CN111031100A - 一种扩展的区块链存储方法、系统及介质 - Google Patents

一种扩展的区块链存储方法、系统及介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种扩展的区块链存储方法、系统及介质，包括：数据存储步骤：使用多条区块链作为一个整体代替一条区块链，存储整个区块链系统的数据；数据位置计算步骤：计算数据所应保存的区块链编号和位置；数据传输步骤：通过计算得到的数据所应保存的区块链，将数据从计算得到的数据所应保存的区块链传输到数据读取和写入模块或者将数据从数据读取和写入模块传输到计算得到的数据所应保存的区块链；数据读取和写入模块：发起读取数据或者写入数据的操作。本发明提供的区块链系统的容量扩展方法，能够解决大部分区块链系统可扩展性差的问题，增强区块链技术在电子货币、金融、医疗等领域的应用。

Description

一种扩展的区块链存储方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，具体地，涉及一种扩展的区块链存储方法、系统及介质。
背景技术
区块链作为一种分布式数据库技术，随着2008年中本聪的论文《比特币：一个P2P电子现金系统》的发表及比特币的推出和发展，开始进入人们的视野。区块链技术是一种公开透明的、去中心化的分布式数据库技术。区块链信息由区块链系统中所有节点共享，信息的写入通过节点间的共识机制完成，从而实现公开透明，并受全体节点监督。
区块链由一串通过哈希指针链接在一起的数据区块组成，本质上是对等网路中构建的分布式账本。区块是区块链的数据单元，区块中保存了上一个区块的哈希值，该值是通过哈希算法处理上一个区块的数据得到的，从而保证了链中各区块信息不可篡改。区块链技术最核心的优势在于其基于点对点网络分布式存储账本数据，通过全网节点参与的共识机制运行，并且应用密码学技术保证数据不可篡改，从而构建出公平、公开、公正的全新信用机制。这使得其在金融领域和非金融领域均有广泛应用，包括银行票据管理、电子支付、投票、溯源管理、版权、司法认证等。
传统区块链系统由大量的存储组成，每个节点都保存完整的的区块链数据副本。当新节点加入区块链系统时，该节点会从系统中的其他节点复制区块链数据保存到本地，然后参与到整个系统的运行。也就是说，加入新的节点只是增加了一份区块链数据副本，提高了系统整体的可靠性，但是并没有提升系统的存储容量。另一方面，区块链保存的一般是交易记录、账户信息、账本之类的重要信息，这些信息需要永久保存且不能删除，因此区块链的数据规模会越来越大，即每个节点上需要保存的数据量也越来越大。由于区块链是分布式系统，每个节点的存储能力参差不齐，随着区块链数据规模的扩大，一定会出现有的节点因为难以承受这么大的数据量而退出该区块链系统，从而造成整个系统的崩溃。如果要扩大区块链系统的存储容量，只能提高每个节点的存储容量，这在节点数量较多的情况下是难以实现的。这就造成了数据规模不断扩大和数据容量难以扩展的矛盾。如果不能解决数据容量可扩展性的问题，区块链系统的实用性将始终受到怀疑。
专利文献CN109544334A(申请号：201811231480.7)公开了一种网络可扩展性区块链实现方法，所述实现方法包括：分片和领导选举、基于分片领导的共识同步、信誉评价机制和全局同步算法。本发明实施例提出并行链的结构，将交易和共识分离为两条链，以提高区块链网络的可扩展性；共识部分在信誉链进行，信誉链网络关注安全性，以适当的速度支撑交易链网络的高速交易。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种扩展的区块链存储方法、系统及介质。
根据本发明提供的一种扩展的区块链存储方法，包括：
数据存储步骤：使用多条区块链作为一个整体代替一条区块链，存储整个区块链系统的数据；
数据位置计算步骤：通过数据哈希值或名称计算数据所应保存的区块链编号和位置；
数据传输步骤：通过计算得到的数据所应保存的区块链，将数据从计算得到的数据所应保存的区块链传输到数据读取和写入模块或者将数据从数据读取和写入模块传输到计算得到的数据所应保存的区块链；
数据读取和写入模块：发起读取数据或者写入数据的操作。
优选地，所述区块链作为区块数据保存和读取的基础，区块链包括：数据层、网络层、共识层、合约层和应用层；
