CN110213224B - 数据包异步转发方法和系统、数据处理系统及共识节点终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种区块链网络的数据包异步转发方法，包括：区块链网络的共识节点接收数据包；获取待发送缓冲队列当前的缓冲信息；根据该缓冲信息，从该共识节点的邻居节点中选取目标节点并生成转发路由表；将该数据包和该转发路由表存入该待发送缓冲队列，以根据该转发路由表对该数据包进行异步转发。本发明通过实时调整数据包转发的目标节点数量，降低当前数据包转发的流量压力，在固定带宽下，提升网络数据包的同步效率。

Description

数据包异步转发方法和系统、数据处理系统及共识节点终端

技术领域

本发明属于互联网技术领域，具体涉及一种区块链网络中数据包异步转发方法和系统。

背景技术

去中心化区块链网络内存在大量共识节点，如果区块链的数据包可以更快地传播到全网所有共识节点，那么整个区块链网络也就能更快地达成数据一致。而区块链网络内各个共识节点的带宽资源是有限的，当区块链网络被DDoS攻击(Distributed DenialofService，分布式拒绝服务攻击)导致瞬时流量暴涨时，大量的中继消息会瞬间充满区块链网络，导致带宽被占满，数据包难以有效发送出去。

去中心化区块链网络内DDoS攻击十分频繁，面对DDoS攻击，常见的解决方案分为三类：预防型(preventive)，存活型(survival)和响应型(responsive)。

预防型解决方案，目标在于寻找并修复网络协议和应用程序的漏洞，防止大量的计算机被黑客入侵成为肉机，用于发起DDoS攻击。如“一种防止分布式拒绝服务供给的方法和装置”(公开号：CN104811420A)，公开了一种防止分布式拒绝服务供给的方法，通过在网络协议底层对请求建立TCP连接的客户端的合法性进行初步验证，将验证为合法的客户端返回的ACK包传递至网路协议高层，进行syncookie处理，以建立TCP连接。

存活型解决方案，目标在于扩大服务规模，在DDoS攻击产生时，能够通过扩容同时为正常流量和恶意流量提供服务。如“一种基于活动目录验证的在线服务系统”(公开号：CN202309766U)，揭示了一种基于活动目录验证的在线服务系统，通过架设多台活动目录服务器，以活动目录服务器之间互为冗余来实现服务器的高可用及存活。

响应型解决方案，目标在于定位攻击者的代理机，并人为限制代理机的流量。如“一种抵御拒绝服务攻击事件的网络安全保护方法”(公开号：CN1822593A)一种抵御拒绝服务攻击事件的网络安全保护方法，在数据链路层设计了防护模块，通过对接收的来自各种IP地址的TCP请求包进行判断，以实现对拒绝服务攻击的过滤，该方法包括以下步骤：防火墙截获外网客户端发向内网服务器TCP数据包，实现第一层防护处理，通过第一层防护的TCP数据包，进入第二层防护处理，检查所接收的TCP类型数据是否在合法的IP地址连接记录链表中有匹配项。有匹配项的，则视为正常的数据包，可直接交给内核处理；没有匹配项的TCP数据包，则先对其在一定时间段内进行包的流量统计。

预防型解决方案依赖于全网络行业安全意识的提升，涉及到单个项目则难以操作。存活型解决方案可以确保正常流量，但对硬件设备要求较高，需要增加带宽以同时为正常流量和恶意流量提供服务。响应型解决方案在中心化系统中可以很好地实施，但是在去中心化的区块链网络中，不能人为限制访问，从而导致该方案难以应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明在共识节点转发带宽固定的情况下，动态调节共识节点转发量，以在去中心化区块链网络内为正常流量和恶意流量同时提供服务。

具体来说，该方法包括：区块链网络的共识节点接收数据包；获取待发送缓冲队列当前的缓冲信息；根据该缓冲信息，从该共识节点的邻居节点中选取目标节点并生成转发路由表；将该数据包和该转发路由表存入该待发送缓冲队列，以根据该转发路由表对该数据包进行异步转发

本发明所述的数据包异步转发方法，其中该缓冲信息为当前转发系数throttling_ratio，

其中，cap(queue)为该待发送缓冲队列的缓冲容量，size(queue)为该待发送缓冲队列中当前缓冲的数据包个数。

本发明所述的数据包异步转发方法，其中选取relay_cnt个该邻居节点为该目标节点，relay_cnt＝throttling_ratio*size(neighbors)，size(neighbors)为该邻居节点的总数量。

