CN110072196A - 为ndn网络提供面向区块链应用的通信方法及系统 - Google Patents

为ndn网络提供面向区块链应用的通信方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种为NDN网络提供面向区块链应用的通信方法，包括：信息订阅步骤，将矿工节点的订阅信息封装为NDN网络的订阅兴趣包，以将该订阅信息发送至该NDN网络的路由器节点，该路由器节点根据该订阅信息建立订阅推送表；数据广播步骤，将用户节点产生的交易数据封装为该NDN网络的普通兴趣包，并通过该路由器节点将该交易数据洪泛转发至所有矿工节点；区块广播步骤，任一矿工节点获取该交易数据并生成区块后，将该区块封装为该NDN网络的推送数据包，以通过该路由器节点将该区块转发至该订阅推送表登记的矿工节点，进行共识机制验证。

Description

为NDN网络提供面向区块链应用的通信方法及系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种为NDN网络提供面向区块链应用的通信方法和系统。
背景技术
命名数据网络(Named Data Networking，简称NDN)是全新的未来互联网架构，支持内容分发、网内缓存、移动性等能力，从设计上彻底解决现有TCP/IP互联网面临的扩展性、移动性、安全性等问题。与TCP/IP网络不同，NDN网络采用拉取通信模式，即内容消费者触发请求以获取内容，在内容分发性能上取得很好的效果。
近年来，区块链技术受到各界的广泛关注，成为新兴互联网技术之一。作为一种分布式账本，区块链通过多方共同参与数据的维护，独立验证数据的真实性，并对数据达成一致，实现去中心化、去信任化的数据库。自2008年提出至今，区块链技术架构经过十余年的发展已趋于成熟，目前，全球的相关组织机构把研究重心放在探索区块链在其他领域上的应用，例如大数据、物联网、人工智能等技术领域。区块链应用要求区块链节点(包括用户和记账节点)主动广播数据(包括交易和区块)，然而NDN网络基于拉取通信模式不能满足区块链需求。因此，基于NDN网络自身特点，如何为NDN网络提供面向区块链应用的支撑，成为目前亟需解决的问题之一。
为了解决上述问题，现有方案有两种。一种方案是基于NDN原有的通信模式，区块链节点采用周期性轮询的方式获取动态数据。中国国家发明“基于NDN的区块链同步方法和装置”(公开号：CN107317842A)，公开了一种基于NDN的区块链同步方法和装置，所述方法包括：用户设备向网络节点发送区块同步请求包，所述区块同步请求包的名称包括命名数据网络协议标识、应用标识、请求包类型和区块链的状态信息，所述区块链的状态信息用于指示所述用户设备存储的区块链中高度最高的区块的高度；接收所述网络节点返回的同步数据包，并提取所述同步数据包中的区块存储到区块链数据库。这种方法造成通信开销大或者延时高，甚至使得区块链系统不能正常运行。因为动态数据生成时间的不可预知性，导致确定轮询周期比较困难：如果周期设置短，则带来太大的网络通信开销；如果周期设置长，则实时产生的数据不能及时被广播出去，延时高造成区块链分叉概率上升，进而导致区块链不能正常运行。
另外一种方案是在NDN原有通信模块基础上增加数据推送的通信模式，并基于新增的数据推送通信模式实现区块链数据主动广播。中国国家发明“一种支持区块链业务的NDN网络通信方法”(公开号：CN108494812A)，公开一种支持区块链业务的NDN网络通信方法，在现有NDN网络基本通信模式和规则的基础上，设计增加了支持区块链业务的通信规则，并在原有NDN通信网络节点模型中设计增加一个专门针对推送服务待定兴趣表(PPIT)，同时设计完善的读写表过程，用于记录区块链业务实时推送新交易、新区块的请求包信息、指导数据包回传的路径，以记录区块链业务请求，从而保证该业务在不浪费NDN网络带宽资源和节点处理能力的基础上实现实时可达的通信。然而，这种方法没有遵循NDN原有的核心设计，而且只考虑区块链区块数据的广播，并没有考虑区块链交易数据广播情况。
