CN109559231B

CN109559231B - 一种面向区块链的追溯查询方法

Info

Publication number: CN109559231B
Application number: CN201811634677.5A
Authority: CN
Inventors: 蔡磊; 朱燕超; 张召; 金澈清
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2020-08-04
Anticipated expiration: 2038-12-29
Also published as: CN109559231A

Abstract

本发明公开了一种面向区块链的追溯查询方法，追溯查询是指查询区块链上满足用户自定条件的历史交易信息，用户自定条件是指对交易的时间、交易的调用者或者交易的智能合约函数加以限定。本发明提出了追溯查询语句的格式，约定了追溯查询的查询条件。首先，本发明将追溯查询语句进行语句解析，得到查询区块的条件信息；区块利用查询的条件信息扫描区块索引，减少扫描区块的数量；最后采用分层索引，继续缩小扫描区块的范围，并且快速定位交易位置，得到最终的查询结果。本发明原生支持对交易进行筛选，降低了上层应用的开发工作量。此外，本发明采用了区块索引和分层索引来加快查询交易的速度，降低了追溯查询的响应时间。

Description

一种面向区块链的追溯查询方法

技术领域

本发明涉及追溯查询技术，尤其涉及一种面向区块链的追溯查询方法。

背景技术

区块链是一种广泛应用于新兴数字加密货币的去中心化基础架构，随着比特币的逐渐被接受而受到关注和研究。区块链技术具有去中心化，区块数据不可篡改、去信任化等特性。跟传统的分布式存储有所不同，区块链的分布式存储的独特性主要体现在两个方面：一是区块链每个节点都按照块链式结构存储完整的数据，传统分布式存储一般是将数据按照一定的规则分成多份进行存储；二是区块链每个节点存储都是独立的、地位等同的，它依靠共识机制保证存储的一致性，而传统分布式存储一般是通过中心节点往其他备份节点同步数据。

智能合约是指在区块链上运行的一段程序代码，它是一种旨在以信息化方式传播、验证或执行合同的计算机协议。智能合约允许在没有第三方的情况下进行可信交易，这些交易可追踪且不可逆转。用户调用智能合约的函数会产生一个交易，该用户被称为交易的调用者。特殊的，调用transfer函数转账也会产生交易类型为转账的交易。因此每次智能合约状态的改变都会记录在区块链中。

区块链具有独特的溯源特性，溯源防伪被认为最有前景的区块链落地领域之一。现代化应用可依据区块链去中心化、不可篡改的特性，不依赖于某个组织和个人，利用可信的技术手段将所有信息公开记录在“公共账本”上达到溯源的目的。例如，通过使用区块链，食品公司可以更迅速地追溯到食品问题的源头。这不但可以帮助降低消费者风险，提供安全保障，还可以通过有针对性的召回来降低财务损失。溯源的实现便是依靠追溯查询方法。

但是，现在所存在的区块链平台中，追溯查询的功能单一，往往只能按照交易的id查询，或者只支持返回最新的几十笔交易。这样，当要追踪某个智能合约调用者的记录时将会十分繁琐。原始的方法是采用遍历扫描的方式查询区块里面的交易，当区块数量、交易数量很大时，遍历扫描的效率会十分低效。为了提高查询交易的效率，区块的存储模块建立了区块索引和分层索引。区块索引可以快速定位某段时间内的区块集合，分层索引可以快速查询到有关某个智能合约函数的交易集合。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有区块链中追溯查询技术中查询速度缓慢、查询功能单一的缺陷而提出的一种新型的面向区块链的追溯查询方法，该方法规定了一种追溯查询的语句格式，约定了追溯查询的查询条件。本发明将追溯查询语句进行语句解析，得到查询区块的条件信息；扫描区块时利用查询的条件信息查找区块索引，过滤掉不符合所要查询的交易的时间的区块，缩小扫描区块的数量；最后采用分层索引，继续缩小扫描区块的数量，并且快速定位交易的位置，得到最终的查询结果。

本发明所述追溯查询语句的格式如下：

TRACE<StartTime,EndTime>条件表达式[条件表达式]

其中，StartTime、EndTime分别为时间区间的开始时间和结束时间，条件表达式的数量为一个或两个。当条件表达式为一个时，条件表达式对调用者名称或者调用智能合约函数名称加以限定；当条件表达式为两个时，同时对调用者名称和智能合约函数加以限定。

