CN109636592A - 高性能智能合约设计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高性能智能合约的实现方法，包括如下步骤：(1)设计智能合约并行执行模型；(2)设计交易去依赖算法；以及(3)设计线程数量分配算法，交易去依赖算法包括如下步骤：(1)构建交易图；(2)分割交易；(3)交易负载平衡；线程数量分配算法根据独立交易集合的数量以及交易在独立交易集合中的分布生成。还提供一种高性能智能合约的实现系统，包括：智能合约并行执行模型形成模块，交易去依赖算法模块以及线程数量分配算法模块使用并行执性模型对合约执行进行提速，提高了合约的整体执行效率，并提高了区块链的交易处理速度。

Description

高性能智能合约设计

技术领域

本发明涉及基于区块链的高性能智能合约领域，特别是涉及到智能合约的并发执行模型在高性能智能合约实现方法和实现系统中的应用，用于提升交易速率的方法。

背景技术

合约是指两方面或几方面在共同协作时，为了确定各自的权利和义务而订立的共同遵守的条文。签订合约后就有了法律依靠，双方或多方在信任或者不信任的状态下履行合约承诺，有法可依、有据可寻。合约通过规范承诺与执行合约过程，从而使得合作结果完美化、合法化，对和谐社会治安起到了不可估量的作用，也是法治社会的重要方式、方法。人类社会正在迅速向数字社会发展，数字社会的一个巨大挑战目标就是将现在物理社会中，人们生活模式的依存关系(如协作、交友和法律等关系)转移到虚拟世界上。合约是不同人之间能够协作的重要手段，如何将现实中的合约转移到虚拟世界上，是数字社会的重要研究内容之一。

智能合约的概念在1997年由Nick Szabo首次提出，智能合约是能够自动执行合约条款的可计算交易协议，明确且无歧义，它是人们在虚拟世界中维持安全数字关系的重要手段，是未来数字社会的基础协议，与传统合约相比具有很大的优势。智能合约理论几乎与互联网技术(World Wide Web)同时出现，但应用实践却一直严重地落后于理论，缺乏将这个理念转变现实的清晰路径，智能合约理论的应用实践主要面临两个方面的问题，一是智能合约没有有效的手段来控制实物资产，保证合约的执行，售货机通过将商品保存在内部以控制财产所有权，可是计算机程序很难控制现金、股份等现实世界中的资产；第二是单个计算机很难保证执行这些条款以获得合约方的信任，合约方需要可靠的解释和执行代码的可信环境，它无法亲自检查有问题的计算机，也无法直接观察与验证其他合约方的执行动作，只有让第三方审核各方合约执行的记录，而区块链技术的出现解决了这些问题，奠定了智能合约应用的基础，同时，智能合约也扩大了区块链的应用范围。区块链为完全数字化资产的记录和转移奠定了基础，通过完全数字化的资产，区块链给计算机代码提供直接控制资产的方法，使得智能合约具有执行力。在区块链上，资产的控制就是控制资产对应的密钥权限，而不是任何实物。区块链使计算系统成为受信任系统，它已经不仅限于数据库的功能，同时还是可以执行代码和记录数字资产所有权的分布式计算机，数字资产所有权因此可以被上传和存储在区块链中，并根据指令执行，而一旦区块链记录了合约代码，合约方就可以确定合约不会被更改。如今很多区块链系统，如以太坊(Ethereum)，有可编程的合约语言与可执行的基础设施，以实现智能合约。在Ethereum中，智能合约是存储在区块链上的脚本，通过区块链节点以分布式的形式执行，相当于商业交易、监督管理过程中法律、法规的执行者。区块链以按序、安全、可验证的方式保证合约的执行。相比目前复杂的涉及用户、汽车经销商和银行的贷款行为和手续，智能合约是能够自动执行合约条款的计算机程序，它能够完善现有的商业模式，更重要的是他们可能颠覆现有的商业模式，也大大减少了第三方中介的费用。

现有的基于区块链的智能合约技术还处于一个初级阶段，尚有很多问题还没有解决：如基于区块链的智能合约执行效率低下，智能合约作为区块链的链上代码执行的安全问题，以及智能合约代码与文本的一致性问题等。其中的合约执行效率问题直接影响着区块链交易处理速度，现有的区块链普遍使用串行方式执行智能合约，每次执行时普遍存在大量的IO读取导致合约整体执行速率低下，并没有使用并行执行模型对合约执行进行提速。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能智能合约的实现方法，包括如下步骤：

