CN109949158A - 一种超级节点交易验签并行加速方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超级节点交易验签加速方法，将交易验签和出块过程分离在不同的节点完成，验签过程采用多节点并行验证的过程进行加速，消除单节点验签瓶颈；其中分离验签和出块的方式为由共识节点、验签节点、负载均衡节点构成的集群式节点；签名并行验证采用多验证节点加负载均衡节点的方式，由负载均衡节点将交易发送至不同的验签节点，并发验证不同的交易，加速验证过程；“负载均衡”节点采用可插拔式的负载均衡算法设计模式，兼容多种负载均衡算法，通过配置的方式动态选择相应负载均衡算法；共识节点进行新块验证共识过程中，对块中交易优先检查本地交易池中是否存在交易，如果存在则直接跳过，不进行二次验证，提高了验签速度。

Description

一种超级节点交易验签并行加速方法

技术领域

本发明涉及分布式账本技术领域，特别是涉及一种应用于分布式账本超级节点的交易验签加速方案。

背景技术

分布式账本(Distributed ledger)是一种在网络成员之间共享、复制和同步的数据库。分布式账本记录网络参与者之间的交易，比如资产或数据的交换。这种共享账本消除了调解不同账本的时间和开支。分布式分类帐(也称为共享分类帐，或称为分布式分类技术)是一个复制的共识，共享和同步数字数据在地理上分布在多个网站，国家,或机构，没有中心管理员或集中数据存储。一个点对点网络是必需的，以及共识算法以确保在节点进行复制。分布式分类设计的一种形式blockchain系统，它可以是公共或私人的，但并不是所有分布式帐必须一定采用区块链成功提供安全、有效的实现分布式共识，blockchain只是一种类型的数据结构被认为是一个分布式的分类帐。网络中的参与者根据共识原则来制约和协商对账本中的记录的更新。没有中间的第三方仲裁机构(比如金融机构或票据交换所)的参与。分布式账本中的每条记录都有一个时间戳和唯一的密码签名，这使得账本成为网络中所有交易的可审计历史记录。

分布式账本技术产生的算法是一种强大的、具有颠覆性的创新，它有机会变革公共与私营服务的实现方式，并通过广泛的应用场景去提高生产力。分布式账本，从实质上说就是一个可以在多个站点、不同地理位置或者多个机构组成的网络里进行分享的资产数据库。在一个网络里的参与者可以获得一个唯一、真实账本的副本。账本里的任何改动都会在所有的副本中被反映出来，反应时间会在几分钟甚至是几秒内。在这个账本里存储的资产可以是金融、法律定义上的、实体的或是电子的资产。在这个账本里存储的资产的安全性和准确性是通过公私钥以及签名的使用去控制账本的访问权，从而实现密码学基础上的维护。根据网络中达成共识的规则，账本中的记录可以由一个、一些或者是所有参与者共同进行更新。

虽然分布式账本技术有着极其突出的可信性、不可篡改性特色，目前仍然存在着性能不高的问题，极大的影响了分布式账本系统的应用范围。交易验签作为超级节点出块过程中一个耗时、耗资源的流程，极大减缓了出块的整个流程。相较于传统的提升单节点资源配置(如：CPU、硬件加速)方案，不但成本较高，而且最高速度仍然受限于硬件的性能。

具体而言，参见图1，分布式账本系统中，超级节点作为系统的核心负责将全网的交易打包成块，并将该块在多个超级节点之间通过拜占庭算法达成一致，最终广播到整个分布式账本系统中。因此超级节点的出块速度直接决定了整个分布式账本系统的性能。在一个分布式账本系统中，一个超级节点的出块流程为：

1)用户通过分布式账本客户端发送交易，发送的交易通过分布式账本P2P网络最终广播到超级节点上；

2)超级节点验证收到的所有交易(其中就包括：交易签名验证)，并将合法的交易放入到本地交易池中；

3)出块节点(超级节点中根据特定算法选出的单个节点)从自己本地交易池中取出一定数量的交易，并将交易打包成一个块；

4)出块节点将自己本地生成的块，发送到其他所有超级节点，其他超级节点都会在本地验证这个块的合法性(其中就包括：对块中的交易的验证)，并将自己的验证结果反馈给其他节点；