发明内容
针对NDN网络对区块链应用的兼容性问题，以及上述方案存在的不足，本发明提出一种为NDN网络提供面向区块链应用的通信方法，该方法遵循NDN网络架构原有的核心设计，通过增加订阅推送表实现NDN网络对区块链数据的实时广播。
具体来说，该方法包括：信息订阅步骤，将矿工节点的订阅信息封装为NDN网络的订阅兴趣包，以将该订阅信息发送至该NDN网络的路由器节点，该路由器节点根据该订阅信息建立订阅推送表；数据广播步骤，将用户节点产生的交易数据封装为该NDN网络的普通兴趣包，并通过该路由器节点将该交易数据洪泛转发至所有矿工节点；区块广播步骤，任一矿工节点获取该交易数据并生成区块后，将该区块封装为该NDN网络的推送数据包，以通过该路由器节点将该区块转发至该订阅推送表登记的矿工节点，进行共识机制验证。
本发明所述的通信方法，其中该订阅兴趣包命名定义包括：应用程序名和节点标识，其中该应用程序名表示该订阅兴趣包所属的应用类型，该节点标识表示产生该订阅兴趣包的节点或用户。
本发明所述的通信方法，其中该推送数据包命名定义包括：应用程序名、节点标识和序列号，其中该应用程序名表示推送数据包所属的应用类型，该节点标识表示产生该推送数据包的节点或用户，该序列号表示该推送数据包的产生序列。
本发明所述的通信方法，其中该路由器节点转发该推送数据包后，保留该订阅推送表内对应的订阅信息。
本发明还提出一种为NDN网络提供面向区块链应用的通信系统，包括：信息订阅模块，用于将矿工节点的订阅信息封装为NDN网络的订阅兴趣包，以将该订阅信息发送至该NDN网络的路由器节点，该路由器节点根据该订阅信息建立订阅推送表；数据广播模块，用于将用户节点产生的交易数据封装为该NDN网络的普通兴趣包，并通过该路由器节点将该交易数据洪泛转发至所有矿工节点；区块广播模块，用于任一矿工节点获取该交易数据并生成区块后，将该区块封装为该NDN网络的推送数据包，以通过该路由器节点将该区块转发至该订阅推送表登记的矿工节点，进行共识机制验证。
本发明所述的通信系统，其中该订阅兴趣包命名定义包括：应用程序名和节点标识，其中该应用程序名表示该订阅兴趣包所属的应用类型，该节点标识表示产生该订阅兴趣包的节点或用户。
本发明所述的通信系统，其中该推送数据包命名定义包括：应用程序名、节点标识和序列号，其中该应用程序名表示推送数据包所属的应用类型，该节点标识表示产生该推送数据包的节点或用户，该序列号表示该推送数据包的产生序列。
本发明所述的通信系统，其中该区块广播模块中，该路由器节点转发该推送数据包后，保留该订阅推送表内对应的订阅信息。
本发明还提出一种可读存储介质，存储有可执行指令，该可执行指令用于执行如前述的为NDN网络提供面向区块链应用的通信方法。
本发明还提出一种数据处理装置，包括如前述的可读存储介质，该数据处理装置调取并执行该可读存储介质中的可执行指令，以进行为NDN网络提供面向区块链应用的通信。
通过本发明所述的方法，基于NDN网络，不仅支持区块链区块数据的实时广播，而且支持区块链交易数据的实时广播；同时减少区块链用户和矿工节点通信量，提高对区块链应用数据的传输效率。
附图说明
图1是本发明的NDN网络模型示意图。
图2是本发明的路由器节点中推送订阅表结构图。
图3是本发明的兴趣包处理流程图。
图4是本发明的数据包处理流程图。
图5是本发明的为NDN网络提供面向区块链应用的通信方法流程图。
图6是本发明的数据处理装置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清晰明了，以下结合附图对本发明进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不限定于本发明。