(1)设计智能合约并行执行模型；

(2)设计交易去依赖算法；

(3)设计线程数量分配算法。

优选的，所述并行执行模型的设计方法包括如下步骤：(1)使用合约语言编写智能合约；(2)用合约编译器将合约编译成合约虚拟机字节码；(3)编译好的虚拟机字节码回送给系统前端；(4)前端将编译好的智能合约部署到区块链中；(5)区块链返回智能合约地址+ABI，其中所述ABI表示合约接口的二进制表示；(6)前端接收到交易，通过Address+ABI+nonce，调用对应智能合约；(7)系统从区块链中取出对应合约字节码，将合约字节码加载到合约虚拟机中；(8)系统将交易中包含的信息作为参数传递给合约，调用对应的合约应用程序编程接口，合约在合约虚拟机中执行相关操作，对共享变量实现并发访问从而设计出基于多线程的并发智能合约并行执行模型。

优选的，所述合约接口包括变量，事件和可以调用的方法。

优选的，所述并发智能合约模型处理交易基于多线程进行，在执行交易之前，首先对交易进行切分，然后通过交易流，生成交易图，所述交易图中的各个结点代表交易中所含账户，不连通的子图代表一个独立的交易集合，独立交易集合可以并发执行，从而提高交易处理的速度，同时，从区块链读取智能合约的过程跟随着交易被分配给了多个线程并发执行交易的处理。

优选的，所述交易去依赖算法包括如下步骤：(1)构建交易图；(2)分割交易；(3)交易负载平衡。

优选的，所述构建交易图包括：将交易中所涉及账户作为所述交易图中的结点，构成一个无向交易图G(v)，其中v代表涉及账户，v的值代表与账户关联的交易集合。

优选的，所述分割交易使用广度优先算法，遍历所述交易图中的结点，获取不连通的子图集合，所述子图集合中的每个子图所包含的交易都是独立于其他子图。

优选的，所述交易负载平衡包括将独立的所述子图以接近均分的方式分配给各个线程。

优选的，所述线程数量分配算法根据独立交易集合的数量以及交易在独立交易集合中的分布生成。

本发明的目的还在于提供一种能实施根据权利要求1的高性能智能合约的实现方法的实现系统，所述系统包括：智能合约并行执行模型形成模块，交易去依赖算法模块；以及线程数量分配算法模块。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据现有技术的智能合约编写与调用执行过程流程图；

附图2为根据本发明实施例的基于多线程的并发智能合约模型处理交易流程图；

附图3为根据本发明实施例的交易切分以及交易子集形成示意图。

具体实施方式

一种高性能智能合约的实现方法，包括如下步骤：设计智能合约并行执行模型；设计交易去依赖算法；以及设计线程数量分配算法。

针对设计智能合约并行执性模型：

参见图1，现有技术中原有智能合约的编写与调用执行过程如图1所示。

分为如下8个步骤：

(1)使用合约语言编写智能合约；

(2)用合约编译器将合约编译成合约虚拟机字节码；

(3)将编译好的字节码回送给系统前端；

(4)前端将编译好的智能合约部署到区块链中；

(5)区块链返回智能合约地址+ABI，其中ABI为合约接口的二进制表示，而合约接口用JSON表示，包括变量，事件和可以调用的方法；

(6)前端接收到交易，通过Address+ABI+nonce，调用对应智能合约；

(7)系统从区块链中取出对应合约字节码，将合约字节码加载到合约虚拟机中；

(8)系统将交易中包含的信息作为参数传递给合约，调用对应的合约API，合约在合约虚拟机中执行相关操作。

了解以上过程对于并行智能合约的设计非常有益，可以针对原有合约模型的(6)、(7)、(8)部分发现现有技术存在如下问题：由于每次合约的调用都需要从区块链中获取对应的合约字节码加载到合约虚拟机中，此过程涉及大量IO读写，会产生额外的IO延时，相比于交易处理的计算过程所产生的CPU延时，IO延时占据了合约执行的延时主要部分，而使用并发多线程技术能有效的解决IO延时问题。因此设计基于多线程的并发智能合约模型处理交易，其处理过程如图2所示，在步骤(8)中增加对共享变量实现并发访问从而设计出基于多线程的并发智能合约并行执行模型，使用该模型能有效的减少合约执行时间，提升合约执行速度，最终会使得区块链系统在交易处理速度上得到巨大提升。

该模型设计基于以下技术问题：使用并发需要解决多线程产生的同步问题，交易过程中主要的并发问题是对共享变量的并发访问。以简单的转账交易为例，账户中的余额就是一个共享变量，需控制对其访问的线程保证并发交易的正确执行。为实现对共享变量的同步访问，如果单一的使用加锁技术，易出现多个线程同时等待某个账户的锁，从而无法处理其他不含此账户的交易，导致处理效率下降。对此，在执行交易之前，首先对交易进行切分；然后，通过交易流，生成交易图，其中图中的各个结点代表交易中所含账户，不连通的子图代表一个独立的交易集合，独立交易集合可以并发执行，从而提高交易处理的速度。同时，从区块链读取智能合约的过程跟随着交易被分配给了多个线程并发执行交易的处理，由于交易执行的过程中只涉及到合约的读取，并不会对其进行修改，故不会产生锁延时。

