CN110474968B - 一种自适感知式的区块链混合共识机制架构及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种自适感知式的区块链混合共识机制架构及其方法，该架构是由多条区块链组成的多链系统，包括一条主链及剩余若干功能侧链。主链的目的在于记录该多链系统中所有的操作行为，功能侧链的目的在于记录相应需求的数据资源，不同的功能侧链记录不同的数据资源。在主链和功能侧链之间存在一组共识机制，称为共识机制组，组内的每种共识机制的类型都是不同的，且可以添加和删除。主链在接收到执行某种功能操作时，会通过多链系统中的自适感知模块从共识机制组里选择与该功能对应的共识机制来执行，并由选中的共识机制来产生区块，同时将该功能所涉及的数据资源记录到对应的功能侧链上。若有新的需求产生，只需要将需求对应的共识机制添加到共识机制组中，同时添加若干条功能侧链与该共识机制绑定，以便在主链接收到该需求对应的功能操作时能正确的选择对应的共识机制和功能侧链。

Description

一种自适感知式的区块链混合共识机制架构及其方法
技术领域
本发明涉及区块链底层技术中的共识机制，具体涉及一种能够自适应地选择共识机制类型的区块链混合共识机制架构及其使用方法，属于区块链底层技术领域。
背景技术
如今，区块链技术依然处于发展阶段，从加密货币时代的区块链1.0到智能合约时代的区块链2.0，再到区块链3.0，区块链底层技术在不断的完善。尽管区块链技术一直在发展，但由于区块链底层架构模块固定，导致区块链的扩展性非常差。这样面对社会上的各种需求，一个区块链平台很难同时满足多种需求，尤其是区块链中的共识机制。不同的共识机制适用于不同的场景，然而现在的区块链平台所采用的的共识机制差别很大，想实现一种共识机制支撑所有业务需求是非常困难的。因此，如果一个区块链平台能让多种共识机制共存，且在面对不同需求时使用相应的共识机制，那就达到“一对多”的效果。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出了自适感知式的区块链混合共识机制架构及其使用方法。
为了达到以上目的，本发明提供了一种自适感知式的区块链混合共识机制架构，其特征在于：所述区块链混合共识机制架构由若干条区块链组成的多链系统，所述多链系统由一条主链及若干条功能侧链构成，所述主链用于记录多链系统中所有的操作行为，所述功能侧链用于记录相应需求的数据资源，不同的功能侧链记录不同的数据资源；在主链和功能侧链之间存在一组共识机制，称为共识机制组，各共识机制组内的每种共识机制的类型均不同。所述共识机制组是共享的，组内具有多种共识机制，主链与每个侧链都会采用组内的某一个共识机制运作，其结构为主链------共识机制组------侧链组。
进一步的，所述区块链混合共识机制架构包括主链存储模块、共识机制组模块、自适感知模块、主链与侧链数据同步模块及功能侧链组模块；
当主链在接收到执行某种功能操作时，通过多链系统中的自适感知模块从共识机制组里选择与该功能对应的共识机制来执行，并由选中的共识机制来产生区块，同时将该功能所涉及的数据资源记录到对应的功能侧链上，若有新的需求产生，将所述需求对应的共识机制添加至共识机制组中，同时添加若干条功能侧链与该共识机制绑定，以便在主链接收到该需求对应的功能操作时能正确的选择对应的共识机制和功能侧链。
进一步的，所述主链存储模块是由区块连接而成的一个链式存储结构，每个区块都是根据共识机制生成的，新生成的区块通过指针指向前一个区块；所述区块链的区块分为区块头部分及区块体部分，其中，区块内部属性分为区块链区块基本属性和区块链区块扩展属性；
所述共识机制组模块用于管理共识机制的中存在多种共识机制，这些共识机制都与功能操作相对应，并且多链系统管理者可以随时添加共识机制到共识机制组中，也可以移除共识机制组中已经存在的共识机制；
所述自适应模块专门用来接收用户的功能操作请求，并对请求进行解析，通过解析结果，将共识机制选择信号发送给共识机制组模块，让共识机制组模块能准确的选择对应的共识机制；
所述主链与侧链数据同步模块用于减少数据上链的时间误差；
所述功能侧链组模块中存在多条侧链，每一条侧链都与多链系统的某项功能对应，功能侧链的主要目的是记录数据资源，用以辅助主链运行；每一种功能对应着一种共识机制和多条功能侧链，但每条功能侧链只对应一种共识机制和一种功能。
进一步的，所述共识机制组模块选择共识机制的基本流程如下：