本发明所述的数据包异步转发方法，采用随机方式从所有该邻居节点中选取该目标节点。

本发明所述的数据包异步转发方法，其中该共识节点接收该数据包后，首先进行查重操作，若该数据包为重复数据包，则丢弃该数据包，反之则对该数据包进行处理并转发。

本发明所述的数据包异步转发方法，还包括：当对该数据包处理完成后，该共识节点从该缓冲队列接收下一轮数据包。

本发明所述的数据包异步转发方法，其中该数据包包括：区块链网络的交易数据、待验证区块数据。

本发明还提出一种区块链网络的数据包异步转发系统，包括：数据包接收模块，用于区块链网络的共识节点接收数据包；缓冲信息获取模块，用于获取待发送缓冲队列当前的缓冲信息；目标节点选取模块，用于根据该缓冲信息，从该共识节点的邻居节点中选取目标节点并生成转发路由表；数据包异步转发模块，用于将该数据包和该转发路由表存入该待发送缓冲队列，以根据该转发路由表对该数据包进行异步转发。

本发明所述的数据包异步转发系统，其中该缓冲信息为当前网络流量系数throttling_ratio，

cap(queue)为该缓冲队列的缓冲容量，size(queue)为该缓冲队列中当前缓冲的数据包个数。

本发明所述的数据包异步转发系统，其中选取relay_cnt个该邻居节点为该目标节点，relay_cnt＝throttling_ratio*size(neighbors)，size(neighbors)为该邻居节点的总数量。

本发明所述的数据包异步转发系统，其中该目标节点选取模块采用随机方式从所有该邻居节点中选取该目标节点。

本发明所述的数据包异步转发系统，其中该数据包接收模块还包括：数据包查重模块，用于该共识节点接收该数据包后进行查重操作；若该数据包为重复数据包，则丢弃该数据包，反之则依次调用该缓冲信息获取模块、该邻居节点信息获取模块、该目标节点选取模块和该数据包异步转发模块，对该数据包进行处理并转发。

本发明所述的数据包异步转发系统，其中该数据包包括：区块链网络的交易数据、待验证区块数据。

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前述的区块链网络共识节点的数据包异步转发方法。

本发明还提出一种数据处理系统，用于接收、处理并转发区块链网络中的数据包，该数据处理系统包括：数据处理装置，为区块链网络的共识节点，包括前述的可读存储介质，该数据处理装置用于调取并执行该可读存储介质中的可执行指令，以接收及处理区块链网络的数据包，并根据区块链网络当前流量状况，从邻居节点中选取目标节点以生成用于转发该数据包的转发路由表；待发送缓冲队列，连接于该数据处理装置，用于缓冲该数据处理装置拟转发的数据包和该转发路由表，并根据该转发路由表按缓冲序列将该数据包转发给该目标节点。

本发明所述的数据处理系统，还包括：路由装置，用于各共识节点之间的路由，并向该共识节点提供包括该共识节点的邻居节点总数量的节点信息。

本发明所述的数据处理装置，其中该待发送缓冲队列设置于该数据处理装置内。

本发明还提出一种区块链共识节点终端，包括终端处理模块、网络IO模块和消息同步模块，该终端处理模块用于接收和处理该网络IO模块提供的数据包，以及通过该网络IO模块获取待发送缓冲队列的缓冲信息和邻居节点的节点信息，确定转发该数据包的目标节点并生成转发路由表，并通过该消息同步模块和路由模块对该数据包根据该转发路由表进行异步转发。

本发明的区块链网络的数据包异步转发方法，使共识节点在面临DDoS攻击时，能在有限带宽下有效保持服务的存活性。相较于DDoS的已有解决方案，本发明提供的解决方案更适合去中心化的分布式系统，而且无需增加新的资源即可有效提升节点服务在DDoS攻击下的存活性。

附图说明

图1是本发明的数据包异步转发方法的时序图。

图2是本发明的数据包异步转发方法的流程图。

图3是本发明的数据处理系统的结构示意图。

图4是本发明的区块链共识节点终端的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

去中心化区块链网络中，每个共识节点在网络中会接收到用户提交的交易数据和其他共识节点挖出的待验证区块数据，为了让这些数据包快速同步到全区块链网络，所以每个共识节点都成为这些数据包的中继节点，将这些数据包转发给邻居节点，使数据包在区块链网络内快速扩散。共识节点从其网络IO服务接收到数据包，经查重后，共识节点先异步转发数据包，然后处理数据包。转发功能由共识节点的消息同步服务提供，该功能会将该数据包转发给当前共识节点的邻居节点。