本发明提出了一种为NDN网络提供面向区块链应用的通信方法，基于区块链系统模型，面向交易数据实时广播和区块数据实时广播阶段，提供基于NDN网络的区块链应用通信。包括：信息订阅步骤，将矿工节点的订阅信息封装为NDN网络的订阅兴趣包，以将订阅信息发送至NDN网络的路由器节点，该路由器节点根据该订阅信息建立订阅推送表；数据广播步骤，将用户节点产生的交易数据封装为该NDN网络的普通兴趣包，并通过该路由器节点将该交易数据洪泛转发至所有矿工节点；区块广播步骤，任一矿工节点获取该交易数据并生成区块后，将该区块封装为该NDN网络的推送数据包，以通过该路由器节点将该区块转发至该订阅推送表登记的矿工节点，进行共识机制验证，且路由器节点转发推送数据包后，保留订阅推送表内对应的订阅信息。
其中订阅兴趣包命名定义包括：应用程序名和节点标识，其中应用程序名表示订阅兴趣包所属的应用类型，节点标识表示产生订阅兴趣包的节点或用户。推送数据包命名定义包括：应用程序名、节点标识和序列号，其中应用程序名表示推送数据包所属的应用类型，节点标识表示产生推送数据包的节点或用户，序列号表示推送数据包的产生序列。
本发明还提出一种为NDN网络提供面向区块链应用的通信系统，包括：信息订阅模块，用于将矿工节点的订阅信息封装为NDN网络的订阅兴趣包，以将该订阅信息发送至该NDN网络的路由器节点，该路由器节点根据该订阅信息建立订阅推送表；数据广播模块，用于将用户节点产生的交易数据封装为该NDN网络的普通兴趣包，并通过该路由器节点将该交易数据洪泛转发至所有矿工节点；区块广播模块，用于任一矿工节点获取该交易数据并生成区块后，将该区块封装为该NDN网络的推送数据包，以通过该路由器节点将该区块转发至该订阅推送表登记的矿工节点，进行共识机制验证。
图1是本发明的NDN网络模型示意图。如图1所示，本发明的系统模型由NDN网络的路由器节点(路由器A、路由器B、……)、矿工节点(矿工A、矿工B、……)和用户节点(用户A、用户B、……)构成。矿工节点扮演两个角色：当矿工节点生成区块链区块数据时，其作为内容生产者；当矿工节点接收区块或者交易数据时，其作为内容消费者。同理，用户节点也扮演两个角色：当用户节点生成交易数据时，其作为内容生产者；当用户节点接收区块时，其作为内容消费者。
为了支撑区块链交易数据的实时广播，利用NDN网络原有的拉取模式，即兴趣包广播。具体地，首先用户节点产生一笔交易，把交易数据封装到兴趣包，并发送给相邻的路由器节点；其次路由器节点接收包含交易数据的兴趣包，对除了兴趣包到来端口外的其他端口进行转发；最后矿工节点接收到包含交易数据的兴趣包，提取交易数据。
在面向区块数据实时广播阶段，为了支持数据(例如，区块链区块)推送通信，在保留NDN原有数据拉取通信模式基础上，扩展包格式，即在包格式上增加类型字段对数据拉取和推送进行区分。其中兴趣包分三种类型：普通兴趣包、订阅兴趣包以及取消订阅兴趣包。数据包分两种类型：普通数据包和推送数据包。例如，订阅者发起对推送者的订阅兴趣包；路由器节点收到订阅兴趣包之后，记录订阅兴趣包的名字和进入端口号到订阅推送表(Subscribe-Push Table，SPT)中；推送者有数据生成，主动发送推送型数据包；路由器节点根据名字前缀匹配方式查找SPT，原路转发数据包直到订阅者。同时，为涉及区块链区块数据的兴趣包和数据包进行命名定义。因为NDN网络是以内容名字为核心，基于内容名字进行路由，而且命名定义是由应用程序设计决定的，如表1所示。兴趣包命名定义是基于两个基本部分：应用程序名和节点标识，第一部分是应用程序的名字，表明兴趣包所属的应用；第二部分是节点的标识，用于区分不同的区块链用户，例如/ndn.blockchain/user_A，表明用户节点user_A的应用程序ndn.blockchain产生的交易数据。数据包的命名是基于三个基本部分：应用程序名、节点标识和序列号，第一部分是应用程序的名字，表明数据包所属应用；第二部分是推送者(即生产者，例如区块链区块生成者)的节点标识，用于区分不同的推送者；第三部分是推送者产生数据序列号，表明推送者产生最新数据，例如ndn.blockchain/miner_A/1，表明矿工节点miner_A的应用程序ndn.blockchain产生编号为1的推送数据。
