CN109246192A - 基于北斗rdss的区块链系统及其实现方法 - Google Patents

基于北斗rdss的区块链系统及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于北斗卫星无线电测定业务(RDSS)的区块链系统及其实现方法，该区块链系统包括与区块链节点相连的若干北斗RDSS终端和北斗卫星；当打包节点生成区块时，通过互联网广播完整的区块，并利用打包节点通过所述北斗RDSS终端将区块头发送至北斗卫星，所述北斗卫星接收数据后，利用超帧格式广播区块头至其他节点；所述其他节点的北斗RDSS终端解算出区块头和广播时的精准时间，在新区块结构的时间戳(TimeStamp)字段中记录北斗广播时间，从而得到北斗区块头。采用本发明，能够通过北斗卫星RDSS广播区块的摘要信息，利用北斗卫星具有能够提供高授时精度时钟的特点，解决现有区块链系统中存在的上述一系列问题。

Description

基于北斗RDSS的区块链系统及其实现方法
技术领域
本发明涉及北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)和区块链(Block Chain)技术，尤其涉及一种基于北斗卫星无线电测定业务(RadioDetermination Satellite Service，RDSS)的区块链系统及其实现方法。
背景技术
北斗卫星导航系统(BDS)，是我国自行研制的全球卫星导航系统，其主要由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力。目前已具备区域导航、定位和授时能力，其授时精度可达10纳秒(ns)。
但是，目前流行的区块链系统中，均使用互联网作为唯一的数据传输手段。由于网络延时的存在，区块链节点无法准确获知一个区块的真实生成时间，因此容易造成一系列的问题，具体如下：
图1为现有区块链系统节点无法获知一个区块的真实生成时间的状况示意图。
如图1所示，在该区块链网络中，每个圆圈代表一个区块链节点，节点与节点之间的连线中，粗线代表高速网络，细线代表低速网络。令节点41为A节点，节点39为B节点；每个圆圈代表的节点中，上层的数字代表收到B节点打包的时间，下层的数字代表收到A节点打包的时间。
假设高速网络连接的两个节点间传输一个区块需要1秒，低速网络间传输一个区块需要2秒。设A节点在10:00:30生成了一个区块，B节点在10:00:32生成了一个区块。由于网络传输条件的不同，每个节点收到这两个块的时间均不同。因此节点无法判断这两个区块生成时间的先后。
现有的区块链系统中，均采用区块树的方法维护区块链。节点需要维护一个区块树，因为每一个收到的区块都是潜在的主链区块。每收到一个区块后，加入现有的区块树，重新比较各条链的长度，“胜出”的设为主链。这种方式低效，高成本，增加了挖矿的竟争消耗。同时增加了系统的不确定性，现有主链有被“推翻”的可能性。
图2为现有区块链系统节点接收区块的时间不同的模型示意图。由于区块链网络的复杂性，每个节点接收新区块的时间各不相同。
如图2所示，每个圆圈代表一个区块链节点，节点与节点之间的网络拓扑中，粗线代表高速网络，细线代表低速网络。令灰色圆圈所代表的区块链节点代表打包节点，标有数字的圆圈所代表的区块链节点中，数字代表收到新区块的时间。
如图2所示的区块链网络中，假设高速网络连接的两个节点间传输一个区块需要1秒，低速网络间传输一个区块需要2秒。设打包节点在10:00:30生成了一个区块，并立即广播。网络拓扑因素导致，每个节点收到这个区块的时间不同。其中，A节点在10:00:31即收到了这个区块，B节点在10:00:40收到这个区块，A节点相对B节点取得了额外9秒的打包时间的优势。
由此可知，现有的区块链系统，使用互联网传输新生成的区块，主要存在以下问题：1)区块链网络是由节点间自发形成的P2P网络，网络的拓扑结构难以预测；2)不同节点之间，网络带宽、延迟均不同；3)通常情况下，这个网络在不断动态变化。
