CN111179071A - 一种基于拓扑排序的区块链交易依赖分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于拓扑排序的区块链交易依赖分析方法，其主要特征包括以下步骤:（1）对待处理的每个交易，循环步骤（2）到步骤（5）的操作。（2）计算交易哈希泳道号wn。（3）交易依赖冲突检测。无冲突则为交易分配依赖分析泳道号dn，进入下一步。否则交易退回交易池。（4）交易泳道号冲突检测。如果wn==dn，为交易分配最终泳道号wn，进入下一步。否则交易退回交易池。（5）交易进入分配的泳道分析集合，创建或更新DAG。（6）根据各泳道内的DAG进行拓扑排序，入度为0的交易根据时间戳确定在该泳道内的唯一执行顺序。本发明涉及区块链技术领域，通过分析存在依赖关系的交易，使交易能够在多个泳道上并行执行，提高区块链系统的交易速度。
Description
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及到使有依赖的交易能够在区块链系统中能够并行的环境中，通过分析存在依赖关系的交易，尽可能高效的使交易能够并行执行在多个泳道上，从而提高区块链系统的交易速度。
背景技术
在区块链系统中，各个节点分别接收并保存来自客户端或者其他节点发送过来的交易。因为网络或者其他原因的存在，使得各个节点接收到的交易集合中所包含的交易也并不都是相同的。
其次，在某些应用场景下，交易之间可能存在依赖关系。比如节点扫描到的一批交易中存在若干些交易存在依赖关系，定义：A-->B表示 B交易依赖于A交易，那么在这一批交易中A必须先于B交易执行，否则B交易则无法执行的情况，同时也可能存在多方依赖，例如存在A-->B、C-->B、D-->B,在B同时依赖于A、C、D交易的情况下而A、C、D交易之间并没有依赖关系，此时需要保证B交易后于A、C、D交易执行，分析交易依赖关系对于交易在区块链系统中的能够以合理的顺序执行成功是有着很大的影响的。
再次，目前市场中的区块链系统中多为串行执行交易的系统，各节点串行执行交易，影响系统交易速度甚至成为系统的性能瓶颈。
这样就出现了本发明通过分析交易之间的依赖关系，把有依赖的交易按照依赖顺序和有依赖冲突的交易返回交易池等待下一轮交易扫描分析等操作，尽可能的让交易能够在不同的泳道上并行执行从而提高系统性能的方法。
发明内容
本发明是一种基于拓扑排序的区块链交易依赖分析的方法，可以在交易有依赖关系的场景下通过有效分析交易之间的依赖关系，让无依赖关系的交易在不同的泳道上并行处理，有依赖关系但无冲突的交易在同一泳道上按照特定的顺序串行执行，从而提供系统交易速度。
本发明的交易依赖分析方法包括以下十步：
（1）区块链系统接收到的交易数据将分配到多个并行共识流程中进行处理，并行处理流程称为泳道；
（2）区块链系统从交易池获取一批交易，对其中的每个交易，循环执行步骤（3）到步骤（8）的操作；
（3）获取一个交易，根据交易数据特征值计算该交易的哈希泳道号widthNo；
（4）根据交易数据特征进行交易依赖检测。检测是否发生交易依赖冲突，如果没有发生依赖冲突，记录该交易被分配的依赖分析泳道号dependNo，然后进入步骤(5)，否则直接进入步骤(6)；
（5）根据(4)获得交易依赖分析泳道号dependNo，检测泳道号冲突，如dependNo==widthNo，进入步骤（6），否则进入步骤(7)；
（6）交易没有发生冲突，交易将被分配泳道号widthNo；
（7）交易发生了泳道号冲突。交易将被退回交易池，等待下一轮依赖分析；
（8）交易进入分配的泳道分析集合，创建或更新有向无环图(DAG)；
（9）当获取的一批交易分析完毕后，根据各泳道中交易构成的有向无环图(DAG)，进行拓扑排序，结合时间戳，确定各个交易在该泳道内的唯一执行顺序；
（10）成功分发的交易进入各自对应的泳道，根据步骤（9）确定的执行顺序进行执行。
本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及到使有依赖的交易能够在区块链系统中能够并行的环境中，通过分析存在依赖关系的交易，尽可能高效的使交易能够并行执行在多个泳道上，从而提高区块链系统的交易速度。