5)所有超级节点对该块达成一致性共识之后，一个新的块就形成了，新产生的块会通过P2P被广播到全网络。至此完成一个完整的出块流程。

交易验签加速的必要性：由分布式账本系统出块的流程可以看出，为了达成可信性要求，出块过程中超级节点会对所有的交易进行本地验签，交易验签的速度会直接影响到出块的速度。由于交易验签过程中验证算法(椭圆曲线签名验证算法)需要消耗大量的运算资源进行运算验证，验证过程非常缓慢，即使用专门的硬件加速仍然难以达到一个很高的性能，而且专门的硬件往往价格很高。因此以下为文提出的一种并行加速验签的方式，通过多节点并行验证从而加速验证过程。

传统超级节点模式的缺陷：由于分布式账本系统为了可信性，默认所有的节点会认为除自己之外的所有节点都是不可信的，所以才会对所有来临的交易进行本地验证，只有自己验证通过的交易才会被认为是合法的。所以传统的集所有功能于一身的单超级节点就必须在本地即进行所有交易的验证，又参与拜占庭共识过程，导致验签无法与共识过程分离，并且由于是单节点，即使交易本身是相互独立的，验证过程依然无法被分配到其他节点进行加速。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超级节点交易验签加速方法，使用分布式横向扩展方案，采用多节点并行验签的方式，不仅成本较低，而且扩展不受单节点性能影响。

本发明的目的在于提供一种超级节点交易验签加速方法，将传统的超级节点单节点模式，即所有功能集中在节点本身变为集群模式，包括如下步骤：

步骤101，根据功能将超级节点分为:共识功能和验签功能，从而将交易验签和出块过程分离，两个流程分离在不同的节点完成；

步骤102，根据功能划分，将集群模式下的超级节点设计为由一个共识节点、多个验签节点以及一个负载均衡节点组成的集群式节点；共识节点在多个集群式节点之间完成新块的验证和共识；负载均衡节点对需要验证的交易进行负载均衡到各个验证节点；验证节点完成实际的签名验证过程；

步骤103，用户通过分布式账本客户端发送交易，发送的交易通过分布式账本P2P网络最终广播到超级节点上；

步骤104，超级节点验证收到的所有交易；

步骤105，出块节点，即超级节点中根据特定算法选出的单个节点从自己本地交易池中取出一定数量的交易，并将交易打包成一个块；

步骤106，对于出块超级节点集群中的共识节点中将所有已经验证好的交易打包成块，发送至其他超级节点；其他超级节点在收到块之后在进行交易验签；

步骤107，所有超级节点对该块达成一致性共识之后，一个新的块就形成了，新产生的块会通过P2P被广播到全网络。

优选的，所述共识节点用于与其他超级节点达成出块共识，所述验签节点用于验证单个交易的签名，并将结果反馈给共识节点，所述负载均衡节点用于将需要验证的交易均衡的分配到多个验签节点。

优选的，所述超级节点的交易验证方法包括：步骤104中的外部交易进入节点交易池以及步骤106中的共识过程中验证出块节点发送过来的新块中的交易。

优选的，对于所述步骤104中的外部交易进入节点交易池所述集群模式的超级节点的验证流程包括：

步骤1001，进入到集群式超级节点的所有交易直接进入到负载均衡节点；

步骤1002，负载均衡节点按照一定的负载均衡算法，将外部的交易下发至验签节点N进行验证；

步骤1003，所述验签节点N将验证结果返回至所述负载均衡节点，对于验证通过的交易直接进入所述共识节点的交易池，所述共识节点不对交易进行二次验证；

优选的，所述步骤1002的负载均衡算法包括：随机法、随机法、加权轮询法、加权随机法和一致性Hash中的一种或多种。

优选的，步骤106中的共识过程中验证出块节点发送过来的新块中的交易流程包括：

步骤2001，集群式超级节点出块时，所述共识节点作为接收新块的入口，新产生的待验证的块直接进入到所述共识节点中；

步骤2002，所述共识节点在验证块中的交易时，首先会检查本地交易池中是否存在该交易，如果存在则跳过签名验证；否则将所有本地交易池中的交易全部发送至所述负载均衡节点；