所述追溯查询方法具体包括如下步骤：

步骤1：解析追溯查询语句，得到追溯查询的时间条件和其他条件(调用者条件等)；

步骤2：根据时间条件查找区块索引，过滤掉不符合时间条件的区块，得到正确时间段的区块集合，并表示为区块位图B₁；

步骤3：此步骤分为三种情况：a)追溯查询语句的条件表达式仅对调用者名称加以限定，则扫描关于调用者名称的分层索引第一层索引，得到满足调用者条件的区块位图B₂，将步骤2得到的位图B₁与B₂相与即为满足追溯查询所有条件的区块位图B；

b)追溯查询语句的条件表达式仅对智能合约名称加以限定，则扫描关于智能合约名称的分层索引第一层索引，得到区块位图B₃，将步骤2得到的区块位图B₁与B₃相与即为满足追溯查询所有条件的区块位图B′；

c)追溯查询语句的查询表达式同时对调用者名称和智能合约函数名称加以限定，则先扫描关于调用者名称的分层索引第一层索引，得到符合调用者名称的区块位图B₂，然后扫描关于智能合约名称的分层索引第一层索引，得到符合智能合约函数名称的区块位图B₃，将B₁、B₂和B₃相与得到满足所有条件的区块位图B"；

步骤4：扫描区块位图B或B′或B"中数字为1的区块的分层索引第二层索引，得到满足所有条件的交易集合；其中：

步骤1所述解析追溯查询语句，具体包括：

ⅰ)对追溯查询语句进行语法解析，若解析失败说明追溯查询语句格式输入错误，则查询失败，若解析成功得到语法树；

ⅱ)由ⅰ)得到的语法树生成逻辑查询计划，根据预定义的交易Schema判断查询条件的字段是否正确，若错误查询失败，若成功则执行ⅲ)；

ⅲ)由ⅱ)得到的逻辑计划生成物理查询计划，创建追溯查询算子，算子含有追溯查询的条件信息。

其中，所述步骤ⅱ)中的交易的Schema已预先建立。交易的Schema以及各属性的意义如下：

属性	类型	意义
			transaction_id	Int	交易id
transaction_type	Int	交易的类型(转账、函数调用等)
			contract_name	Varchar(20)	智能合约名
caller	Varchar(20)	交易调用者
			signature	Varchar(100)	交易签名
transaction_time	Datetime	交易时间
			func_name	Varchar(20)	智能合约函数名
param_num	Int	智能合约函数参数个数

本发明规定了一种追溯查询的语句格式，此追溯查询可以按照调用者名称或者智能合约函数名称对交易进行限定，不需要上层应用再编写程序对此筛选，这就降低了上层应用的开发工作量。并且本发明在扫描区块的过程中，利用区块索引加快扫描区块的速度，快速定位含有查找结果的区块位置；在区块内扫描交易的过程中，利用分层索引快速定位所要查询交易的位置，降低了扫描交易的时间。以上的优化措施，使得追溯查询整体的响应时间大幅度降低，提高了追溯查询的吞吐率。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为追溯查询语句的语法树结构图；

图3为区块索引结构图；

图4为区块扫描阶段交易查找的流程图；

图5为分层索引中位图索引的示例图；

图6为分层索引中第二层索引的示例图；

图7为追溯查询实例二的实验性能直方图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。具体实施过程作如下描述：

实施例1

本发明指定第一个实施例，本实施例中指定追溯查询语句如下：

Trace[Date′2018-06-16′，Date′2018-07-24′]OPERATION＝"transfer"

其中，Date’2018-06-16’和Date’2018-07-24’为时间区间的开始和结尾，transfer是代表交易是通过调用transfer函数产生的。

图1显示的是追溯查询的总体流程，总体流程包括查询解析、区块扫描、交易查找三个阶段。

查询解析共有三个步骤：语法解析、逻辑查询计划生成、物理查询计划生成。

图2显示的是追溯查询语句语法解析中生成的语法树。所有语句的语法树的根节点类型都为T_STMT_LIST，表示为一条语句，根节点的孩子节点为T_TRACE，表示该语句是追溯查询语句。T_TRACE共有两个孩子节点：第一个孩子节点表示查询的表名称是交易；第二个孩子节点表示追溯查询的时间区间和查询的限制条件。语法解析时将yyyy-mm-dd 格式的日期类型转换为时间戳类型，T_OP_AND表示它的孩子节点构成一个等式表达式，此等式表达式限制交易的智能合约函数为transfer，即查询通过调用transfer函数产生的交易。