当共识机制组模块接收到自适感知模块发送的共识机制选择请求时，处理请求并生成该请求对应的信号，然后对这个信号进行验证，若验证成功，则从请求中获得其对应的功能信息编码，根据功能信息编码从共识机制映射表中获取到共识机制类型标识，最后根据共识机制类型标识在共识机制组中命中相应的共识机制，随后让该共识机制进行挖矿生成区块。
所述共识机制组模块共识机制组模块还具备添加共识机制类型和移除共识机制类型的功能。
一种自适感知式的区块链混合共识机制架构的方法，包括如下步骤：
步骤一，当多链系统用户执行某项功能操作时，请求信号会提交给自适感知模块进行处理，该请求信号是以数据包形式封装传输，包含了信号来源、信号目标和信号内容，信号内容经过椭圆曲线加密算法进行加密保证信号内容不被攻击者监听，并且通过椭圆曲线算法用私钥进行数字签名；
步骤二，当自适感知模块接收到用户功能操作请求信号后，用信号发送者的公钥对数字签名进行验证，若验证成功，则会对该请求信号进行解析，验证请求信号是否有效，一旦请求信号验证有效，对数据包的信号内容进行解密，获得到信号内容的明文后，根据该请求对应的功能操作生成相应的功能信息编码，将功能信息编码封装在共识机制选择信号中，并且利用椭圆曲线算法对信号内容进行加密和签名，再将加密签名后的信号发送给共识机制组模块；
步骤三，共识机制组模块接收到自适感知模块发送过来的共识机制选择信号，用信号发送者的公钥对数字签名进行验证，证实了信号来源的真实性后，对信号内容进行解密，获得明文后，对明文内容进行分析，从信号数据明文中获取功能信息编码，通过功能信息编码命中需要的共识机制；
步骤四，一旦命中相应的共识机制，共识机制组模块就会将共识机制类型、功能侧链标识和命中成功的信号发送给主链侧链数据信息同步模块，该模块用接收到的共识机制对主链和侧链同时进行挖矿，并将共识机制标识和功能侧链标识记录在主链生成的区块中，而根据功能侧链标识将该功能操作涉及的数据资源存储到对应的功能侧链中；
步骤五，主链侧链数据信息同步模块保证操作行为和数据资源是同步记录到主链和侧链上的。
与现有技术相比，本发明的主要贡献和特点在于：
(1)实现用一个区块链平台满足多种共识机制需求。
(2)极大提高了一个区块链平台对于功能的扩展性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中主链存储模块结构图。
图2为本发明中共识机制组模块结构图。
图3为本发明中自适感知式的区块链混合共识机制架构方法流程图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示是本发明的主链存储模块结构图，具体结构分析如下：
主链存储模块是由区块连接而成的链式数据结构，每个区块都是根据共识机制来生成的，新生成的区块通过指针指向前一个区块。其中区块也是一种复合型数据结构，通常情况下区块链的区块分为区块头部分和区块体部分，在本发明的主链存储模块中，将区块内部属性分为两部分属性，即区块链区块基本属性和区块链区块扩展属性。
区块链区块基本属性包括该区块的父区块Hash值、打包该区块的矿工地址、存储账户状态的Merkle树根节点Hash、存储该区块的交易的Merkle树根节点Hash、存储该区块的交易回执的Merkle数根节点Hash、区块难度、区块高度、区块时间戳、交易数组。其中交易数组是用来存储多链系统中的每一笔交易的，当区块生成时，系统会将一系列交易记录打包在区块上面，这些交易记录其实就是调用智能合约而生成的交易。智能合约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，其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。系统若要将操作行为记录到主链存储模块中时，必须通过调用智能合约的方式提交操作行为数据。
区块链区块扩展属性包括共识机制标识和功能侧链标识。这两个扩展属性是混合共识机制架构的关键，由于主链是用来记录操作行为的，所以当多链系统执行某项功能的时候，会通过自适感知模块去共识机制组中选择共识机制来进行挖矿生成区块，同时会将该功能需要记录的数据资源记录在对应的功能侧链上。那么主链存储模块就需要记录每个区块是由共识机制组中哪个共识机制生成的，也需要记录该区块对应的功能侧链。
如图2所示是本发明的共识机制组模块结构图，具体结构分析如下：