所述数据层描述数据的存储形态，包括对数据的封装、存储和读取；
所述网络层实现区块链内部节点之间的信息交流，以及与客户端之间的信息交换；
所述共识层让区块链的节点达成共识，维护数据的一致性；
所述合约层包括脚本代码、算法机制以及智能合约；
所述应用层包括与客户端交互的操作接口，应用层接口包括写入接口和读取接口。
优选地，所述数据位置计算步骤包括：通过数据哈希值或名称计算数据所应保存的区块链编号和位置；
所述计算方法包括哈希算法或一致性哈希算法。
优选地，所述数据传输步骤包括：
当发起写入数据的操作时，区域链从数据读取和写入模块接收要写入的数据，通过数据的哈希值进行位置计算，得到写入数据的哈希值和应该保存的区块链，然后将写入数据传输给区块链；
当发起读取数据的操作时，区域链从数据读取和写入模块接收要读取的数据的名称或者哈希值，经过位置计算，得到读取的数据已经被保存在区块链的位置，然后将区块链读取数据传输给数据读取和写入模块。
本发明提供的一种扩展的区块链存储系统，包括：
数据存储模块：使用多条区块链作为一个整体代替一条区块链，存储整个区块链系统的数据；
数据位置计算模块：通过数据哈希值或名称计算数据所应保存的区块链编号和位置；
数据传输模块：通过计算得到的数据所应保存的区块链，将数据从计算得到的数据所应保存的区块链传输到数据读取和写入模块或者将数据从数据读取和写入模块传输到计算得到的数据所应保存的区块链；
数据读取和写入模块：发起读取数据或者写入数据的操作。
优选地，所述区块链作为区块数据保存和读取的基础，区块链包括：数据层、网络层、共识层、合约层和应用层；
所述数据层描述数据的存储形态，包括对数据的封装、存储和读取；
所述网络层实现区块链内部节点之间的信息交流，以及与客户端之间的信息交换；
所述共识层让区块链的节点达成共识，维护数据的一致性；
所述合约层包括脚本代码、算法机制以及智能合约；
所述应用层包括与客户端交互的操作接口，应用层接口包括写入接口和读取接口。
优选地，所述数据位置计算模块包括：通过数据哈希值或名称计算数据所应保存的区块链编号和位置；
所述计算方法包括哈希算法或一致性哈希算法。
优选地，所述数据传输模块包括：
当发起写入数据的操作时，区域链从数据读取和写入模块接收要写入的数据，通过数据的哈希值进行位置计算，得到写入数据的哈希值和应该保存的区块链，然后将写入数据传输给区块链；
当发起读取数据的操作时，区域链从数据读取和写入模块接收要读取的数据的名称或者哈希值，经过位置计算，得到读取的数据已经被保存在区块链的位置，然后将区块链读取数据传输给数据读取和写入模块。
本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、解决了传统区块链系统存储容量可扩展性差的问题，大大提高了区块链系统的存储容量上限，从理论上来说，本发明可以构建数据容量无上限的区块链系统；
2、减少了区块链系统中每个节点的存储压力，降低了区块链系统中节点的配置要求，使得更多低配置的服务器或者计算机能够加入区块链系统，降低整体系统搭建的成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的架构示意图
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的目的在于克服传统区块链系统存储容量难以扩展的问题，突破传统思路，将传统的区块链系统只维护一条区块链的设计改进为维护多条区块链，从而有效减少每一条区块链的存储压力，扩大系统整体的容量，并且可以通过向系统中添加新的区块链的方式来扩展整个区块链系统的容量，进而实现数据容量无上限的区块链系统构建方法。
根据本发明提供的一种扩展的区块链存储方法，包括：
数据存储步骤：使用多条区块链作为一个整体代替一条区块链，存储整个区块链系统的数据；
将数据分散存储到多条区块链上，减少每条区块链需要保存的数据量，从而减轻了每个节点需要保存的数据量，提高区块链系统整体的存储容量；
具体地，所述区块链作为区块数据保存和读取的基础，区块链本身的功能与传统区块链相同，区块链包括：数据层、网络层、共识层、合约层和应用层；
所述数据层描述数据的存储形态，包括对数据的封装、存储和读取；