步骤2003，负载均衡节点将收到的交易按照一定的负载均衡算法下发至验签节点进行验证，并将交易的验证结果发送至共识节点。

优选的，所述负载均衡节点采用可插拔式的设计框架，通过配置模块动态调整负载均衡策略，所述可插拔式的设计框架设计的所述负载均衡节点包括：负载均衡器、算法选择器以及算法配置器。

优选的，所述负载均衡节点具体的工作流程为：

1)负载均衡节点启动时启动所有模块，所述负载均衡器负责使用具体算法将交易分配到特定节点；所述算法选择器负责根据配置器的配置内容，为负载均衡器提供具体算法实现；所述算法配置器负责配置具体的算法，并通知到算法选择器；

2)修改具体算法时，用户通过所述算法配置器修改要使用的算法；并通知所述算法选择器配置的算法；

3)所述算法选择器根据配置在本地选择对应的算法，作为当前的算法实现；

4)所述负载均衡器收到新来的交易时，通过所述算法选择器获取当前的算法实现将交易分配到具体节点。

本发明的有益效果：

将交易验签和出块过程分离，两个流程分离在不同的节点完成，并且验签过程采用多节点并行验证的过程进行加速，从而消除单节点验签瓶颈；其中分离验签和出块的方式为将传统的单节点作为传统节点的模式修改为由共识节点、验签节点、负载均衡节点构成的集群式节点；签名并行验证的加速方式为：采用多验证节点加负载均衡节点的方式，由负载均衡节点将交易发送至不同的验签节点，从而可以并发验证不同的交易，加速验证过程；“负载均衡”节点采用可插拔式的负载均衡算法设计模式，能够兼容多种负载均衡算法，并可以通过配置的方式动态的选择相应的负载均衡算法；共识节点在进行新块验证共识过程中，对于块中的交易会优先检查本地交易池中是否存在交易，如果存在则直接跳过，不进行二次验证，提高了验签速度，成本较低，而且扩展不受单节点性能影响。

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：

图1为根据现有技术的传统的超级节点出块流程图；

图2为根据本发明实施例的集群式超级节点出块流程图；

图3为根据本发明实施例的外部交易进入节点交易池的方法流程图；

图4为根据本发明实施例的共识过程中验证出块节点发送过来的新块中的交易的方法流程图；

图5为根据本发明实施例的负载均衡节点结构设计图。

具体实施方式

为了使得本发明能够针对其发明要点更加明显易懂，下面将结合附图和实例对本发明作进一步的说明。在下面的描述中阐述了很多细节和具体实例，提供这些实例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明完整形象地传达给本领域的技术人员。虽然本发明能够以很多不同于此的描述的其它方式实施，但是本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做相应的推广，因此本发明不受下面公开的具体实例及具体附图所限制。

参见图2，本实施例的一种超级节点交易验签加速方法，将传统的超级节点单节点模式，即所有功能集中在节点本身变为集群模式，包括如下步骤：

步骤101，根据功能将超级节点分为:共识功能和验签功能，从而将交易验签和出块过程分离，两个流程分离在不同的节点完成；

步骤102，根据功能划分，将集群模式下的超级节点设计为由一个共识节点、多个验签节点以及一个负载均衡节点组成的集群式节点；共识节点用于与其他超级节点达成出块共识，验签节点用于验证单个交易的签名，并将结果反馈给共识节点，负载均衡节点用于将需要验证的交易均衡的分配到多个验签节点；共识节点在多个集群式节点之间完成新块的验证和共识；负载均衡节点对需要验证的交易进行负载均衡到各个验证节点；验证节点完成实际的签名验证过程；

步骤103，用户通过分布式账本客户端发送交易，发送的交易通过分布式账本P2P网络最终广播到超级节点上；

步骤104，超级节点验证收到的所有交易，包括：将交易下发至负载均衡器，负载均衡器再将交易下发至验签节点，验签节点在将交易验证完成之后，将验证完成的交易和结果发送至共识节点，并将合法的交易放入到本地交易池中；

