CN110572404B - 一种轻量化区块链网络系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种轻量化区块链网络系统，包括主链、密钥链和多条业务子链，所述主链、密钥链和多条业务子链采用有向无环图DAG数据结构搭建成链网络；所述主链，用于负责所述链网络的运行管理；所述密钥链，用于负责所述链网络节点加入的许可；每一条业务子链，用于负责处理相应的业务需求。本发明的链网络系统中包括多条业务子链，为一个多链系统，能够满足多种业务数据处理的需求，且运行于低功耗的嵌入式终端硬件中，降低了整个网络系统的功耗。

Description

一种轻量化区块链网络系统
技术领域
本发明属于区块链技术领域，尤其涉及一种轻量化区块链网络系统。
背景技术
区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。区块链(Blockchain)是比特币的一个重要概念，它本质上是一个去中心化的数据库，同时作为比特币的底层技术，是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一批次比特币网络交易的信息，用于验证其信息的有效性(防伪)和生成下一个区块。
传统的区块链网络都运行在PC环境下，对资源限制的设计考量较少；另外，传统的区块链网络多为单链系统，只能存储单一业务数据，对于复杂多变的应用环境，不能满足多种业务数据处理的需求。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的轻量化区块链网络系统。
本发明提供了一种轻量化区块链网络系统，包括主链、密钥链和多条业务子链，所述主链、密钥链和多条业务子链采用有向无环图DAG数据结构搭建成链网络；
所述主链，用于负责所述链网络的运行管理；
所述密钥链，用于负责所述链网络节点加入的许可；
每一条业务子链，用于负责处理相应的业务需求。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进。
进一步的，所述链网络运行于嵌入式终端硬件中，所述嵌入式终端硬件为低功耗的片上系统SoC。
进一步的，所述嵌入式终端硬件外接安全模块，所述安全模块中内置多种协处理器；
所述安全模块，用于对所述链网络中的节点的运行数据进行加密，以及负责所述密钥链上密钥的产生。
进一步的，所述多种协处理器包括PKE加密芯片、DES加密芯片和SM1、SM2、SM3、SM4加密芯片。
进一步的，所述嵌入式终端硬件提供SPI、USB和以太网三种网络接口，所述嵌入式终端硬件通过三种网络接口中的一种或多种实现与外部通信。
进一步的，每一条业务子链，用于将自身链上的区块哈希信息锚定在所述主链上，其中，所述区块哈希信息表征所述主链与每一条业务子链的关联关系；
所述密钥链，用于将自身链上的区块哈希信息锚定在所述主链上，其中，所述区块哈希信息表征所述主链与所述密钥链的关联关系；
所述主链与每一条业务子链之间的关联关系以及所述主链与所述密钥链之间的关联关系形成DAG规则。进一步的，所述主链还用于采用红黑树数据结构存储智能合约执行引擎的状态数据。
本发明提供的一种轻量化区块链网络系统，链网络系统中包括多条业务子链，为一个多链系统，能够满足多种业务数据处理的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例提供的轻量化区块链网络系统图；
图2为本发明一个实施例提供的红黑树数据存储结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
参见图1，提供了一种轻量化区块链网络系统，包括主链、密钥链和多条业务子链，主链、密钥链和多条业务子链采用有向无环图DAG数据结构搭建成链网络。
其中，所述主链，用于负责所述链网络的运行管理；所述密钥链，用于负责所述链网络节点加入的许可；每一条业务子链，用于负责处理相应的业务需求。
可以理解的是，在一些特定的安全、监管应用场景下，需要使用包含区块链节点的智能移动终端。针对移动终端资源受限、网络连接不稳定、易受干扰等特点，探索融合通信、安全、保密等多方要素的综合设计技术。通过研究轻量级区块链节点，构建分布式信任与安全基础；研究终端内生安全机制，研究基于多安全策略的数据安全访问控制技术，确保智能终端数据域服务的安全性；同时研究轻量级安全通信协议，在资源受限的条件下，实现不同终端之间数据与服务的安全、可信交互。
