CN110673966B - 一种基于区块链链上-链下协同的数据交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机区块链技术领域，提供一种基于区块链链上‑链下协同的数据交互方法。首先构建链上‑链下协同交互框架；当用户请求写入/更新数据时，在链下数据中心写入/修改原始数据，从原始数据/要修改的数据中提取数据摘要并签名，选取主节点构建区块并接入区块链，再通知其他节点同步；当用户请求查询数据时，发送签名给验证节点，验证节点查询链上数据并广播数据，当多于半数的验证节点查询到相同的数据时，选取主节点，主节点从链下数据中心查询原始数据并提取数据摘要，对比链上数据与链下数据，若一致则返回用户的查询权限，若不一致则通知用户数据损坏。本发明能够保证数据安全性和完整性，且在进行大型数据的交互时速度快。

Description

一种基于区块链链上-链下协同的数据交互方法

技术领域

本发明涉及计算机区块链技术领域，特别是涉及一种基于区块链链上-链下协同的数据交互方法。

背景技术

区块链是一种由互不相信的节点维护同一个全局状态的数据库。区块链不同于普通数据库，有着自身的特性。首先，区块链存储数据时使用的是P2P网络，不存在中心化的管理机构，所有节点有着均等的权利和义务，因此区块链具有去中心化的特性。第二，区块链采用基于协商一致的协议(即共识机制)，系统中所有节点无需信任就可以进行自由安全的数据交换，避免人为干预，因此区块链具有无需信任背书的特性。另外，信息添加至区块链后，除非能够控制大部分节点，否则无法修改，因此区块链具有数据防篡改的特性。基于以上特性，区块链适用于存储金融数据和医疗数据等需要较高安全性的数据。

金融数据和医疗数据具有数据多模态、标准不统一和多方不信等独有特性，非常适合使用区块链技术。除以上特性外，金融数据和医疗数据还有着一个重要的特性，就是数据体量浩大。然而区块链自身存在局限性，并不适合存储大型数据：(1)区块链中的每一个区块大小只有几MB，存储大数据需要构建大量区块，因而存储数据缓慢；(2)数据写入区块链系统前，需要先进行数据验证，数据量过大可能会造成网络拥堵。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于区块链链上-链下协同的数据交互方法，能够保证数据安全性和完整性，且在进行大型数据的存储、查询、更新时交互速度快。

本发明的技术方案为：

一种基于区块链链上-链下协同的数据交互方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：构建区块链链上-链下协同交互框架包括区块链、链下的数据中心、验证网络，所述验证网络包括验证节点集合S_VN＝{VN₁,VN₂,…,VN_p,…,VN_P}，VN_p为第p个验证节点，P为验证节点总数；

步骤2：当用户请求写入数据时，执行步骤3；当用户请求查询数据时，执行步骤4；当用户请求更新数据时，执行步骤5；

步骤3：进行链上-链下数据写入：

步骤3.1：当用户S_U＝{U₁,U₂,…,U_i,…,U_I}请求写入原始数据S_data＝{data₁,data₂,…,data_j,…,data_J}时，将原始数据S_data写入链下的数据中心，验证节点集合S_VN中的每个验证节点均通过哈希函数从原始数据S_data中提取数据摘要S_dig＝{dig₁,dig₂,…,dig_j,…,dig_J}，并使用用户U_i的签名sig_i对用户U_i的数据摘要进行签名；其中，dig_j为原始数据data_j的摘要，U_i为第i个用户，I为用户总数，sig_i∈S_sig，S_sig＝{sig₁,sig₂,……,sig_i,……,sig_I}；

步骤3.2：从最先完成数据摘要提取操作的验证节点中随机选取一个验证节点VN_m作为主节点，主节点VN_m广播第一消息，其他验证节点收到第一消息后停止数据摘要提取操作；

步骤3.3：主节点VN_m使用提取的数据摘要构建Merkle树，并将Merkle树打包成区块block，将区块block连接在区块链上，然后广播第二消息；

步骤3.4：其他验证节点收到第二消息后同步区块链状态；

步骤4：进行链上-链下数据查询：

步骤4.1：用户U_i请求查询数据，将签名sig_i发送给验证节点集合S_VN中的每个验证节点；

步骤4.2：验证节点集合S_VN中的每个验证节点均从区块链尾开始向区块链头查询区块链链上数据；

步骤4.3：每个验证节点查询到签名为sig_i的链上数据后均广播消息，当多于P/2的验证节点查询到相同的链上数据digest_on时，从查询到链上数据digest_on的验证节点中随机选取一个验证节点VN_m作为主节点，主节点VN_m广播第三消息，其他验证节点收到第三消息后停止数据查询操作；