基于以上三点，区块链网络的拓扑结构十分复杂。区块在任意两个节点间传输的速度是无法预知的。但是，有通过北斗卫星提供的基准时间来解决区块链系统存在的上述问题的可能。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于北斗卫星无线电测定业务(RDSS)的区块链系统及其实现方法，通过北斗卫星导航系统的RDSS广播区块的摘要信息，利用北斗卫星具有能够提供高授时精度(可达10ns)时钟的特点，解决现有区块链系统中存在的上述一系列问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于北斗卫星无线电测定业务RDSS的区块链系统，传输于互联网的区块链系统，其特征在于，还包括与区块链节点相连的若干北斗RDSS终端和北斗卫星；当打包节点生成区块时，通过互联网广播完整的区块，并利用打包节点通过所述北斗RDSS终端将区块头BlockHeader发送至北斗卫星，所述北斗卫星接收数据后，利用超帧格式广播区块头BlockHeader至其他节点；所述其他节点的北斗RDSS终端解算出区块头和广播时的精准时间，在新区块结构的时间戳TimeStamp字段中记录北斗广播时间，从而得到北斗区块头。
其中：将该北斗广播时间作为判断区块打包先后顺序的唯一依据，选择最早的区块。
其中：对所述得到的北斗区块头进行哈希，得到下一个区块的父区块头，放入下一区块的区块头中。
其中：将通过互联网接收到的完整区块与所述北斗RDSS终端接收的原区块头进行计算校验，校验正确后选择广播时间最早的区块作为有效区块；并将新区块头代替原区块头放入有效区块结构中，得到完整的北斗区块。
一种基于北斗卫星无线电测定业务RDSS的区块链系统的实现方法，包括如下步骤：
A、在区块链的节点上设置北斗RDSS终端，在打包节点完成区块打包后，将该区块通过互联网传播，并将区块头通过北斗RDSS终端发送出去；
B、北斗卫星接收包括所述区块头在内的数据后，利用能够解算精准时间段超帧格式广播至其他北斗RDSS终端；
C、所述其他北斗RDSS终端接收到北斗卫星RDSS广播的区块头报文数据时，从数据帧中提取该区块头发送的北斗时BDT或世界协调时UTC时间，所述北斗RDSS终端解算出超帧中原区块头的广播时间，并将所述的时间放入时间戳TimeStamp字段中，组成新的北斗区块头；
D、以北斗广播时间作为判断区块打包时间先后顺序的唯一依据，并将北斗区块头代替原区块中的区块头，对所述北斗区块头进行哈希，作为下一区块的父区块头哈希。
其中：步骤D之后进一步包括：
将通过互联网接收到的完整区块与北斗RDSS终端接收的原区块头进行计算校验，校验正确后选择广播时间最早的区块作为有效区块；并以新区块头代替原区块头，放入有效区块结构中得到完整的北斗区块。
进一步包括：将所述北斗区块添加到链上，由这条链提供永久和透明度交易。
本发明的基于北斗卫星无线电测定业务(RDSS)的区块链系统，具有如下有益效果：
本发明的区块链系统，通过北斗RDSS终端的采用既有成熟的方式与节点计算机连接，当打包节点成功生成区块时，通过互联网广播完整的区块，并通过北斗卫星传播区块头。同时，通过对现有的区块结构进行了改进，在改进后的新区块结构的交易(Transactions)结构中增加了一个8字节(Byte)的用于记录北斗卫星的精准时间时间戳(TimeStamp)字段，
打包节点通过北斗RDSS终端将80Byte的区块头发送至北斗卫星，北斗卫星接收数据后，利用可以解算精准时间的超帧格式来广播区块头至地面的其他节点；通过解算出超帧中80Byte区块头(BlockHeader)的8Byte广播时间，将时间放入时间戳(TimeStamp)中，组成88Byte的北斗区块头，以北斗广播时间作为判断区块打包时间先后顺序的唯一依据；同时，将北斗区块头代替原区块中80Byte的区块头，对北斗区块头进行哈希，作为下一区块的父区块头哈希。当计算得到父区块头哈希后，无需等待互联网传播的区块到达，直接开始下一个区块打包计算。采用该方式，可以加快挖矿的速度。当一个节点短时间内接收到多个高度一致的区块时，以此北斗广播时间作为判断区块打包先后顺序的唯一依据，选择出最早的区块。从而避免了采用互联网传输新生成的区块由于时间不同所带来的不公平性。
附图说明
图1为现有区块链系统节点无法获知一个区块的真实生成时间的状况示意图；
图2为现有区块链系统节点接收区块的时间不同的模型示意图；