其中重要的交易切分示意图如图3所示，其中交易A、B、C存在依赖关系，D、E、F也存在着依赖关系，故最终将交易集合分割为了3个互不依赖的交易子集。

其次，针对设计交易去依赖算法，包括如下步骤：

(1)构建交易图

将交易中所涉及账户作为交易图中结点，构成一个无向交易图G(v)，其中v代表涉及账户，v的值代表与账户关联的交易集合。具体的函数代码段如下示例。

(2)分割交易

本实施例中，使用广度优先算法，遍历交易图中的结点，获取不连通的子图集合。每个子图所包含的交易都是独立于其他子图。具体的函数代码段如下示例。

(3)交易负载均衡

由于独立子图的数量通常多于线程数量，故可将独立子图以接近均分的方式分配给各个线程。具体的函数代码段如下示例。

最后，针对线程数量分配算法，由于交易分割所产生的独立交易集合的数量是随机的，故根据具体的独立交易集合的数量以及交易在独立交易集合中的分布，可设计线程生成策略。本实施例中，块中的交易集合均互相依赖，整个交易图仅有一个子图，则仅需一个线程处理该交易集合，创建其他多余的线程会加大系统开销，产生额外的延时，故针对此类情况设计线程生成策略。具体的函数代码段如下示例。

三个实现框内为算法的部分计算机代码实现，当然本领域技术人员可以根据算法的具体要求采用其他语言或者其他方式实现，虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (10)

1.一种高性能智能合约的实现方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)设计智能合约并行执行模型；

(2)设计交易去依赖算法；

(3)设计线程数量分配算法。

2.根据权利要求1所述的高性能智能合约的实现方法，其特征在于：所述并行执行模型的设计方法包括如下步骤：(1)使用合约语言编写智能合约；(2)用合约编译器将合约编译成合约虚拟机字节码；(3)编译好的虚拟机字节码回送给系统前端；(4)前端将编译好的智能合约部署到区块链中；(5)区块链返回智能合约地址+ABI，其中所述ABI表示合约接口的二进制表示；(6)前端接收到交易，通过Address+ABI+nonce，调用对应智能合约；(7)系统从区块链中取出对应合约字节码，将合约字节码加载到合约虚拟机中；(8)系统将交易中包含的信息作为参数传递给合约，调用对应的合约应用程序编程接口，合约在合约虚拟机中执行相关操作，对共享变量实现并发访问从而设计出基于多线程的并发智能合约并行执行模型。

3.根据权利要求2所述的高性能智能合约的实现方法，其特征在于：所述合约接口包括变量，事件和可以调用的方法。

4.根据权利要求1-3任一所述的高性能智能合约的实现方法，其特征在于：所述并发智能合约模型处理交易基于多线程进行，在执行交易之前，首先对交易进行切分，然后通过交易流，生成交易图，所述交易图中的各个结点代表交易中所含账户，不连通的子图代表一个独立的交易集合，独立交易集合可以并发执行，从而提高交易处理的速度，同时，从区块链读取智能合约的过程跟随着交易被分配给了多个线程并发执行交易的处理。

5.根据权利要求1所述的高性能智能合约的实现方法，其特征在于：所述交易去依赖算法包括如下步骤：(1)构建交易图；(2)分割交易；(3)交易负载平衡。

6.根据权利要求5所述的高性能智能合约的实现方法，其特征在于：所述构建交易图包括：将交易中所涉及账户作为所述交易图中的结点，构成一个无向交易图G(v)，其中v代表涉及账户，v的值代表与账户关联的交易集合。

7.根据权利要求5所述的高性能智能合约的实现方法，其特征在于：所述分割交易使用广度优先算法，遍历所述交易图中的结点，获取不连通的子图集合，所述子图集合中的每个子图所包含的交易都是独立于其他子图。

8.根据权利要求5所述的高性能智能合约的实现方法，其特征在于：所述交易负载平衡包括将独立的所述子图以接近均分的方式分配给各个线程。

9.根据权利要求1所述的高性能智能合约的实现方法，其特征在于：所述线程数量分配算法根据独立交易集合的数量以及交易在独立交易集合中的分布生成。

10.一种能实施根据权利要求1-9任一的高性能智能合约的实现方法的实现系统，所述系统包括：智能合约并行执行模型形成模块，交易去依赖算法模块以及线程数量分配算法模块。