本发明的核心便在此转发功能，图1是本发明的数据包异步转发方法的时序图。如图1所示，先从网络IO服务中读取当前待发送缓冲队列信息，并根据待发送缓冲队列剩余空间的大小来评估当前实时上行(转发)流量的大小，于本发明的实施例中，通过当前转发系数throttling_ratio来表示待发送缓冲队列剩余空间的大小，

size(queue)表示待发送缓冲队列中缓冲数据包的个数，cap(queue)表示待发送缓冲队列的容量。如果共识节点转发数据包的瞬时流量过大，网络IO服务中的数据包异步发送线程会来不及发送待发送缓冲队列中的数据包，于是待发送的数据包会在待发送缓冲队列内积压，throttling_ratio会变小。然后，转发服务会紧接着从路由服务中获取当前节点的邻居节点neighbors，如果将数据包转发给所有邻居节点，在转发高峰期会瞬间导致区块链网络内的数据包爆炸。所以为了合理使用网络有限的带宽资源，本发明根据throttling_ratio来实时确定当前数据包要转发的邻居节点数量relay_cnt，relay_cnt＝throttling_ratio*size(neighbors)，其中size(neighbors)表示当前共识节点的邻居节点总数。可见，当网络实时流量变大时，数据包将会转发给更少的邻居节点，使得在有限带宽下，更多不同的数据包能得到传播。随机挑选relay_cnt个邻居节点作为转发的目标节点后，将目标节点的路由信息构建转发路由表，将发送给目标节点的数据包和转发路由表放入待发送缓冲队列，当前的节点服务将会开始处理下一轮数据包，而网络IO服务中的异步发送线程则会陆续将待发送缓冲队列中的数据包按照转发路由表异步发送出去。

本发明的数据包异步转发方法包括：共识节点接收数据包；获取待发送缓冲队列当前的缓冲信息；根据缓冲信息和共识节点当前的邻居节点的节点总数从所有邻居节点中选取目标节点，构建转发路由表；将数据包和转发路由表存入待发送缓冲队列，以按照转发路由表异步转发给所有目标节点。

本发明以当前转发系数throttling_ratio作为选取目标节点的缓冲信息，其中，

cap(queue)为待发送缓冲队列的缓冲容量，size(queue)为待发送缓冲队列中当前缓冲的数据包个数。

获取当前转发系数throttling_ratio后，选取relay_cnt个邻居节点为目标节点，其中relay_cnt＝throttling_ratio*size(neighbors)，size(neighbors)为当前共识节点的邻居节点的总数量，通过与当前共识节点相连接的路由器提供的路由表获得，选取目标节点的方式可以有多种，例如按照特定规律选取方式、预先设置目标节点方式等，本发明采用随机方式选取目标节点。

图2是本发明的数据包异步转发方法的流程图。如图2所示，本发明的数据包异步转发方法包括：

步骤S1，区块链的共识节点接收数据包；其中数据包包括区块链网络用户之间的交易数据、其他共识节点新生成待验证的区块数据，以及其他区块链网络中需要广播的数据，以上数据按照区块链网络的数据传输要求生成为加密的数据包，并在区块链网络中进行广播，某一共识节点接收到数据包后，在对其进行处理的同时，还将数据包进行转发，以使数据包可以快速的扩散至全部区块链网络；

步骤S2，共识节点接收到数据包后，对数据包进行查重操作，如果数据包为重复数据包，即该数据包已被接收过，则将该数据包丢弃，并重新执行步骤S1，接收下一跳数据包；如果该数据包为新数据包，以前未被接收过，则进行步骤S3，以将该数据包进行转发，同时对该数据包进行对应处理，例如将交易数据生成区块，或对待验证区块数据进行共识机制验证等；

步骤S3，共识节点获取待发送缓冲队列的缓冲信息，以评估当前转发流量，本发明采用当前转发系数throttling_ratio评估当前转发流量，

其中，cap(queue)为待发送缓冲队列的缓冲容量，即待发送缓冲队列可以缓冲数据包的个数，size(queue)为待发送缓冲队列中当前已缓冲的数据包个数；

步骤S4，确定当前转发的目标节点总数relay_cnt，从邻居节点中选取relay_cnt个为目标节点，并将目标节点的路由地址生成转发路由表，其中，relay_cnt＝throttling_ratio*size(neighbors)，size(neighbors)为共识节点的邻居节点的总数量，通过路由服务的路由表获取，size(neighbors)明确了数据包转发的目标节点的最大数量；于本发明的实施例中，采用随机方式选取目标节点，也可以采用特定规则方式选取目标节点，例如是优先选取特定共识节点为目标节点，并随机选取剩余邻居节点以达到relay_cnt个，或对邻居节点进行特定规则排序，按顺序依次选取relay_cnt个目标节点等，本发明并不以此为限；