共识机制组模块的目的是专门用来管理共识机制的，在这个模块中主要部分是共识机制映射表和共识机制组。
共识机制映射表本质上是一个散列表，散列表是根据关键码值(Key Value)而直接进行访问的数据结构，它通过吧关键码值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度，这个映射函数叫做散列函数，存放记录的数组叫做散列表。在共识机制映射表中是用来存储多链系统中每项功能对应使用的共识机制，其实这个映射表的键为功能信息编码，通过合适的编码对功能信息进行封装，而映射表的值为共识机制类型，共识机制类型通过合适的唯一标识来区分。
共识机制组存放着所有的共识机制，这些共识机制都具有它们唯一标识，在进行共识机制选择时，根据唯一标识来选择共识机制，保证共识机制选择准确性。该部分实现过程中，采用散列表的形式存储所有共识机制标识和共识机制源码执行接口，所有共识机制源码本身都是进行封装的，外部所能看见的只有共识机制的执行接口，只需要调用执行接口即可让对应的共识机制运作。
该模块选择共识机制的基本流程如下：
当共识机制组模块接收到自适感知模块发送的共识机制选择请求时，该模块会处理这个请求，生成这个请求对应的信号。然后对这个信号进行验证，若验证成功，就从请求中获得其对应的功能信息编码，根据功能信息编码从共识机制映射表中获取到共识机制类型标识，最后根据共识机制类型标识在共识机制组中命中相应的共识机制，随后让该共识机制进行挖矿生成区块。
共识机制组模块还具备添加共识机制类型和移除共识机制类型的功能。多链系统管理者可以向共识机制组模块发送添加共识机制的请求，在发出请求时需要提供添加的共识机制源码和一些基本介绍信息，当共识机制组模块接收到添加共识机制信号，对添加的共识机制进行兼容性检验，检验该共识机制是否符合该混合共识机制架构的设计要求，若通过检验，就根据其源码、基本信息和时间戳计算Hash，以此Hash作为新添加共识机制的唯一标识，并反馈给管理者添加成功信号；若检验失败，则反馈给管理添加失败信号。多链系统管理者还可以向共识机制组模块发送移除共识机制的请求，在发送请求时需要提供移除的共识机制唯一标识，当共识机制组模块接收到移除共识机制信号，需要对移除的共识机制进行检验，检验该共识机制是否正在执行任务，若正在执行任务，即反馈移除失败信号给多链系统管理者，且告知该共识机制正在运作；若其空闲，则将该共识机制从共识机制组中移除，同时在共识机制映射表中删除该共识机制对应的映射关系，关闭多链系统与该共识机制相关的若干功能，处理完毕后反馈给管理者移除成功信号。
如图3所示是本发明的自适感知式的区块链混合共识机制架构方法流程图，具体过程步骤如下：
步骤1，当多链系统用户执行某项功能操作时，请求信号会提交给自适感知模块进行处理，该请求信号是以数据包形式封装传输，包含了信号来源、信号目标和信号内容，信号内容经过椭圆曲线加密算法进行加密保证信号内容不被攻击者监听，并且通过椭圆曲线算法用私钥进行数字签名。
步骤2，当自适感知模块接收到用户功能操作请求信号后，用信号发送者的公钥对数字签名进行验证，若验证成功，则会对该请求信号进行解析，验证请求信号是否有效，一旦请求信号验证有效，就对数据包的信号内容进行解密，获得到信号内容的明文后，根据该请求对应的功能操作生成相应的功能信息编码，将功能信息编码封装在共识机制选择信号中，并且利用椭圆曲线算法对信号内容进行加密和签名，再将加密签名后的信号发送给共识机制组模块。
步骤3，共识机制组模块接收到自适感知模块发送过来的共识机制选择信号，用信号发送者的公钥对数字签名进行验证，证实了信号来源的真实性后，对信号内容进行解密，获得明文后，对明文内容进行分析，从信号数据明文中获取功能信息编码，通过功能信息编码命中需要的共识机制。
步骤4，一旦命中相应的共识机制，共识机制组模块就会将共识机制类型、功能侧链标识和命中成功的信号发送给主链侧链数据信息同步模块。该模块用接收到的共识机制对主链和侧链同时进行挖矿，并将共识机制标识和功能侧链标识记录在主链生成的区块中，而根据功能侧链标识将该功能操作涉及的数据资源存储到对应的功能侧链中。
步骤5，主链侧链数据信息同步模块会保证操作行为和数据资源是同步记录到主链和侧链上的。