步骤4.4：主节点VN_m从链下的数据中心查询用户U_i的原始数据，然后从原始数据中提取数据摘要digest_off；

步骤4.5：若digest_on与digest_off一致，主节点VN_m返回用户U_i的查询权限，用户U_i可以在链下的数据中心上查询数据；若digest_on与digest_off不一致，主节点VN_m通知用户U_i数据损坏；

步骤5：进行链上-链下数据更新：

步骤5.1：用户S_U＝{U₁,U₂,…,U_i,…,U_I}请求修改一部分数据为S_mdata＝{mdata₁,mdata₂,…,mdata_k,…,mdata_K}，在链下的数据中心上修改原始数据后，通知验证节点集合S_VN中的每个验证节点；

步骤5.2：验证节点集合S_VN中的每个验证节点均通过哈希函数从数据S_mdata中提取数据摘要S_mdig＝{mdig₁,mdig₂,…,mdig_k,…,mdig_K}，并使用用户U_i的签名sig_i对用户U_i的数据摘要进行签名；其中，mdig_k为数据mdata_k的摘要；

步骤5.3：从最先完成数据摘要提取操作的验证节点中随机选取一个验证节点VN_m作为主节点，主节点VN_m广播第四消息，其他验证节点收到第四消息后停止摘要提取操作；

步骤5.4：主节点VN_m使用提取的数据摘要构建Merkle树，并将Merkle树打包成区块block_modify，将区块block_modify连接在区块链上，然后广播第五消息；

步骤5.5：其他验证节点收到第五消息后同步区块链状态。

本发明的有益效果为：

本发明构建了链上-链下协同交互框架，在链下的数据中心存储原始数据，在区块链上存储原始数据的元数据即数据摘要，区块链通过管理元数据从而管理链下的数据中心上的原始数据，能够保证数据安全性和完整性，且在进行大型数据的存储、查询、更新时交互速度快。

附图说明

图1为本发明的链上-链下协同交互框架的结构示意图。

图2为本发明的基于区块链链上-链下协同的数据交互方法中数据写入的流程图。

图3为本发明的基于区块链链上-链下协同的数据交互方法中数据查询的流程图。

图4为本发明的基于区块链链上-链下协同的数据交互方法中数据更新的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

实施例一

本发明的基于区块链链上-链下协同的数据交互方法，包括下述步骤：

步骤1：构建如图1所示的区块链链上-链下协同交互框架包括区块链、链下的数据中心、验证网络，所述验证网络包括验证节点集合S_VN＝{VN₁,VN₂,…,VN_p,…,VN_P}，VN_p为第p个验证节点，P为验证节点总数；

步骤2：当用户请求写入数据时，执行步骤3；当用户请求查询数据时，执行步骤4；当用户请求更新数据时，执行步骤5；

步骤3：如图2所示，进行链上-链下数据写入：

步骤3.1：当用户S_U＝{U₁,U₂,…,U_i,…,U_I}请求写入原始数据S_data＝{data₁,data₂,…,data_j,…,data_J}时，将原始数据S_data写入链下的数据中心，验证节点集合S_VN中的每个验证节点均通过哈希函数从原始数据S_data中提取数据摘要S_dig＝{dig₁,dig₂,…,dig_j,…,dig_J}，并使用用户U_i的签名sig_i对用户U_i的数据摘要进行签名；其中，dig_j为原始数据data_j的摘要，U_i为第i个用户，I为用户总数，sig_i∈S_sig，S_sig＝{sig₁,sig₂,……,sig_i,……,sig_I}；

步骤3.2：从最先完成数据摘要提取操作的验证节点中随机选取一个验证节点VN_m作为主节点，主节点VN_m广播第一消息，其他验证节点收到第一消息后停止数据摘要提取操作；

步骤3.3：主节点VN_m使用提取的数据摘要构建Merkle树，并将Merkle树打包成区块block，将区块block连接在区块链上，然后广播第二消息；

步骤3.4：其他验证节点收到第二消息后同步区块链状态；

步骤4：如图3所示，进行链上-链下数据查询：

步骤4.1：用户U_i请求查询数据，将签名sig_i发送给验证节点集合S_VN中的每个验证节点；

步骤4.2：验证节点集合S_VN中的每个验证节点均从区块链尾开始向区块链头查询区块链链上数据；

步骤4.3：每个验证节点查询到签名为sig_i的链上数据后均广播消息，当多于P/2的验证节点查询到相同的链上数据digest_on时，从查询到链上数据digest_on的验证节点中随机选取一个验证节点VN_m作为主节点，主节点VN_m广播第三消息，其他验证节点收到第三消息后停止数据查询操作；