所述网络层的主要功能实现区块链内部节点之间的信息交流，以及与客户端之间的信息交换；
所述共识层让区块链的节点达成共识，维护数据的一致性；
所述合约层包括各种脚本代码、算法机制以及智能合约；
所述应用层包括与客户端交互的操作接口，本发明中，数据层、网络层和共识层无需单独设计，只需用区块链本身的功能即可；合约层的功能是配合应用层实现数据写入功能；应用层接口包括写入接口和读取接口。写入接口的功能是接收客户端传过来的数据，并将数据写入区块链中；读取接口则是接收客户端的查询请求，在区块链上查询相应的数据，并传输回客户端；
合约层：区块链每个区块可编程、可嵌入代码的特性，合约层包含了脚本、算法、以及智能合约，可以简单的理解为是一份自定义的电子合同，之所以称为智能合约，是因为这份合约可以在达到约束条件自动触发执行，不需人工干预，也可以在不满足条件时自动解约，理论上可以触发执行事先约定好的一切条款。这也是区块链能够解放信用体系最核心的技术之一。以往的区块链是没有这一层的。所以最初的区块链只能进行交易，而无法用于其他的领域或是进行其他的逻辑处理。但是合约层的出现，使得在其他领域使用区块链成为了现实，比如用于IOT。以太坊中这部分包括了EVM(以太坊虚拟机)和智能合约两部分。
合约层在本专利中的具体作用是规定具体的读写规则，也就是说，数据的写入和读取的的实现逻辑、编程都是在合约层通过编写智能合约实现的。合约层作为应用层和共识层的中间层，当写入数据时，应用层接收数据，并把数据传给合约层；合约层经过一系列的逻辑处理，按照一定的规则将数据写入，并通知共识层；共识层则让区块链的节点达成共识，共同保存这一个数据，维护数据的一致性。
数据位置计算步骤：用于定位数据所在的区块链，通过数据哈希值或名称计算数据所应保存的区块链编号和位置；
具体地，所述数据位置计算步骤包括：通过一种特定的算法计算数据所应保存的区块链编号和位置；
所述算法计算包括哈希算法或一致性哈希算法。
(1)给每条区块链分配一个哈希值，并将这个哈希值映射到0～(2^32)-1的数字空间中。具体的映射方法可以是取余法，即将哈希值对2^32取余，得到的余数就是该哈希值在这个数字空间中的位置。将这个数字空间头尾相连，想象成一个闭合的环形，则每条区块链对应的哈希值在圆上都有唯一一个位置，这个位置(即0～(2^32)-1的数字空间中的某一个数字)就是这条区块链所对应的地址；
(2)当有数据写入时，使用某个特定的哈希算法(比如MD5)计算出该数据的哈希值，然后将哈希值映射到相同的圆上。然后从数据映射到的位置开始顺时针查找，将数据保存到找到的第一条区块链上。如果超过2^32仍然找不到区块链，就会保存到地址最小的区块链上；
(3)当需要读取数据时，用户输入数据对应的哈希值，然后通过相同的方法将哈希值映射到圆上。从数据映射到的位置开始顺时针查找，找到的第一条区块链就是数据保存的位置。
数据传输步骤：通过计算得到的数据所应保存的区块链，将数据从计算得到的数据所应保存的区块链传输到数据读取和写入模块或者将数据从数据读取和写入模块传输到计算得到的数据所应保存的区块链；
数据读取和写入模块：根据用户的需求，发起读取数据或者写入数据的操作。读取数据操作是从数据存储模块取出特定的数据，写入数据操作是将数据传输到数据存储模块保存。
具体地，所述数据传输步骤包括：
当发起写入数据的操作时，区域链从数据读取和写入模块接收要写入的数据，通过数据的哈希值进行位置计算，得到写入数据的哈希值和应该保存的区块链，然后将写入数据传输给区块链；
当发起读取数据的操作时，区域链从数据读取和写入模块接收要读取的数据的名称或者哈希值，经过位置计算，得到读取的数据已经被保存在区块链的位置，然后将区块链读取数据传输给数据读取和写入模块。
数据读取和写入模块：包括写入模块和读取模块。其中，写入模块用于发起写入操作，将待写入数据传给数据位置计算和传输模块；读取模块用于发起读取操作，同样也将待读取数据的名称或者哈希值传给数据位置计算和传输模块，并接收传回来的数据。
根据本发明提供的一种扩展的区块链存储系统，包括：
数据存储模块：使用多条区块链作为一个整体代替一条区块链，存储整个区块链系统的数据；
将数据分散存储到多条区块链上，减少每条区块链需要保存的数据量，从而减轻了每个节点需要保存的数据量，提高区块链系统整体的存储容量；