图3为本发明实施例基于北斗卫星无线电测定业务(RDSS)的区块链系统工作原理示意图；
图4为图3所示区块链系统的新、旧区块结构对比示意图；
图5为图3所示北斗卫星无线电测定业务(RDSS)所采用广播方式对外发送信息的超帧和帧结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明作进一步详细的说明。
图3为本发明实施例基于北斗卫星无线电测定业务(RDSS)的区块链系统工作原理示意图。
如图3所示，该基于北斗卫星无线电测定业务(RDSS)的区块链系统的工作过程如下：
步骤1：假设通过节点A转账给节点B。
步骤2：将该笔交易在网络上以一个区块来代表。
步骤3：在挖矿节点上设置北斗RDSS终端，当完成区块打包后，将该区块通过互联网传播，将80Byte的区块头通过北斗RDSS终端发送出去。
这里，设置北斗RDSS终端的芯片采用既有成熟的方式与节点计算机连接。当打包节点成功生成区块时，通过互联网广播完整的区块，并通过北斗RDSS终端将区块头发送给北斗卫星，然后由北斗卫星传播所述区块头。
参考图4，我们对现有的区块结构进行了改进，在改进后的新区块结构的交易(Transactions)结构中增加了一个8字节(Byte)的时间戳(TimeStamp)字段，用于记录北斗卫星的精准时间。
因此，新区块结构，包括4字节的MagicNo字段，4字节的区块大小(BlockSize)字段，8字节的时间戳(TimeStamp)字段和80个字节的区块头(BlockHeader)字段。
步骤4：将区块头(BlockHeader)发至北斗卫星，以超帧格式广播至地面北斗RDSS终端。
具体过程为：打包节点通过北斗RDSS终端将80Byte的区块头发送至北斗卫星，北斗卫星接收数据后，利用可以解算精准时间的超帧格式来广播区块头至地面的其他节点。
参考图5，为图3所示北斗卫星无线电测定业务(RDSS)所采用广播方式对外发送信息的超帧和帧结构示意图。
北斗卫星导航系统采用原子钟以维持系统的高精度时间基准，并且北斗时(BDT)可以通过计算追溯到世界协调时(UTC)，BDT的起始时刻为UTC的2006年1月1日0点0分0秒。
北斗RDSS接收端收到北斗卫星RDSS广播的区块头报文数据时，从数据帧中提取出该该区块头发送的BDT或者UTC时间。
北斗卫星的RDSS功能采用广播方式对外发送信息，所广播的信息帧在时域的划分上分为超帧和帧两种结构，为固定帧长。一个超帧周期为精准的1min，每个超帧包含1920帧，每秒为严格的32帧，每个帧周期为31.25ms。
步骤5：安装有北斗RDSS终端的节点，解算出超帧中80Byte区块头(BlockHeader)的8Byte广播时间，将时间放入时间戳(TimeStamp)中，组成88Byte的北斗区块头，以北斗广播时间作为判断区块打包时间先后顺序的唯一依据；同时，将北斗区块头代替原区块中80Byte的区块头，对北斗区块头进行哈希，作为下一区块的父区块头哈希。
具体为：当其他节点的RDSS终端接收到超帧后解算出区块头和广播时的精准时间，在新区块结构的时间戳(TimeStamp)字段中记录8Byte的广播时间，其精确到毫秒，从而得到88Byte的北斗区块头。
当一个节点短时间内接收到多个高度一致的区块时，以此北斗广播时间作为判断区块打包先后顺序的唯一依据，选择出最早的区块。从而避免了采用互联网传输新生成的区块由于时间不同所带来的不公平性。
例如，对88Byte的新区块头进行哈希，得到下一个区块的父区块头，放入下一区块的区块头中。因打包下一个区块需要的是父区块头哈希，而不是区块本身，当计算得到父区块头哈希后，无需等待互联网传播的区块到达，直接开始下一个区块打包计算。采用该方式，可以加快挖矿的速度。
将通过互联网接收到的完整区块与北斗RDSS终端接收的80Byte区块头进行计算校验，校验正确后选择广播时间最早的区块作为有效区块。以88Byte的区块头代替原来的80Byte区块头，放入有效区块结构中，从而得到完整的北斗区块。
在本发明的实施例中，北斗卫星广播的区块头数据放置在每帧中“数据段”中(参考图5)，由于区块头的长度为32Byte＝256bit(104Byte＝832bit)，需要通过多个帧的数据才能接收完毕区块头数据，区块头广播的时刻为第一个分帧的“数据段”首个位(bit)的时刻。