描述 规则 实例
应用程序名 application_name ndn.blockchain
生产者标识 producer_ID user_A
序列号 sequence 1
订阅兴趣包名字 /application_name/producer_ID ndn.blockchain/user_A
推送数据包名字 /application_name/producer_ID/sequence ndn.blockchain/miner_A/1
表1区块链区块的包命名
为NDN网络提供推送数据能力，在NDN节点原有通信模块，增加订阅推送表，图2是本发明的路由器节点中推送订阅表结构图。如图2所示，用于记录订阅推送类型服务的相关信息，SPT表建立与删除过程见表2所展示的算法。而待定兴趣表(Pending InterestTable，PIT)仍然只负责记录拉取类型服务的请求信息。SPT的功能类似于PIT，负责指导数据包回传的路径，在订阅类型兴趣包转发的过程中记录内容名字和和进入端口号。考虑到推送类型服务是一个持续推送过程，路由器节点在收到数据包后，对SPT表项不做删除，保证数据的持续推送。数据推送处理算法如表3所示的算法，订阅者发送一次请求订阅，路由器节点记录订阅信息到SPT表，当数据回传的过程中，SPT将不会删除已完成记录条目。对于推送数据出现网络丢包的情况，节点通过发送普通兴趣包获取丢失数据。
表2推送服务SPT建立与删除算法
表3数据推送处理算法
兴趣包处理过程，图3是本发明的兴趣包处理流程图。如图3所示。当兴趣包到达时，首先在内容缓存(Content Store，CS)中查找是否已经缓存该内容，若有则直接返回该数据包，否则判定兴趣包的类型。如果判定兴趣包的类型为普通兴趣包，则按照原有NDN待定兴趣表PIT操作进行处理。如果为区块链应用(即订阅类型)兴趣包，则查询推送服务SPT表，如果该请求内容的名字已经在SPT中存在，则在对应条目增加进入端口号；如果该请求内容的名字在SPT中不存在，则增加新条目(内容名字和进入端口号)，再通过转发信息表FIB进行路由转发到下一节点；如果为区块链应用(即取消订阅类型)兴趣包，则删除SPT对应条目端口号，再通过转发信息表FIB进行路由转发到下一节点。而在数据包处理的过程中，图4是本发明的数据包处理流程图。如图4所示，首先判断数据包的类型，如果是普通类数据包，则按照原有NDN数据包流程处理；如果是区块链应用(推送类型)的数据包，则查询推送服务SPT表，如果该数据包的内容名字在SPT存在，则根据对应条目的记录端口号进行原路转发；如果该数据包的内容名字在SPT中不存在，则丢弃该数据包。
为了更清楚说明区块链如何在NDN网络运作的，下面通过具体实施例对本发明的通信方法做进一步说明。
图5是本发明的为NDN网络提供面向区块链应用的通信方法流程图。如图5所示，以比特币为例，本发明的为NDN网络提供面向区块链应用的通信方法具体包括：
步骤S1，矿工节点将订阅信息封装为兴趣包，发送至路由器节点，路由器节点根据订阅信息建立订阅推送表SPT；
步骤S2，用户节点产生一笔新交易，将交易数据封装到普通兴趣包，并通过路由器节点将普通兴趣包广播到NDN网络；
步骤S3，矿工节点收集交易数据，与前置区块的散列值，时间戳一起封装成区块，通过工作量证明共识算法计算得到本区块的散列值，以生成区块；
步骤S4，矿工节点一旦生成区块，立即将区块封装为推送数据包，广播至NDN网络；路由器节点收到推送数据包，根据SPT转发到其他矿工节点；
步骤S5，其他矿工节点从接收到推送数据包中获取区块进行验证，若区块有效，则追加到本地区块链上；否则丢弃该区块。