步骤S5，将数据包和转发路由表存入待发送缓冲队列，按照转发路由表对数据包进行异步转发。

于本发明的另一实施例中，步骤S5之后还包括下一跳转发步骤：在下一跳转发操作中，在未被选取为目标节点的邻居节点中，按照步骤3、步骤4进行再次选取目标节点，以再次发送数据包，重复再次发送操作，直到数据包被转发给所有邻居节点。下一跳转发步骤可以确保当前数据包被转发给当前共识节点的所有邻居节点，但可能会提高邻居节点对数据包查重操作时的重复率，从而降低数据包的转发效率。

图3是本发明的数据处理系统的结构示意图。如图3所示，本发明实施例还提出一种数据处理系统，用于接收、处理并转发区块链网络中的数据包，数据处理系统包括多个数据处理装置、待发送缓冲队列和路由装置。其中数据处理装置为区块链网络的共识节点，通过路由装置相互连接的共识节点互为邻居节点，以接收数据包并进行转发的数据处理装置为当前共识节点，以其他通过路由装置与当前共识节点连接的共识节点为邻居节点1、邻居节点2、……、邻居节点n、……、邻居节点size(neighbors)，数据处理装置设置有存储可执行指令的可读存储介质，该可执行指令用于执行区块链网络数据包的接收、处理及异步转发操作；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，以接收及处理区块链网络的数据包，并根据区块链网络当前流量状况，从邻居节点中选取目标节点以转发该数据包，于本发明的实施例中，当前共识节点通过路由装置与所有邻居节点保持连接，但在转发数据包时，仅将数据包异步转发给邻居节点中选定的目标节点；待发送缓冲队列，用于缓冲数据处理装置拟转发的数据包，并按缓冲序列将数据包异步转发给目标节点，待发送缓冲队列可以设置于数据处理装置内，也可以设置于路由装置内，或其他位置并与数据处理装置连接，本发明并不以此为限；路由装置，用于各共识节点之间的路由，并向共识节点提供路由表，以确定当前共识节点的所有邻居节点的节点信息，包括所有邻居节点的总数size(neighbors)。

图4是本发明的区块链共识节点终端的结构示意图。如图4所示，本发明还提出一种区块链共识节点终端系统，包括：多个区块链共识节点终端和路由模块，区块链共识节点终端之间互为邻居节点；区块链共识节点终端包括：终端处理模块，用于接收和处理数据包，以及根据待发送缓冲队列的缓冲信息和邻居节点的节点信息，确定转发该数据包的目标节点并生成转发路由表，通过消息同步模块和网络IO模块对该数据包按照转发路由表进行异步转发；网络IO模块，连接于终端处理模块，用于向终端处理模块提供数据包，并获取缓冲信息以提供给终端处理模块；消息同步模块，连接于终端处理模块，用于向终端处理模块提供节点信息；路由模块，连接于区块链共识节点终端的该消息同步模块，用于进行各区块链共识节点终端(共识节点)之间的路由。

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。

以下是本发明的一具体实施例。

在2.3GHz Interl Core i5，8GB内存的MacBook Pro下，固定长度为1000的int型缓冲队列充当有限的带宽，模拟100个彼此互联的节点，统计在不同流量下全网同步所有消息消耗的时间(ns)。如表1所示，模拟了瞬时流量超过带宽的场景，分别在100条消息和200条消息的场景下，测试了采用了实时动态调节带宽使用效率的p2p网络和没有采用的p2p网络，达成全网同步所有消息，实现一致性所需的时间(ns)。

表1模拟p2p网络下采用动态调节带宽使用率前后全网达成一致所用时间对比测试数据

从实验数据观察，采用了本发明的数据包异步转发方法的p2p网络，相比于常规的p2p网络，在瞬时流量超过带宽时，借助算法有效地提升了网络带宽使用效率，帮助全网更快速地达成了数据一致性，而且随着流量的暴增，提升效果更加明显。

本发明可使用在任意需要快速同步数据的分布式网络内，当于每个节点的同步模块采用本发明的数据包异步转发方法，即可获得在有限带宽下，提升网络带宽效率的能力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (18)