进一步地，所述步骤（3）具体为：
步骤3.1 从待分析的集合中取一个待分析的交易，如果没有取到则停止分析；
步骤3.2 计算该交易的哈希泳道号，计算公式为:
widthNo=hash(交易特征值)%N。其中N表示为区块链系统内的泳道数。
进一步地，所述步骤（4）具体为：
步骤4.1 依次在各个泳道中查询由交易构建的有向无环图，如果存在
交易依赖于M个交易（M>=2），并且已经有超过两个依赖的交易已经被分配到由不同泳道分析集合构建的有向无环图（DAG）中，则判定为交易依赖冲突；
步骤4.2 如果交易不满足交易依赖冲突，则为该交易分配依赖分析泳道号depenNo。否则判定交易为依赖分析冲突。
进一步地，所述步骤（5）具体为：
步骤5.1 交易没有检测到依赖冲突，根据分配得到的依赖分析泳道号dependNo，开始检测泳道号冲突；
步骤5.2 检测泳道号冲突，冲突的标准是该交易的 dependNo ！=widthNo。
进一步地，所述步骤（6）具体为：
步骤6.1 检测到交易的widthNo==dependNO,没有发生交易依赖冲突。为该交易分配最终的泳道号widthNo。
进一步地，所述步骤（7）具体为：
步骤7.1 检测到交易的widthNo！=dependNo，该交易被检测到依赖分析冲突，交易江被退回交易池，等待下一轮分析。
进一步地，所述步骤（8）具体为：
步骤8.1 交易根据获取到的dependNo，进入对应的泳道分析集合中；
步骤8.2 交易进入泳道分析集合中，根据步骤8.3的规则创建或者更新有向无环图(DAG)；
步骤8.3 如果图中有依赖方交易，则把交易插入到对应的位置完成更新图，如果没有，则该交易在图上的表示则为创建一个入度和出度均为0的顶点。
进一步地，所述步骤（9）具体为：
步骤9.1 在该轮从交易池获取的所有交易依赖分析完成后，获取所有泳道分析集合中的构建的有向无环图，根据拓扑排序的规则，依次取出并记录图中入边为0的点，然后删除该节点以及该节点的出边，对于拓扑排序中可能存在的多个交易同时入度为0的交易，根据时间戳升序来选择交易，最终得到一个唯一的交易顶点序列；
步骤9.2 根据步骤9.1得到的交易顶点序列，设置该序列为交易在对应泳道内的执行顺序。
本发明的优点
在由多个节点构成的区块链系统中，各个节点有相同数量的泳道，同一节点上的各个泳道执行并行执行交易，不同节点上的相同泳道之间进行共识。本发明提出的哈希泳道号可以解决同一个交易在不同的共识节点上进入到相同的泳道号，然后不同节点的同一泳道号对该交易进行共识。
其次，成功通过交易依赖分析方法得到的交易，要么和当前轮扫描进的所有其他交易没有依赖关系，要么存在依赖关系但没有依赖冲突，这些交易被分配到了不同的泳道上通过构造有向无环图，再进一步根据拓扑排序决定了交易在该泳道内的先后执行顺序。通过结合交易依赖分析和有向无环图已经拓扑排序，可以让交易按照一定的顺序在泳道上并行执行。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例，
附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分，本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的，本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
图1为交易从获取、依赖分析、得到分析结果的流程示意图，图2为两个泳道的情况下、共11个示例交易进行了依赖分析之后各泳道分析集合得到了依赖分析结果。
具体实施案例
为了有效展示交易在不同泳道上的并行执行，系统的泳道数最少为1（此时是串行执行效果），本案例假设使用的泳道数为2个，分别为0号泳道、1号泳道，各泳道分别维护一个泳道分析集合。该集合是一个由交易构成的图。该案例构成的效果将是两个泳道并行执行交易依赖分析成功之后的交易。
下面针对交易依赖分析方法实例进行描述，整个分析过程的示意图如图1所示：
1）从交易池中获取一批交易，获取的交易是按照时间戳升序有序排列的。
2）按照时间戳升序，依次获取一个交易，哈希计算该交易的特征值，得到交易的哈希泳道号widthNo。