步骤4.4：主节点VN_m从链下的数据中心查询用户U_i的原始数据，然后从原始数据中提取数据摘要digest_off；

步骤4.5：若digest_on与digest_off一致，主节点VN_m返回用户U_i的查询权限，用户U_i可以在链下的数据中心上查询数据；若digest_on与digest_off不一致，主节点VN_m通知用户U_i数据损坏；

步骤5：如图4所示，进行链上-链下数据更新：

步骤5.1：用户S_U＝{U₁,U₂,…,U_i,…,U_I}请求修改一部分数据为S_mdata＝{mdata₁,mdata₂,…,mdata_k,…,mdata_K}，在链下的数据中心上修改原始数据后，通知验证节点集合S_VN中的每个验证节点；

步骤5.2：验证节点集合S_VN中的每个验证节点均通过哈希函数从数据S_mdata中提取数据摘要S_mdig＝{mdig₁,mdig₂,…,mdig_k,…,mdig_K}，并使用用户U_i的签名sig_i对用户U_i的数据摘要进行签名；其中，mdig_k为数据mdata_k的摘要；

步骤5.3：从最先完成数据摘要提取操作的验证节点中随机选取一个验证节点VN_m作为主节点，主节点VN_m广播第四消息，其他验证节点收到第四消息后停止摘要提取操作；

步骤5.4：主节点VN_m使用提取的数据摘要构建Merkle树，并将Merkle树打包成区块block_modify，将区块block_modify连接在区块链上，然后广播第五消息；

步骤5.5：其他验证节点收到第五消息后同步区块链状态。

本实施例一中，验证网络中共有15个验证节点S_VN＝{VN₁,VN₂,…,VN_p,…,VN₁₅}。用户S_U＝{U₁,U₂,…,U_i,…,U₁₀}请求写入原始数据S_data＝{data₁,data₂,…,data_j,…,data₁₀₀₀₀}，将原始数据S_data写入链下的数据中心，验证节点集合S_VN中的每个验证节点均通过哈希函数从原始数据S_data中提取数据摘要S_dig＝{dig₁,dig₂,…,dig_j,…,dig₁₀₀₀₀}，并使用用户U_i的签名sig_i∈S_sig＝{sig₁,sig₂,……,sig_i,……,sig₁₀}对用户U_i的数据摘要进行签名。从最先完成数据摘要提取操作的验证节点{VN₁,VN₅,VN₇}中随机选取一个验证节点作为主节点，VN₅被选中，拥有区块的记录权，广播第一消息，其他验证节点收到第一消息后停止数据摘要提取操作。主节点VN₅使用提取的数据摘要构建Merkle树，并将Merkle树打包成区块block，将区块block连接在区块链上，然后广播第二消息。其他9个验证节点收到第二消息后同步区块链状态。

实施例二

本实施例二与上述实施例一的不同之处在于：

本实施例二中，用户U₁请求查询数据，将签名sig₁发送给验证节点集合S_VN中的每个验证节点。验证节点集合S_VN中的每个验证节点均从区块链尾开始向区块链头查询区块链链上数据。每个验证节点查询到签名为sig₁的链上数据后均广播消息，当多于15/2的验证节点查询到相同的链上数据digest_on时，从查询到链上数据digest_on的验证节点{…,VN₃,VN₄,VN₅,…}中随机选取一个验证节点作为主节点，VN₃被选中，主节点VN₃广播第三消息，其他验证节点收到第三消息后停止数据查询操作。主节点VN₃从链下的数据中心查询用户U₁的原始数据，然后从原始数据中提取数据摘要digest_off，并将digest_on与digest_off对比，digest_on与digest_off一致，主节点VN₃返回用户U₁的查询权限，用户U₁可以在链下的数据中心上查询数据。

实施例三

本实施例三与上述实施例一的不同之处在于：

本实施例三中，用户S_U＝{U₁,U₂,…,U_i,…,U₁₀}请求修改一部分数据为S_mdata＝{mdata₁,mdata₂,…,mdata_k,…,mdata₅₀₀₀}，在链下的数据中心上修改原始数据后，通知验证节点集合S_VN中的每个验证节点。验证节点集合S_VN中的每个验证节点均通过哈希函数从数据S_mdata中提取数据摘要S_mdig＝{mdig₁,mdig₂,…,mdig_k,…,mdig₅₀₀₀}，并使用用户U_i的签名sig_i∈S_sig＝{sig₁,sig₂,……,sig_i,……,sig₁₀}对用户U_i的数据摘要进行签名。从最先完成数据摘要提取操作的验证节点{VN₁,VN₅,VN₇}中随机选取一个验证节点作为主节点，VN₅被选中，拥有区块的记录权，广播第四消息，其他验证节点收到第四消息后停止数据摘要提取操作。主节点VN₅使用提取的数据摘要构建Merkle树，并将Merkle树打包成区块block_modify，将区块block_modify连接在区块链上，然后广播第五消息。其他9个验证节点收到第五消息后同步区块链状态。

