面结合实施例1-3对本发明的存储方法进行阐述。
实施例1：无待存储数据。
首先，初始化默克尔红黑树，此时只有一个根节点和两个空的子节点，没有具体的键值数据。其次，由于此时没有具体的存储数据，因此，将不在数据库中进行存储数据的操作。
实施例2：无待存储数据状态下，插入数据并存储。
结合图3对实施例2进行阐述，其中，图3为依据本发明实施例的对应于无数据状态下插入数据的示意图。
由实施例1可知，在无待存储数据状态下，初始化后的默克尔红黑树只有一个根节点和两个空的子节点，其默克尔根为空节点的哈希值hash(nil)。
设待插入的键值对为K1:V1，此时，节点N1对应的键值对存储变更为K1:V1，相应的哈希信息HN1可以由表达式(4)来表示：
HN1＝hash(K1:V1+hash(nil)+hash(nil)) (4)
基于哈希信息HN1，可以获得此时的节点数据D1为键值对数据K1:V1以及两个空的子节点的哈希值。相应地，节点1的哈希信息HN1为hash(D1)，因此数据D1的存储索引基于哈希信息HN1来确定。譬如，可以将哈希信息HN1作为数据D1的存储索引，或是将哈希信息HN1作为数据D1的存储索引的一部分。数据库中，通过哈希信息HN1，可以确定数据D1，进而实现对数据的读取等操作。
实施例3：已存在存储数据的基础上，再次插入数据并存储。
图4a、4b为依据本发明实施例的在图3的红黑树结构中插入数据的示意图，假设新插入键值对K2:V2。
如图4a所示，当K2<K1时，与K2对应的节点N2可以作为节点N1的子节点。然后，先存储与节点N2对应的数据，然后，再更新与节点1对应的数据。由前述可知，与节点N2对应的数据为D2＝K2:V2+hash(nil)+hash(nil)，而与节点N1对应的数据为D1＝K1:V1+leftHash+hash(nil)，其中，leftHash为基于D2确定的哈希值。
如图4b所示，当K1<K2时，与K2对应的节点N2可以作为节点N1的根节点，节点N1作为节点N2的左子节点。然后，先存储与节点N1对应的数据，然后，再更新与节点N2对应的数据。由前述可知，与节点N1对应的数据为D1＝K1:V1+hash(nil)+hash(nil)，而与节点N2对应的数据为K2:V2+leftHash+hash(nil)，其中，leftHash为基于D1确定的哈希值。
根据上述实施例，可以类推其它条件下的存储，此处不再赘述。通过上述实施例，可以维持本发明中改良后的红黑树架构的特性。虽然上述实施例中使用基于默克尔树的哈希值与待存储的数据一起构造了红黑树的架构，但是在其它实施例中可以采用其它树形结构。需要注意的是，以上所有实施例中，所涉及到的数据库可以是但不限于LevelDB、RocksDB、MySQL。
图5为依据本发明实施例的数据存储的流程图。
步骤S501：确定与接收到的待存储数据相对应的键值信息。
在此步骤中，当接收到的待存储数据的大小达到用户指定的数据处理单位时，则根据用户指定的数据存储规则来确定与待存储数据相对应的键值信息(即键值对K:V)。换而言之，每次将对至少一个数据处理单位的待存储数据进行处理。
步骤S502：根据所确定的键值信息来确定该待存储数据在存储架构中的位置。
在此步骤中，根据键值信息中的K值来确定该待存储数据在存储架构中的位置。以红黑树为例，可以根据该K值来确定该待存储数据对应于红黑树中的哪个节点，譬如为图2中的节点1。
步骤S503：基于节点1的位置和键值信息来确定节点1的哈希信息，并更新在存储架构中的与节点1哈希相关的节点的哈希信息。
在此步骤中，节点1的位置确定后，将更新与节点1哈希相关的节点8、13中的哈希信息。
通过执行上述步骤，可以确定待存储数据的存储索引，并且更新与之哈希相关的数据的存储索引。
图6为依据本发明实施例的数据恢复的流程图。
步骤S601：基于接收到的哈希信息来确定相应的数据信息。
如实施例2中所讨论的，节点哈希信息nodeHash在数据库中可以作为存储索引。
如果给定节点的哈希信息nodeHash对应于空指针，那么这棵红黑树为空的红黑树。否则，以nodeHash为键，在数据库中确定与该给定节点相对应的数据信息D，然后从该数据信息D中确定键值对K:V。
步骤S602：基于数据信息D中的子节点的哈希信息来确定子节点。
如果数据信息D中存储的左/右子节点的哈希信息为空指针的哈希信息，那么说明该左/右子节点为空；否则，基于该左/右子节点的哈希信息来进一步确定其子节点的信息。
步骤S603：基于给定节点和其子节点的哈希信息来确定以该给定节点为根节点的树表示。
在该步骤中，实现构造以给定节点为根节点的完整红黑树。如此，通过上述的nodehash值，可以在数据库中读取到完整的数据，实现对数据的恢复，从而便于随时使用。
图5-6中的数据处理方法的流程还代表机器可读指令，该机器可读指令包括由处理器执行的程序。该编程指令存储于有形计算机可读介质上，如硬盘、闪存、只读存储器(ROM)、光盘(CD)、数字通用光盘(DVD)、高速缓存器、随机访问存储器(RAM)和/或任何其他存储介质，在该存储介质上信息可以存储任意时间(例如，长时间，永久地，短暂的情况，临时缓冲，和/或信息的缓存)。如在此所用的，该术语有形计算机可读介质被明确定义为包括任意类型的计算机可读存储的信息。附加地或替代地，可利用编码指令(如计算机可读指令)实现图5-6的示例过程，该编码指令存储于非暂时性计算机可读介质，如硬盘，闪存，只读存储器，光盘，数字通用光盘，高速缓存器，随机访问存储器和/或任何其他存储介质，在该存储介质信息可以存储任意时间(例如，长时间，永久地，短暂的情况，临时缓冲，和/或信息的缓存)。可以理解的，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。