本发明实施例提供的轻量化区块链网络系统包括一条主链、一条密钥链和多条业务子链，由主链、密钥链和多条业务子链进行链网络的搭建。
区块链应用是由包含交易信息的区块从后向前有序链接起来的数据结构，区块被从后向前有序地链接在这个链条，每个区块都指向前一个区块，最终组成区块链网络。
在本发明实施例中，在已有区块链数据结构的基础上，采用有向无环图DAG数据结构将主链、密钥链和多条业务子链搭建成链网络。DAG，Directed Acyclic Graph，有向无环图，是指任意一条边有方向，且不存在环路的图。如果有一个非有向无环图，且A点出发向B点经C点可回到A点，形成一个环。将从C点到A点的边方向改为从A点到C点，则变成有向无环图，有向无环图的生成树个数等于入度非零的节点的入度积，其中，采用DAG数据结构搭建的链网络的结构示意图可参见图1，从链网络的任一一个区块出发，均有方向，但不能构成环路，为有向无环图。
在上述实施例的基础上，本发明一个实施例中，所述链网络运行于嵌入式终端硬件中，所述嵌入式终端硬件为低功耗的片上系统SoC。
可以理解的是，区块链网络运行于智能移动终端上，由于智能移动终端的特殊性，智能移动终端必须运行在安全可控的环境下，而且具备高安全、轻量化、低功耗等特点，这对轻量化区块链节点提出了硬件和软件设计两方面的要求。现有的区块链节点网络都运行在PC环境下，对资源限制的设计考量很少，因此需要综合考虑体积、重量、功耗等多方面限制因素。
由于受到智能移动终端功耗的限制，本发明实施例中，在进行SoC(system onchip，片上系统)选型时，使用低功耗的SoC方案，本发明实施例中搭建的链网络运行于嵌入式终端硬件中，其中，嵌入式终端硬件为低功耗的片上系统SoC，可以降低整个链网络运行的功耗。
在上述各实施例的基础上，本发明的一个实施例中，嵌入式终端硬件外接安全模块，安全模块中内置多种协处理器；安全模块，用于对链网络中的节点的运行数据进行加密，以及负责密钥链上密钥的产生。其中，多种协处理器包括PKE加密芯片、DES加密芯片和SM1、SM2、SM3和SM4加密芯片。
可以理解的是，为了保证链网络运行过程中的安全性，链网络中的节点在运行时，节点上运行的数据需要加密处理，同时，当有一个新的节点申请加入链网络时，必须得到链网络中的其它节点的认证，只有当认证通过后，该新节点才能加入链网络中。在本发明实施例中，嵌入式终端硬件外接安全模块，该安全模块中内置有密码学算法，其中，安全模块，用于对链网络中的节点的运行数据进行加密，以及负责密钥链上密钥的产生，其中，密钥链上的密钥主要是在新节点加入链网络时认证时所用。
具体的，该安全模块中内置有多种协处理器，每一种协处理器可以完成加密算法。多种协处理器可以包括PKE(public-key cryptography，公开密钥加密)加密芯片、DES(Data Encryption Standard，数据加密标准)加密芯片和SM1、SM2、SM3或SM4加密芯片，安全模块通过这些加密芯片可实现加密算法。
在上述各实施例的基础上，本发明一个实施例中，嵌入式终端硬件包括SPI、USB和以太网三种网络接口，所述嵌入式终端硬件通过三种网络接口中的一种或多种实现与外部通信。
可以理解的是，嵌入式终端硬件提供多种网络接口，嵌入式终端硬件可通过网络接口与外部实现通信。在本发明实施例中，嵌入式终端硬件主要提供三种类型的网络接口，这三种类型的网络接口包括SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)、USB(Serial Peripheral Interface，通用串行总线接口)和以太网接口。其中，SPI网络接口的速率最高可达100Mbps，USB网络接口的速率最高可达480Mbps，以太网络接口的速率最高可达100Mbps。嵌入式终端硬件可通过其中的任一一种网络接口或者同时通过其中的多种网络接口实现与外部通信。
在上述各实施例的基础上，本发明一个实施例中，每一条业务子链，用于将自身链上的区块哈希信息锚定在所述主链上，其中，所述区块哈希信息表征所述主链与每一条业务子链的关联关系。