可见，本发明构建了链上-链下协同交互框架，在链下的数据中心存储原始数据，在区块链上存储原始数据的元数据即数据摘要，区块链通过管理元数据从而管理链下的数据中心上的原始数据，能够保证数据安全性和完整性，且在进行大型数据的存储、查询、更新时交互速度快。

显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于区块链链上-链下协同的数据交互方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：构建区块链链上-链下协同交互框架包括区块链、链下的数据中心、验证网络，所述验证网络包括验证节点集合S_VN＝{VN₁,VN₂,…,VN_p,…,VN_P}，VN_p为第p个验证节点，P为验证节点总数；

步骤2：当用户请求写入数据时，执行步骤3；当用户请求查询数据时，执行步骤4；当用户请求更新数据时，执行步骤5；

步骤3：进行链上-链下数据写入：

步骤3.1：当用户S_U＝{U₁,U₂,…,U_i,…,U_I}请求写入原始数据S_data＝{data₁,data₂,…,data_j,…,data_J}时，将原始数据S_data写入链下的数据中心，验证节点集合S_VN中的每个验证节点均通过哈希函数从原始数据S_data中提取数据摘要S_dig＝{dig₁,dig₂,…,dig_j,…,dig_J}，并使用用户U_i的签名sig_i对用户U_i的数据摘要进行签名；其中，dig_j为原始数据data_j的摘要，U_i为第i个用户，I为用户总数，sig_i∈S_sig，S_sig＝{sig₁,sig₂,……,sig_i,……,sig_I}；

步骤3.2：从最先完成数据摘要提取操作的验证节点中随机选取一个验证节点VN_m作为主节点，主节点VN_m广播第一消息，其他验证节点收到第一消息后停止数据摘要提取操作；

步骤3.3：主节点VN_m使用提取的数据摘要构建Merkle树，并将Merkle树打包成区块block，将区块block连接在区块链上，然后广播第二消息；

步骤3.4：其他验证节点收到第二消息后同步区块链状态；

步骤4：进行链上-链下数据查询：

步骤4.1：用户U_i请求查询数据，将签名sig_i发送给验证节点集合S_VN中的每个验证节点；

步骤4.2：验证节点集合S_VN中的每个验证节点均从区块链尾开始向区块链头查询区块链链上数据；

步骤4.3：每个验证节点查询到签名为sig_i的链上数据后均广播消息，当多于P/2的验证节点查询到相同的链上数据digest_on时，从查询到链上数据digest_on的验证节点中随机选取一个验证节点VN_m作为主节点，主节点VN_m广播第三消息，其他验证节点收到第三消息后停止数据查询操作；

步骤4.4：主节点VN_m从链下的数据中心查询用户U_i的原始数据，然后从原始数据中提取数据摘要digest_off；

步骤4.5：若digest_on与digest_off一致，主节点VN_m返回用户U_i的查询权限，用户U_i可以在链下的数据中心上查询数据；若digest_on与digest_off不一致，主节点VN_m通知用户U_i数据损坏；

步骤5：进行链上-链下数据更新：

步骤5.1：用户S_U＝{U₁,U₂,…,U_i,…,U_I}请求修改一部分数据为S_mdata＝{mdata₁,mdata₂,…,mdata_k,…,mdata_K}，在链下的数据中心上修改原始数据后，通知验证节点集合S_VN中的每个验证节点；

步骤5.2：验证节点集合S_VN中的每个验证节点均通过哈希函数从数据S_mdata中提取数据摘要S_mdig＝{mdig₁,mdig₂,…,mdig_k,…,mdig_K}，并使用用户U_i的签名sig_i对用户U_i的数据摘要进行签名；其中，mdig_k为数据mdata_k的摘要；

步骤5.3：从最先完成数据摘要提取操作的验证节点中随机选取一个验证节点VN_m作为主节点，主节点VN_m广播第四消息，其他验证节点收到第四消息后停止摘要提取操作；

步骤5.4：主节点VN_m使用提取的数据摘要构建Merkle树，并将Merkle树打包成区块block_modify，将区块block_modify连接在区块链上，然后广播第五消息；

步骤5.5：其他验证节点收到第五消息后同步区块链状态。

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