语法解析过程完毕之后生成逻辑查询计划，本发明在这一阶段中判别语法树是否合乎规范。首先，本发明判别语法树根节点的类型是否为T_TRACE，若错误，则执行失败；若成功，则继续判断时间区间是否正确。若时间区间超过当日系统事件或开始时间大于结束时间则执行失败。若时间区间正确，此过程则继续判断语法树中等式表达式中的属性名在transaction的Schema中是否存在，若不存在，则执行失败。

逻辑查询计划生成后，物理查询计划生成过程中创建追溯查询的算子，算子中包含追溯查询的所有条件。本质上，物理查询计划是一系列数据操作的有序集合。但是追溯查询语句只涉及到交易的扫描，因此它只有一个数据操作。

图3显示了区块索引的结构。区块索引实际上是一个以(bid,tid,Ts)为key的B+树索引，其中bid为区块id，tid为区块中第一笔交易的id，Ts为区块产生的时间戳。B+ 树是为磁盘或其他直接存取辅助设备而设计的一种平衡查找树，在B+树中，所有记录节点都是按键值的大小顺序存放在同一层的叶节点中，各叶节点指针进行连接。B+树的平均时间复杂度为O(logN)，其中N为叶子节点个数。相对于扫描区块的磁盘开销，访问区块索引的代价是非常小的。对于两个区块bi和bj，若bj在bj之后产生，则有 (b_i.bid<b_j.bid)∧(b_i.tid<b_j.tid)∧(b_i.Ts<b_j.Ts)成立。通过这种方式，给定块id或交易id，从根向下到叶节点以获得目标块的位置。同样，给定时间戳，可以得到区块id。图中p_n代表该区块的位置。

图4显示了采用区块索引后交易查找的流程。区块扫描之前首先根据时间区间查找区块索引得到满足时间区间的区块范围，并表示成位图形式。实施例中现有区块1-10个，区块7的生成时间戳为1492000000000000，区块8的时间戳为1495000000000000，区块 9的时间戳为1504886300000000，区块10的时间戳为1504900000000000，由于输入的时间区间为[1494000000000000，1504886400000000](追溯查询语句中是date类型，内部转为时间戳类型)，所以区块7-9是有可能存在本实施例的查询结果，而其他区块肯定不存在，则位图的第7-9位数字为1，其他为0。这样需要扫描的区块范围相对缩小了70％。

通过区块索引的帮助，追溯查询的效率有所提升。但是，当追溯查询的时间区间比较大时，时间区间内的区块数量也是非常巨大的。为了进一步提高检索交易的效率，本发明采用了分层索引。分层索引分为两层，第一层是位图索引，它用于描述块之间属性值的分布。图5显示了分层索引的第一层索引示例。图5列出donation和transfer的位图，transfer的交易存在区块1、区块2、区块5和区块9中。而位于时间区间内的区块为区块7-9，所以查询transfer的交易只需扫描区块9。

图6显示了分层索引的第二层索引结构。分层索引的第二层索引是区块内有关transfer的B+树索引，这进一步提升了查询的效率。图中B+树的键为transfer的余额，值为交易的位置。遍历此索引，得到该块内所有关于transfer的交易，这就得到了追溯查询的最终结果。

实施例2

本发明提出第二个实施例来描述追溯查询的算法。此实施例追溯查询的结果满足如下：

其中，t是指交易，r是所有交易表集合R中的交易，SenID是调用者,Tname为交易名称，时间区间为[s,e]，o、p为要查询的调用者和调用函数名称。

为了支持以上追溯查询实例，本发明预先建立了关于SenID和Tname的分层索引。算法1描述了如何追溯查询交易。算法1的伪代码如下所示：

算法1描述了如何执行追溯查询的区块扫描和交易查找。在第1行，它搜索区块索引并得到位图B，如果区块i在时间窗口中，则设置第i位为1。然后，它搜索I_n和I_d的第一级索引并获得位图B′，B"。如果区块j包含分别由o发送或属于p的交易(在第2 行到第3行)，则设置B′或B"的第j位。然后，它对B，B′和B"执行AND操作，以获得在时间窗口内(在第4到5行)包含o和p的交易的区块。最后，它搜索二级索引以便有效地获得目标交易，注意应该检查每个通过I_d获得的交易是否其操作是p(在第6到13 行)。