具体地，所述区块链作为区块数据保存和读取的基础，区块链本身的功能与传统区块链相同，区块链包括：数据层、网络层、共识层、合约层和应用层；
所述数据层描述数据的存储形态，包括对数据的封装、存储和读取；
所述网络层的主要功能实现区块链内部节点之间的信息交流，以及与客户端之间的信息交换；
所述共识层让区块链的节点达成共识，维护数据的一致性；
所述合约层包括各种脚本代码、算法机制以及智能合约；
所述应用层包括与客户端交互的操作接口，本发明中，数据层、网络层和共识层无需单独设计，只需用区块链本身的功能即可；合约层的功能是配合应用层实现数据写入功能；应用层接口包括写入接口和读取接口。写入接口的功能是接收客户端传过来的数据，并将数据写入区块链中；读取接口则是接收客户端的查询请求，在区块链上查询相应的数据，并传输回客户端；
合约层：区块链每个区块可编程、可嵌入代码的特性，合约层包含了脚本、算法、以及智能合约，可以简单的理解为是一份自定义的电子合同，之所以称为智能合约，是因为这份合约可以在达到约束条件自动触发执行，不需人工干预，也可以在不满足条件时自动解约，理论上可以触发执行事先约定好的一切条款。这也是区块链能够解放信用体系最核心的技术之一。以往的区块链是没有这一层的。所以最初的区块链只能进行交易，而无法用于其他的领域或是进行其他的逻辑处理。但是合约层的出现，使得在其他领域使用区块链成为了现实，比如用于IOT。以太坊中这部分包括了EVM(以太坊虚拟机)和智能合约两部分。
合约层在本专利中的具体作用是规定具体的读写规则，也就是说，数据的写入和读取的的实现逻辑、编程都是在合约层通过编写智能合约实现的。合约层作为应用层和共识层的中间层，当写入数据时，应用层接收数据，并把数据传给合约层；合约层经过一系列的逻辑处理，按照一定的规则将数据写入，并通知共识层；共识层则让区块链的节点达成共识，共同保存这一个数据，维护数据的一致性。
数据位置计算模块：用于定位数据所在的区块链，通过数据哈希值或名称计算数据所应保存的区块链编号和位置；
具体地，所述数据位置计算模块包括：通过一种特定的算法计算数据所应保存的区块链编号和位置；
所述算法计算包括哈希算法或一致性哈希算法。
(1)给每条区块链分配一个哈希值，并将这个哈希值映射到0～(2^32)-1的数字空间中。具体的映射方法可以是取余法，即将哈希值对2^32取余，得到的余数就是该哈希值在这个数字空间中的位置。将这个数字空间头尾相连，想象成一个闭合的环形，则每条区块链对应的哈希值在圆上都有唯一一个位置，这个位置(即0～(2^32)-1的数字空间中的某一个数字)就是这条区块链所对应的地址；
(2)当有数据写入时，使用某个特定的哈希算法(比如MD5)计算出该数据的哈希值，然后将哈希值映射到相同的圆上。然后从数据映射到的位置开始顺时针查找，将数据保存到找到的第一条区块链上。如果超过2^32仍然找不到区块链，就会保存到地址最小的区块链上；
(3)当需要读取数据时，用户输入数据对应的哈希值，然后通过相同的方法将哈希值映射到圆上。从数据映射到的位置开始顺时针查找，找到的第一条区块链就是数据保存的位置。
数据传输模块：通过计算得到的数据所应保存的区块链，将数据从计算得到的数据所应保存的区块链传输到数据读取和写入模块或者将数据从数据读取和写入模块传输到计算得到的数据所应保存的区块链；
数据读取和写入模块：根据用户的需求，发起读取数据或者写入数据的操作。读取数据操作是从数据存储模块取出特定的数据，写入数据操作是将数据传输到数据存储模块保存。
具体地，所述数据传输模块包括：
当发起写入数据的操作时，区域链从数据读取和写入模块接收要写入的数据，通过数据的哈希值进行位置计算，得到写入数据的哈希值和应该保存的区块链，然后将写入数据传输给区块链；
当发起读取数据的操作时，区域链从数据读取和写入模块接收要读取的数据的名称或者哈希值，经过位置计算，得到读取的数据已经被保存在区块链的位置，然后将区块链读取数据传输给数据读取和写入模块。
数据读取和写入模块：包括写入模块和读取模块。其中，写入模块用于发起写入操作，将待写入数据传给数据位置计算和传输模块；读取模块用于发起读取操作，同样也将待读取数据的名称或者哈希值传给数据位置计算和传输模块，并接收传回来的数据。
本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。