另外，尽管操作以特定顺序被描绘，但这并不应该理解为要求此类操作以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。同样地，尽管上述讨论包含了某些特定的实施细节，但这并不应解释为限制任何发明或权利要求的范围，而应解释为对可以针对特定发明的特定实施例的描述。本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可以整合实施在单个实施例中。反之，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分离地在多个实施例或在任意合适的子组合中实施。
因此，虽然参照特定的示例来描述了本发明，这些特定的示例仅仅旨在是示例性的，而不是对本发明进行限制，但对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和保护范围的基础上，可以对所公开的实施例进行改变、增加或者删除。

Claims (13)

1.一种数据存储方法，其特征在于，包括：
基于待存储数据的键值信息，在用于表征存储架构的树表示中确定第一节点的位置，所述第一节点对应于所述待存储数据；
基于所述第一节点的子节点的哈希信息和所述键值信息来确定所述第一节点的哈希信息，并且所述待存储数据的存储索引基于所述第一节点的哈希信息来确定；
如果所述树表示中存在与所述第一节点哈希相关的节点，则基于所述第一节点的哈希信息，对在所述树表示中的与所述第一节点哈希相关的节点的哈希信息进行更新。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述树表示还包括第二节点，并且基于所述第一节点的键值信息和所述第二节点的键值信息来确定所述第一节点的位置，
若第一节点被确定作为所述第二节点的一个子节点，则基于所述第一节点和所述第二节点的另一个子节点来确定所述第二节点的哈希信息，并且相较于所述第二节点，先存储所述第一字节点的哈希信息和所述待存储数据；
若第一节点被确定作为所述第二节点的根节点，则基于所述第二节点和所述第一节点的另一个子节点来确定所述第一节点的哈希信息。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述树表示处于空状态时，所述树表示中的根节点和所述根节点的子节点均为空节点。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于预定大小的数据处理单位来确定所述待存储数据的键值信息。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述树表示是红黑树。
6.一种数据恢复的方法，其特征在于，包括：
基于指定节点的哈希信息来确定与之对应的节点数据，其中，所述节点数据包括所述经存储的数据的键值信息以及所述指定节点的子节点的哈希信息；
基于所述指定节点的哈希信息以及所述子节点的哈希信息来确定以所述指定节点为根节点的树表示，其中，所述树表示用于表征存储架构。
7.一种用于数据存储的装置，其特征在于，包括：
处理器；
存储器，其用于存储指令，当所述指令在执行时，使得所述处理器执行以下操作：
基于待存储数据的键值信息，在用于表征存储架构的树表示中确定第一节点的位置，所述第一节点对应于所述待存储数据；
基于所述第一节点的子节点的哈希信息和所述键值信息来确定所述第一节点的哈希信息，并且所述待存储数据的存储索引基于所述第一节点的哈希信息来确定；
如果所述树表示中存在与所述第一节点哈希相关的节点，则基于所述第一节点的哈希信息，对在所述树表示中的与所述第一节点哈希相关的节点的哈希信息进行更新。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述树表示包括第二节点，并且基于所述第一节点的键值信息和所述第二节点的键值信息来确定所述第一节点的位置，
若第一节点被确定作为所述第二节点的一个子节点，则基于所述第一节点和所述第二节点的另一个子节点来确定所述第二节点的哈希信息，并且相较于所述第二节点，先存储所述第一字节点的哈希信息和所述待存储数据；
若第一节点被确定作为所述第二节点的根节点，则基于所述第二节点和所述第一节点的另一个子节点来确定所述第一节点的哈希信息。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，当所述树表示处于空状态时，所述树表示中的根节点和所述根节点的子节点均为空节点。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，基于预定大小的数据处理单位来确定所述待存储数据的键值信息。
11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述树表示是红黑树。
12.一种用于数据恢复的装置，其特征在于，包括：
处理器；
存储器，其用于存储指令，当所述指令在执行时，使得所述处理器执行以下操作：
基于指定节点的哈希信息来确定与之对应的节点数据，其中，所述节点数据包括所述经存储的数据的键值信息以及所述指定节点的子节点的哈希信息；
基于所述指定节点的哈希信息以及所述子节点的哈希信息来确定以所述指定节点为根节点的树表示，其中，所述树表示用于表征存储架构。
13.一种计算机可读存储介质，具有存储在其上的计算机可读程序指令，其特征在于，当所述指令被执行时，执行如权利要求1-6中任一项所述的方法。
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