接下来，本发明使用不同的方法评估上述追溯查询实例的性能，包括Scan，SI和TI，其中Scan直接扫描所有区块，SI使用SenID索引，TI在SenID和Tname上使用两个索引。实验的硬件环境采用16核2.10GHz Intel Xeon CPU，96GB RAM和3TB Raid 5，操作系统为CentOS7，所有机器都通过千兆以太网交换机连接。

实验中区块链包含1,000个块，包含10,000个交易和由org1操作的10,000个交易。此外，存在1,000个由org1发送的转账交易。注意，transfer和org1的交易按照高斯分布(平均值分别等于300和700)分布在块中，并且共享相同的方差σ＝100。此追溯查询接受时间窗口参数(start，end)，令start＝0。图7显示了此追溯查询的性能。

本实施例实验的结果如下：TI优于其他方法。当窗口大小减小时，所有方法都将运行得更快。如果产生的交易很少，TI可以快速地获得结果。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims

1.一种面向区块链的追溯查询方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：解析追溯查询语句，得到追溯查询的时间条件和其他条件的表达式，其他条件是指调用者条件或者智能合约函数条件，或者调用者条件和智能合约函数条件都存在；

步骤3：此步骤包括以下a)、b)或c)：

a)追溯查询语句的条件表达式仅对调用者名称加以限定，则扫描关于调用者名称的分层索引第一层索引，得到满足调用者条件的区块位图B₂，将步骤2得到的区块位图B₁与所述区块位图B₂相与即为满足追溯查询时间条件和调用者条件的区块位图B；

b)追溯查询语句的条件表达式仅对智能合约名称加以限定，则扫描关于智能合约名称的分层索引第一层索引，得到区块位图B₃，将步骤2得到的区块位图B₁与所述区块位图B₃相与即为满足追溯查询时间条件和智能合约函数条件的区块位图B′；

c)追溯查询语句的查询表达式同时对调用者名称和智能合约函数名称加以限定，则先扫描关于调用者名称的分层索引第一层索引，得到符合调用者名称的区块位图B₂，然后扫描关于智能合约名称的分层索引第一层索引，得到符合智能合约函数名称的区块位图B₃，将区块位图B₁、区块位图B₂和区块位图B₃相与得到满足时间条件、调用者条件和智能合约函数条件的区块位图B"；

步骤4：扫描区块位图B或区块位图B′或区块位图B"中数字为1的区块的分层索引第二层索引，得到满足时间条件和调用者条件或时间条件和智能合约函数条件或时间条件、调用者条件和智能合约函数条件的交易集合；其中：

步骤1所述解析追溯查询语句，具体包括：

ⅲ)由ⅱ)得到的逻辑查询计划生成物理查询计划，创建追溯查询算子，算子含有追溯查询的条件信息；

所述分层索引第一层索引是位图索引；所述分层索引第二层索引是B+树索引。

2.根据权利要求1所述的追溯查询方法，其特征在于，所述追溯查询语句格式如下：

TRACE<StartTime,EndTime>条件表达式[条件表达式]

其中，StartTime、EndTime分别为时间区间的开始时间和结束时间，条件表达式的数量为一个或两个；当条件表达式为一个时，条件表达式对调用者名称或者调用智能合约函数名称加以限定；当条件表达式为两个时，同时对调用者名称和智能合约函数加以限定。

3.根据权利要求1所述的追溯查询方法，其特征在于，所述预定义的交易Schema格式如下；交易的Schema共包括8个属性，其中，transction_id类型为int，表示交易的id；transaction_type类型为int，表示交易类型,即转账或函数调用；contract_name的类型为varchar，表示交易所在智能合约的名称；caller的类型为varchar，表示交易的调用者；signature的类型为varchar,表示交易的签名；tranastion_time的类型为datetime，表示交易的时间；func_name的类型为varchar，表示智能合约函数名；param_num的类型为int，表示智能合约函数参数的个数。