在本实施例的技术方案的基础上，实现了相应的系统原型来进行验证，并通过实验进行了测试和评估。实验证明，本实施例提出的区块链系统的容量扩展方法能够在保证区块链系统正常使用的前提下扩大系统容量，减少每条区块链和每个节点的存储压力，构建一个可扩展的区块链存储系统。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种扩展的区块链存储方法，其特征在于，包括：
数据存储步骤：使用多条区块链作为一个整体代替一条区块链，存储整个区块链系统的数据；
数据位置计算步骤：通过数据哈希值或名称计算数据所应保存的区块链编号和位置；
数据传输步骤：通过计算得到的数据所应保存的区块链，将数据从计算得到的数据所应保存的区块链传输到数据读取和写入模块或者将数据从数据读取和写入模块传输到计算得到的数据所应保存的区块链；
数据读取和写入模块：发起读取数据或者写入数据的操作。
2.根据权利要求1所述的一种扩展的区块链存储方法，其特征在于，所述区块链作为区块数据保存和读取的基础，区块链包括：数据层、网络层、共识层、合约层和应用层；
所述数据层描述数据的存储形态，包括对数据的封装、存储和读取；
所述网络层实现区块链内部节点之间的信息交流，以及与客户端之间的信息交换；
所述共识层让区块链的节点达成共识，维护数据的一致性；
所述合约层包括脚本代码、算法机制以及智能合约，配合应用层实现数据写入功能；
所述应用层包括与客户端交互的操作接口，应用层接口包括写入接口和读取接口。
3.根据权利要求1所述的一种扩展的区块链存储方法，其特征在于，所述数据位置计算步骤包括：通过数据哈希值或名称计算数据所应保存的区块链编号和位置；
所述计算方式包括哈希算法或一致性哈希算法。
4.根据权利要求1所述的一种扩展的区块链存储方法，其特征在于，所述数据传输步骤包括：
当发起写入数据的操作时，区域链从数据读取和写入模块接收要写入的数据，通过数据的哈希值进行位置计算，得到写入数据的哈希值和应该保存的区块链，然后将写入数据传输给区块链；
当发起读取数据的操作时，区域链从数据读取和写入模块接收要读取的数据的名称或者哈希值，经过位置计算，得到读取的数据已经被保存在区块链的位置，然后将区块链读取数据传输给数据读取和写入模块。
5.一种扩展的区块链存储系统，其特征在于，包括：
数据存储模块：使用多条区块链作为一个整体代替一条区块链，存储整个区块链系统的数据；
数据位置计算模块：通过数据哈希值或名称计算数据所应保存的区块链编号和位置；
数据传输模块：通过计算得到的数据所应保存的区块链，将数据从计算得到的数据所应保存的区块链传输到数据读取和写入模块或者将数据从数据读取和写入模块传输到计算得到的数据所应保存的区块链；
数据读取和写入模块：发起读取数据或者写入数据的操作。
6.根据权利要求5所述的一种扩展的区块链存储系统，其特征在于，所述区块链作为区块数据保存和读取的基础，区块链包括：数据层、网络层、共识层、合约层和应用层；
所述数据层描述数据的存储形态，包括对数据的封装、存储和读取；
所述网络层实现区块链内部节点之间的信息交流，以及与客户端之间的信息交换；
所述共识层让区块链的节点达成共识，维护数据的一致性；
所述合约层包括脚本代码、算法机制以及智能合约；
所述应用层包括与客户端交互的操作接口，应用层接口包括写入接口和读取接口。
7.根据权利要求5所述的一种扩展的区块链存储系统，其特征在于，所述数据位置计算模块包括：通过数据哈希值或名称计算数据所应保存的区块链编号和位置；
所述计算方法包括哈希算法或一致性哈希算法。
8.根据权利要求5所述的一种扩展的区块链存储系统，其特征在于，所述数据传输模块包括：
当发起写入数据的操作时，区域链从数据读取和写入模块接收要写入的数据，通过数据的哈希值进行位置计算，得到写入数据的哈希值和应该保存的区块链，然后将写入数据传输给区块链；
当发起读取数据的操作时，区域链从数据读取和写入模块接收要读取的数据的名称或者哈希值，经过位置计算，得到读取的数据已经被保存在区块链的位置，然后将区块链读取数据传输给数据读取和写入模块。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
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