其中，密钥链，用于将自身链上的区块哈希信息锚定在主链上，其中，区块哈希信息表征主链与所述密钥链的关联关系；关联关系形成DAG规则。
可以理解的是，在上述实施例中，采用有向无环图DAG数据结构将主链、密钥链和多条业务子链搭建成链网络，每一条链(包括主链、密钥链和每一条业务子链)上均包括多个区块。
每一条业务子链和密钥链，将自身链上的区块哈希信息锚定在主链上，对于不断锚定的哈希信息相当于主链联系到子链的关联关系，在本发明实施例中，每一条业务子链将自身链的区块哈希信息锚定在主链上，不断锚定的哈希信息相当于主链到每一条业务子链的关联关系。同样的，密钥链将自身链上的区块哈希信息锚定在主链上，不断锚定的哈希信息相当于主链到密钥链的关联关系。
多条业务子链和密钥链与主链之间不断创建的关联关系组成一个规则的有向无环图DAG。
在上述各实施例的基础上，本发明一个实施例中，主链还用于采用红黑树数据结构存储智能合约执行引擎的状态数据。
参见图2，可以理解的是，在链网络上进行交易时，为了保证链网络上交易的顺利有序进行，需要制定智能合约，对于交易过程中智能合约执行引擎的状态，本发明实施例中使用优化的红黑树数据结构来进行存储。红黑树是一种特殊的二叉查找树，红黑树的每个节点上都有存储位表示节点的颜色，可以是红(Red)或黑(Black)，如图2中，虚线框表示红树，实线框表示黑树。红黑树的应用比较广泛，主要是用来存储有序的数据，它的时间复杂度是O(lgn)，效率很高，本发明实施例使用红黑树存储智能合约执行引擎的状态数据，可以更加高效地查找智能合约执行引擎的状态数据。
本发明提供一种轻量化区块链网络系统，链网络运行于低功耗的嵌入式终端硬件中，降低了整个链网络运行时的功耗；链网络系统中包括多条业务子链，为一个多链系统，相比传统的单链系统，能够满足多种业务数据处理的需求；采用红黑树数据结构对智能合约执行引擎的状态数据进行存储，能够更加高效地查找智能合约引擎的状态数据。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
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：其依然可以对前述各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 (6)

1.一种轻量化区块链网络系统，其特征在于，包括主链、密钥链和多条业务子链，所述主链、密钥链和多条业务子链采用有向无环图DAG数据结构搭建成链网络；
所述主链，用于负责所述链网络的运行管理；
所述密钥链，用于负责所述链网络节点加入的许可；
每一条业务子链，用于负责处理相应的业务需求；
而且，所述每一条业务子链，还用于将自身链上的区块哈希信息锚定在所述主链上，其中，所述区块哈希信息表征所述主链与每一条业务子链的关联关系；
所述密钥链，还用于将自身链上的区块哈希信息锚定在所述主链上，其中，所述区块哈希信息表征所述主链与所述密钥链的关联关系；
所述主链与所述每一条业务子链之间的关联关系以及所述主链与所述密钥链之间的关联关系形成DAG规则。
2.根据权利要求1所述的轻量化区块链网络系统，其特征在于，所述链网络运行于嵌入式终端硬件中，所述嵌入式终端硬件为低功耗的片上系统SoC。
3.根据权利要求2所述的区块链网络系统，其特征在于，所述嵌入式终端硬件外接安全模块，所述安全模块中内置多种协处理器；
所述安全模块，用于对所述链网络中的节点的运行数据进行加密，以及负责所述密钥链上密钥的产生。
4.根据权利要求3所述的轻量化区块链网络系统，其特征在于，所述多种协处理器包括PKE加密芯片、DES加密芯片和SM1、SM2、SM3、SM4加密芯片。
5.根据权利要求2所述的轻量化区块链网络系统，其特征在于，所述嵌入式终端硬件提供SPI、USB和以太网三种网络接口，所述嵌入式终端硬件通过三种网络接口中的一种或多种实现与外部通信。
6.根据权利要求1所述的轻量化区块链网络系统，其特征在于，所述主链还用于采用红黑树数据结构存储智能合约执行引擎的状态数据。
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