1.一种区块链网络的数据包异步转发方法，其特征在于，包括：

区块链网络的共识节点接收数据包；

获取待发送缓冲队列当前的缓冲信息；

根据该缓冲信息，从该共识节点的邻居节点中选取目标节点并生成转发路由表；

将该数据包和该转发路由表存入该待发送缓冲队列，以根据该转发路由表对该数据包进行异步转发。

2.如权利要求1所述的数据包异步转发方法，其特征在于，该缓冲信息为当前转发系数

其中，cap(queue)为该待发送缓冲队列的缓冲容量，size(queue)为该待发送缓冲队列中当前缓冲的数据包个数。

3.如权利要求2所述的数据包异步转发方法，其特征在于，选取relay_cnt个该邻居节点为该目标节点，其中，relay_cnt＝throttling_ratio*size(neighbors)，size(neighbors)为该邻居节点的总数量。

4.如权利要求3所述的数据包异步转发方法，其特征在于，采用随机方式从所有该邻居节点中选取该目标节点。

5.如权利要求1所述的数据包异步转发方法，其特征在于，该共识节点接收该数据包后，首先进行查重操作，若该数据包为重复数据包，则丢弃该数据包，反之则对该数据包进行转发以及处理。

6.如权利要求5所述的数据包异步转发方法，其特征在于，还包括：

当对该数据包处理完成后，该共识节点接收下一轮数据包。

7.如权利要求1所述的数据包异步转发方法，其特征在于，该数据包包括：区块链网络的交易数据、待验证区块数据。

8.一种区块链网络的数据包异步转发系统，其特征在于，包括：

数据包接收模块，用于区块链网络的共识节点接收数据包；

缓冲信息获取模块，用于获取待发送缓冲队列当前的缓冲信息；

目标节点选取模块，用于根据该缓冲信息，从该共识节点的邻居节点中选取目标节点并生成转发路由表；

数据包异步转发模块，用于将该数据包和该转发路由表存入该待发送缓冲队列，以根据该转发路由表对该数据包进行异步转发。

9.如权利要求8所述的数据包异步转发系统，其特征在于，该缓冲信息为当前网络流量系数

其中，cap(queue)为该待发送缓冲队列的缓冲容量，size(queue)为该待发送缓冲队列中当前缓冲的数据包个数。

10.如权利要求9所述的数据包异步转发系统，其特征在于，选取relay_cnt个该邻居节点为该目标节点，其中，relay_cnt＝throttling_ratio*size(neighbors)，size(neighbors)为该邻居节点的总数量。

11.如权利要求10所述的数据包异步转发系统，其特征在于，该目标节点选取模块采用随机方式从所有该邻居节点中选取该目标节点。

12.如权利要求8所述的数据包异步转发系统，其特征在于，该数据包接收模块还包括：

数据包查重模块，用于该共识节点接收该数据包后进行查重操作；其中，若该数据包为重复数据包，则丢弃该数据包，反之则依次调用该缓冲信息获取模块、该邻居节点信息获取模块、该目标节点选取模块和该数据包异步转发模块，对该数据包进行处理并转发。

13.如权利要求8所述的数据包异步转发系统，其特征在于，该数据包包括：区块链网络的交易数据、待验证区块数据。

14.一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令用于被数据处理装置调用并执行后，实现如权利要求1～7任一项所述的区块链网络共识节点的数据包异步转发方法。

15.一种数据处理系统，用于接收、处理并转发区块链网络中的数据包，该数据处理系统包括：

数据处理装置，为区块链网络的共识节点，包括如权利要求14所述的计算机可读存储介质，该数据处理装置用于调取并执行该计算机可读存储介质中的计算机可执行指令，以接收及处理区块链网络的数据包，并根据区块链网络当前流量状况，从邻居节点中选取目标节点以生成用于转发该数据包的转发路由表；

待发送缓冲队列，连接于该数据处理装置，用于缓冲该数据处理装置拟转发的数据包和该转发路由表，并根据该转发路由表按缓冲序列将该数据包转发给该目标节点。

16.如权利要求15所述的数据处理系统，其特征在于，还包括：

路由装置，用于各共识节点之间的路由，并向该共识节点提供包括该共识节点的邻居节点总数量的节点信息。

17.如权利要求15所述的数据处理系统，其特征在于，该待发送缓冲队列设置于该数据处理装置内。

18.一种区块链共识节点终端，其特征在于，包括终端处理模块、网络IO模块和消息同步模块，该终端处理模块用于接收和处理该网络IO模块提供的数据包，以及通过该网络IO模块获取待发送缓冲队列的缓冲信息和邻居节点的节点信息，确定转发该数据包的目标节点并生成转发路由表，并通过该消息同步模块和路由模块对该数据包根据该转发路由表进行异步转发。

Images