图6是本发明的数据处理装置示意图。如图6所示，本发明实施例还提供一种可读存储介质，以及一种数据处理装置。本发明的可读存储介质存储有计可执行指令，可执行指令被数据处理装置的处理器执行时，实现上述为NDN网络提供面向区块链应用的通信方法。本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件(例如处理器)完成，所述程序可以存储于可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块可以采用硬件的形式实现，例如通过集成电路来实现其相应功能，也可以采用软件功能模块的形式实现，例如通过处理器执行存储于存储器中的程序/指令来实现其相应功能。本发明实施例不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可以做出若干变形和改进，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种为NDN网络提供面向区块链应用的通信方法，其特征在于，包括：
信息订阅步骤，将矿工节点的订阅信息封装为NDN网络的订阅兴趣包，以将该订阅信息发送至该NDN网络的路由器节点，该路由器节点根据该订阅信息建立订阅推送表；
数据广播步骤，将用户节点产生的交易数据封装为该NDN网络的普通兴趣包，并通过该路由器节点将该交易数据洪泛转发至所有矿工节点；
区块广播步骤，任一矿工节点获取该交易数据并生成区块后，将该区块封装为该NDN网络的推送数据包，以通过该路由器节点将该区块转发至该订阅推送表登记的矿工节点，进行共识机制验证。
2.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，该订阅兴趣包命名定义包括：应用程序名和节点标识，其中该应用程序名表示该订阅兴趣包所属的应用类型，该节点标识表示产生该订阅兴趣包的节点或用户。
3.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，该推送数据包命名定义包括：应用程序名、节点标识和序列号，其中该应用程序名表示推送数据包所属的应用类型，该节点标识表示产生该推送数据包的节点或用户，该序列号表示该推送数据包的产生序列。
4.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，该路由器节点转发该推送数据包后，保留该订阅推送表内对应的订阅信息。
5.一种为NDN网络提供面向区块链应用的通信系统，其特征在于，包括：
信息订阅模块，用于将矿工节点的订阅信息封装为NDN网络的订阅兴趣包，以将该订阅信息发送至该NDN网络的路由器节点，该路由器节点根据该订阅信息建立订阅推送表；
数据广播模块，用于将用户节点产生的交易数据封装为该NDN网络的普通兴趣包，并通过该路由器节点将该交易数据洪泛转发至所有矿工节点；
区块广播模块，用于任一矿工节点获取该交易数据并生成区块后，将该区块封装为该NDN网络的推送数据包，以通过该路由器节点将该区块转发至该订阅推送表登记的矿工节点，进行共识机制验证。
6.如权利要求5所述的通信系统，其特征在于，该订阅兴趣包命名定义包括：应用程序名和节点标识，其中该应用程序名表示该订阅兴趣包所属的应用类型，该节点标识表示产生该订阅兴趣包的节点或用户。
7.如权利要求5所述的通信系统，其特征在于，该推送数据包命名定义包括：应用程序名、节点标识和序列号，其中该应用程序名表示推送数据包所属的应用类型，该节点标识表示产生该推送数据包的节点或用户，该序列号表示该推送数据包的产生序列。
8.如权利要求5所述的通信系统，其特征在于，该区块广播模块中，该路由器节点转发该推送数据包后，保留该订阅推送表内对应的订阅信息。
9.一种可读存储介质，存储有可执行指令，该可执行指令用于执行如权利要求1～4任一项所述的为NDN网络提供面向区块链应用的通信方法。
10.一种数据处理装置，包括如权利要求9所述的可读存储介质，该数据处理装置调取并执行该可读存储介质中的可执行指令，以进行为NDN网络提供面向区块链应用的通信。
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