以上所述仅为本发明的一个具体实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自适感知式的区块链混合共识机制架构方法，其特征在于：所述区块链混合共识机制架构由若干条区块链组成的多链系统，所述多链系统由一条主链及若干条功能侧链构成，所述主链用于记录多链系统中所有的操作行为，所述功能侧链用于记录相应需求的数据资源，不同的功能侧链记录不同的数据资源；在主链和功能侧链之间存在一组共识机制，称为共识机制组，各共识机制组内的每种共识机制的类型均不同；
并包括如下步骤：
步骤一，当多链系统用户执行某项功能操作时，请求信号会提交给自适感知模块进行处理，该请求信号是以数据包形式封装传输，包含了信号来源、信号目标和信号内容，信号内容经过椭圆曲线加密算法进行加密保证信号内容不被攻击者监听，并且通过椭圆曲线算法用私钥进行数字签名；
步骤二，当自适感知模块接收到用户功能操作请求信号后，用信号发送者的公钥对数字签名进行验证，若验证成功，则会对该请求信号进行解析，验证请求信号是否有效，一旦请求信号验证有效，对数据包的信号内容进行解密，获得到信号内容的明文后，根据该请求对应的功能操作生成相应的功能信息编码，将功能信息编码封装在共识机制选择信号中，并且利用椭圆曲线算法对信号内容进行加密和签名，再将加密签名后的信号发送给共识机制组模块；
步骤三，共识机制组模块接收到自适感知模块发送过来的共识机制选择信号，用信号发送者的公钥对数字签名进行验证，证实了信号来源的真实性后，对信号内容进行解密，获得明文后，对明文内容进行分析，从信号数据明文中获取功能信息编码，通过功能信息编码命中需要的共识机制；
步骤四，一旦命中相应的共识机制，共识机制组模块就会将共识机制类型、功能侧链标识和命中成功的信号发送给主链侧链数据信息同步模块，该模块用接收到的共识机制对主链和侧链同时进行挖矿，并将共识机制标识和功能侧链标识记录在主链生成的区块中，而根据功能侧链标识将该功能操作涉及的数据资源存储到对应的功能侧链中；
步骤五，主链侧链数据信息同步模块保证操作行为和数据资源是同步记录到主链和侧链上的。
2.根据权利要求1所述的自适感知式的区块链混合共识机制架构方法，其特征在于：所述区块链混合共识机制架构包括主链存储模块、共识机制组模块、自适感知模块、主链与侧链数据同步模块及功能侧链组模块；
当主链在接收到执行某种功能操作时，通过多链系统中的自适感知模块从共识机制组里选择与该功能对应的共识机制来执行，并由选中的共识机制来产生区块，同时将该功能所涉及的数据资源记录到对应的功能侧链上，若有新的需求产生，将所述需求对应的共识机制添加至共识机制组中，同时添加若干条功能侧链与该共识机制绑定，以便在主链接收到该需求对应的功能操作时能正确的选择对应的共识机制和功能侧链。
3.根据权利要求2所述的自适感知式的区块链混合共识机制架构方法，其特征在于：所述主链存储模块是由区块连接而成的一个链式存储结构，每个区块都是根据共识机制生成的，新生成的区块通过指针指向前一个区块；所述区块链的区块分为区块头部分及区块体部分，其中，区块内部属性分为区块链区块基本属性和区块链区块扩展属性；
所述共识机制组模块用于管理共识机制的中存在多种共识机制，这些共识机制都与功能操作相对应，并且多链系统管理者可以随时添加共识机制到共识机制组中，也可以移除共识机制组中已经存在的共识机制；
所述自适应模块专门用来接收用户的功能操作请求，并对请求进行解析，通过解析结果，将共识机制选择信号发送给共识机制组模块，让共识机制组模块能准确的选择对应的共识机制；
所述主链与侧链数据同步模块用于减少数据上链的时间误差；
所述功能侧链组模块中存在多条侧链，每一条侧链都与多链系统的某项功能对应，功能侧链的主要目的是记录数据资源，用以辅助主链运行；每一种功能对应着一种共识机制和多条功能侧链，但每条功能侧链只对应一种共识机制和一种功能。
4.根据权利要求3所述的自适感知式的区块链混合共识机制架构方法，其特征在于：所述共识机制组模块选择共识机制的基本流程如下：
当共识机制组模块接收到自适感知模块发送的共识机制选择请求时，处理请求并生成该请求对应的信号，然后对这个信号进行验证，若验证成功，则从请求中获得其对应的功能信息编码，根据功能信息编码从共识机制映射表中获取到共识机制类型标识，最后根据共识机制类型标识在共识机制组中命中相应的共识机制，随后让该共识机制进行挖矿生成区块。
5.根据权利要求3所述的自适感知式的区块链混合共识机制架构方法，其特征在于：所述共识机制组模块共识机制组模块还具备添加共识机制类型和移除共识机制类型的功能。
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