步骤105，出块节点，即超级节点中根据特定算法选出的单个节点从自己本地交易池中取出一定数量的交易，并将交易打包成一个块；

步骤106，对于出块超级节点集群中的共识节点中将所有已经验证好的交易打包成块，发送至其他超级节点；其他超级节点在收到块之后在进行交易验签时，首先检查本地交易池中已经验证的交易，对于已经验证过的交易，直接跳过签名验证；对于没有验证过的交易则下发至本地集群中的负载均衡器节点下发至其他验签节点进行验签，所述验签即对块中的交易的验证，包括：将交易下发至负载均衡器，负载均衡器再将交易下发至验签节点，验签节点在将交易验证完成之后，将验证完成的交易和结果发送至共识节点，并将自己的验证结果反馈给其他节点；

步骤107，所有超级节点对该块达成一致性共识之后，一个新的块就形成了，新产生的块会通过P2P被广播到全网络。

超级节点的交易验证方法包括：步骤104中的外部交易进入节点交易池以及步骤106中的共识过程中验证出块节点发送过来的新块中的交易。

参见图3，步骤104中的外部交易进入节点交易池所述集群模式的超级节点的验证流程包括：

步骤1001，由于集群式超级节点对外整体呈现为单一节点，且负载均衡节点作为接收外部交易的入口，因此进入到集群式超级节点的所有交易会直接进入到负载均衡节点；

步骤1002，负载均衡节点按照一定的负载均衡算法，将外部的交易下发至验签节点N进行验证；

步骤1003，所述验签节点N将验证结果返回至所述负载均衡节点，对于验证通过的交易直接进入所述共识节点的交易池，所述共识节点不对交易进行二次验证；

步骤1002的负载均衡算法包括：随机法、随机法、加权轮询法、加权随机法和一致性Hash中的一种或多种。

参见图4，对于步骤106中的共识过程中验证出块节点发送过来的新块中的交易流程包括：

步骤2001，集群式超级节点出块时，所述共识节点作为接收新块的入口，新产生的待验证的块会直接进入到所述共识节点中；

步骤2002，所述共识节点在验证块中的交易时，首先会检查本地交易池中是否存在该交易，如果存在则跳过签名验证；否则将所有本地交易池中的交易全部发送至所述负载均衡节点；

步骤2003，负载均衡节点将收到的交易按照一定的负载均衡算法下发至验签节点进行验证，并将交易的验证结果发送至共识节点。

参见图5，负载均衡节点结构设计图，负载均衡节点采用可插拔式的设计框架，允许通过配置模块动态调整负载均衡策略；可插拔式的结构设计包括：负载均衡器、算法选择器以及算法配置器。

负载均衡节点具体的工作流程为：

1)负载均衡节点启动时启动所有模块，负载均衡器负责：使用具体算法将交易分配到特定节点；“算法选择器”负责：根据配置器的配置内容，为负载均衡器提供具体算法实现；“算法配置器”负责：配置具体的算法，并通知到算法选择器；

2)修改具体算法时，用户通过“算法配置器”修改要使用的算法；并通知“算法选择器”配置的算法；

3)“算法选择器”根据配置在本地选择对应的算法，作为当前的算法实现；

4)“负载均衡器”收到新来的交易时，通过“算法选择器”获取当前的算法实现将交易分配到具体节点。

采用本实施例，将交易验签和出块过程分离，两个流程分离在不同的节点完成，并且验签过程采用多节点并行验证的过程进行加速，从而消除单节点验签瓶颈；其中分离验签和出块的方式为将传统的单节点作为传统节点的模式修改为由共识节点、验签节点、负载均衡节点构成的集群式节点；共识节点在多个集群式节点之间完成新块的验证和共识；负载均衡节点对需要验证的交易进行负载均衡到各个验证节点；验证节点完成实际的签名验证过程；签名并行验证的加速方式为：采用多验证节点加负载均衡节点的方式，由负载均衡节点将交易发送至不同的验签节点，从而可以并发验证不同的交易，加速验证过程；“负载均衡”节点采用可插拔式的负载均衡算法设计模式，能够兼容多种负载均衡算法，并可以通过配置的方式动态的选择相应的负载均衡算法；共识节点在进行新块验证共识过程中，对于块中的交易会优先检查本地交易池中是否存在交易，如果存在则直接跳过，不进行二次验证，提高了验签速度。

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 (8)