在北斗卫星播发的每帧中“广播信息”字段，含有北斗的授时信息，包括自BDT起始时刻的年计数(YN，整数)、当年的整分钟计数(MOY，整数)、闰秒(LeapS，BDT相对于UTC的闰秒累计数)，通过上述信息可获取广播区块头UTC时间，具体过程如下：
公元年＝2006+YN；
闰年公历月＝……；
非闰年公历月＝……；
闰年公历日＝……；
非闰年公历日＝……；
天计数(DN)＝取整数[MOY÷(60×24)]；
UTC时(HN)＝取整数[(MOY-DN×24×60)÷60]；
UTC分(MN)＝取整数[MOY-DN×24×60-HN×60]；
UTC秒(SN)＝取整数[帧的分帧号×31.25ms]+闰秒。
一帧长度为250bit，存放区块头的“数据段”在帧中的位置为第87bit～228bit(长度为142bit，之前有86bit)。那么，可计算得出区块头在北斗RDSS数据段的时刻为31.25ms÷250×86＝10.75ms，即在每个帧的第10.75ms。因此，可算出当前的具体时刻为＝(帧的分帧号-1×31.25ms)+10.75ms。
步骤6：将该区块添加到链上，由这条链提供永久和透明的交易。
步骤7：以该链作为基准，将该笔交易资金从节点A转移到节点B。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于北斗卫星无线电测定业务RDSS的区块链系统，包括传输于互联网的区块链系统，其特征在于，还包括与区块链节点相连的若干北斗RDSS终端和北斗卫星；当打包节点生成区块时，通过互联网广播完整的区块，并利用打包节点通过所述北斗RDSS终端将区块头BlockHeader发送至北斗卫星，所述北斗卫星接收数据后，利用超帧格式广播区块头BlockHeader至其他节点；所述其他节点的北斗RDSS终端解算出区块头和广播时的精准时间，在新区块结构的时间戳TimeStamp字段中记录北斗广播时间，从而得到北斗区块头。
2.根据权利要求1所述基于北斗卫星RDSS的区块链系统，其特征在于，将该北斗广播时间作为判断区块打包先后顺序的唯一依据，选择最早的区块。
3.根据权利要求1所述基于北斗卫星RDSS的区块链系统，其特征在于，对所述得到的北斗区块头进行哈希，得到下一个区块的父区块头，放入下一区块的区块头中。
4.根据权利要求1所述基于北斗卫星RDSS的区块链系统，其特征在于，将通过互联网接收到的完整区块与所述北斗RDSS终端接收的原区块头进行计算校验，校验正确后选择广播时间最早的区块作为有效区块；并将新区块头代替原区块头放入有效区块结构中，得到完整的北斗区块。
5.一种基于北斗卫星无线电测定业务RDSS的区块链系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、在区块链的节点上设置北斗RDSS终端，在打包节点完成区块打包后，将该区块通过互联网传播，并将区块头通过北斗RDSS终端发送出去；
B、北斗卫星接收包括所述区块头在内的数据后，利用能够解算精准时间段超帧格式广播至其他北斗RDSS终端；
C、所述其他北斗RDSS终端接收到北斗卫星RDSS广播的区块头报文数据时，从数据帧中提取该区块头发送的北斗时BDT或世界协调时UTC时间，所述北斗RDSS终端解算出超帧中原区块头的广播时间，并将所述的时间放入时间戳TimeStamp字段中，组成新的北斗区块头；
D、以北斗广播时间作为判断区块打包时间先后顺序的唯一依据，并将北斗区块头代替原区块中的区块头，对所述北斗区块头进行哈希，作为下一区块的父区块头哈希。
6.根据权利要求5所述基于北斗卫星RDSS的区块链系统的实现方法，其特征在于，步骤D之后进一步包括：
将通过互联网接收到的完整区块与北斗RDSS终端接收的原区块头进行计算校验，校验正确后选择广播时间最早的区块作为有效区块；并以新区块头代替原区块头，放入有效区块结构中得到完整的北斗区块。
7.根据权利要求6所述基于北斗卫星RDSS的区块链系统的实现方法，其特征在于，进一步包括：
将所述北斗区块添加到链上，由这条链提供永久和透明度交易。
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