1.一种超级节点交易验签加速方法，在集群模式下进行超级节点交易验签加速，其特征在于包括如下步骤：

步骤101，根据功能将超级节点分为:共识功能和验签功能，从而将交易验签和出块过程分离，两个流程分离在不同的节点完成；

步骤102，根据功能划分，将集群模式下的超级节点设计为由一个共识节点、多个验签节点以及一个负载均衡节点组成的集群式节点；共识节点在多个集群式节点之间完成新块的验证和共识；负载均衡节点对需要验证的交易进行负载均衡到各个验证节点；验证节点完成实际的签名验证过程；

步骤103，用户通过分布式账本客户端发送交易，发送的交易通过分布式账本P2P网络最终广播到超级节点上；

步骤104，超级节点验证收到的所有交易；

步骤105，出块节点，即超级节点中根据特定算法选出的单个节点从自己本地交易池中取出一定数量的交易，并将交易打包成一个块；

步骤106，对于出块超级节点集群中的共识节点中将所有已经验证好的交易打包成块，发送至其他超级节点；其他超级节点在收到块之后在进行交易验签；

步骤107，所有超级节点对该块达成一致性共识之后，一个新的块就形成了，新产生的块会通过P2P被广播到全网络。

2.根据权利要求1所述的一种超级节点交易验签加速方法，其特征在于：所述共识节点用于与其他超级节点达成出块共识，所述验签节点用于验证单个交易的签名，并将结果反馈给共识节点，所述负载均衡节点用于将需要验证的交易均衡的分配到多个验签节点。

3.根据权利要求1所述的一种超级节点交易验签加速方法，其特征在于：所述超级节点的交易验证方法包括：步骤104中的外部交易进入节点交易池以及步骤106中的共识过程中验证出块节点发送过来的新块中的交易。

4.根据权利要求3所述的一种超级节点交易验签加速方法，其特征在于：对于所述步骤104中的外部交易进入节点交易池所述集群模式的超级节点的验证流程包括：

步骤1001，进入到集群式超级节点的所有交易直接进入到负载均衡节点；

步骤1002，负载均衡节点按照一定的负载均衡算法，将外部的交易下发至验签节点N进行验证；

步骤1003，所述验签节点N将验证结果返回至所述负载均衡节点，对于验证通过的交易直接进入所述共识节点的交易池，所述共识节点不对交易进行二次验证。

5.根据权利要求4所述的一种超级节点交易验签加速方法，其特征在于：所述步骤1002的负载均衡算法包括：随机法、随机法、加权轮询法、加权随机法和一致性Hash中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的一种超级节点交易验签加速方法，其特征在于：步骤106中的共识过程中验证出块节点发送过来的新块中的交易流程包括：

步骤2001，集群式超级节点出块时，所述共识节点作为接收新块的入口，新产生的待验证的块直接进入到所述共识节点中；

步骤2002，所述共识节点在验证块中的交易时，首先会检查本地交易池中是否存在该交易，如果存在则跳过签名验证；否则所有本地交易池中的交易全部发送至所述负载均衡节点；

步骤2003，负载均衡节点将收到的交易按照一定的负载均衡算法下发至验签节点进行验证，并将交易的验证结果发送至共识节点。

7.根据权利要求1所述的一种超级节点交易验签加速方法，其特征在于：所述负载均衡节点采用可插拔式的设计框架，通过配置模块动态调整负载均衡策略，所述可插拔式的设计框架设计的所述负载均衡节点包括：负载均衡器、算法选择器以及算法配置器。

8.根据权利要求7所述的一种超级节点交易验签加速方法，其特征在于：所述负载均衡节点具体的工作流程为：

1)负载均衡节点启动时启动所有模块，所述负载均衡器负责使用具体算法将交易分配到特定节点；所述算法选择器负责根据配置器的配置内容，为负载均衡器提供具体算法实现；所述算法配置器负责配置具体的算法，并通知到算法选择器；

2)修改具体算法时，用户通过所述算法配置器修改要使用的算法；并通知所述算法选择器配置的算法；

3)所述算法选择器根据配置在本地选择对应的算法，作为当前的算法实现；

4)所述负载均衡器收到新来的交易时，通过所所述法选择器获取当前的算法实现将交易分配到具体节点。