3）交易进入依赖分析程序，详细步骤如下：
步骤3-1：交易分析依赖算法描述如下：
分析冲突算法部分如下：
搜索存在于所有泳道分析集合中的各个有向无环图，检查是否存在该交易，如果一个交易的依赖方存在于不同的泳道分析集合中，该交易则退回交易池，否则在有向无环图中根据依赖关系插入该交易。
步骤3-2：决定各交易在泳道执行顺序的算法如下：
依次搜索所有泳道分析集合，循环从每个集合中依次取出入度为0的节点并记录，删除该节点以及该节点的出边，直到图中的所有节点被删除完，记录下的节点删除顺序即为该泳道分析集合中的交易在该泳道内的执行顺序。
步骤3-3：交易依赖分析的有向无环图示意图如图2所示；
步骤3-3-1：说明：本案例假设使用按时间戳升序排列进入依赖分析程序的交易，包括A、B、C、D、E、F、G、H、K、M、N共11个交易，其中，这些交易的依赖关系如下：
A(无依赖)、B(A-->B)、C(A-->C、B-->C)、D(C-->D)、E(无依赖)、F(E-->F)、G(F-->G)、H(B-->H、G-->H)、K(D-->K、G-->K)、M(无依赖)、N（无依赖）。其中A、B、C等均表示为交易，符号--->表示依赖关系，例:A-->B：表示B代表的交易依赖于A代表的交易，B-->H、G-->H：表示H同时依赖于B和G两个交易。
步骤3-3-2：依次取出A、B、C、D、E、F、G、H、K、M、N这11个交易，
1、取出交易A。假设的是A交易的widthNo=0、交易A没有依赖关系，A直接进入0号泳道分析集合创建有向无环图。
2、B、C、D交易依次进入，发生存在依赖关系。然后给交易分配依赖分析泳道号dependNo=0，在假设没有发生泳道号冲突的情况下（交易的widthNo=交易的依赖分析泳道号depenNo）B、C、D被送入0号泳道分析集合并插入有向无环图。
3、取出交易E。假设的是E交易的widthNo=1、交易E没有依赖关系，E直接进入1号泳道分析集合创建有向无环图。
4、F、G交易依次进入，发生存在依赖关系。然后给交易分配依赖分析泳道号dependNo=1，在假设没有发生泳道号冲突的情况下（交易的widthNo=交易的依赖分析泳道号depenNo）F、G被送入1号泳道分析集合并插入有向无环图。
5、H、K交易依次进入，H同时依赖于两个交易B、G,但B、G分别存在于0号、1号泳道分析集合中。K同时依赖于两个交易D、G,但D、G分别存在于0号、1号泳道分析集合中。H、K满足交易分析依赖冲突条件，交易退回交易池。在图2的示意图中用虚线标出了H、K交易。
6、M、N交易依次进入，均没有依赖关系。M、N直接进入对应的泳道分析集合，然后更新对应的有向无环图。
步骤3-4：在决定各交易在泳道执行顺序过程中，对0号和1号泳道分析集合所构成的有向无环图中的交易节点依次取出并删除入度为0的交易，并删除该交易的出边。得到0号泳道的交易执行顺序为A、M、B、C、D，1号泳道的交易执行顺序为E、N、F、G。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种基于拓扑排序的区块链交易依赖分析方法，其主要特征包括以下步骤：
（1）区块链系统接收到的交易数据将分配到多个并行共识流程中进行处理，并行处理流程称为泳道；
（2）区块链系统从交易池获取一批交易，对其中的每个交易，循环执行步骤（3）到步骤（8）的操作；
（3）获取一个交易，根据交易数据特征值计算该交易的哈希泳道号widthNo；
（4）根据交易数据特征进行交易依赖检测，检测是否发生交易依赖冲突，如果没有发生依赖冲突，记录该交易被分配的依赖分析泳道号dependNo，然后进入步骤(5)，否则直接进入步骤(6)；
（5）根据(4)获得交易依赖分析泳道号dependNo，检测泳道号冲突，如dependNo==widthNo，进入步骤（6），否则进入步骤(7)；
（6）交易没有发生冲突，交易将被分配泳道号widthNo；
（7）交易发生了泳道号冲突，交易将被退回交易池，等待下一轮依赖分析；
（8）交易进入分配的泳道分析集合，创建或更新有向无环图(DAG)；
（9）当获取的一批交易分析完毕后，根据各泳道中交易构成的有向无环图(DAG)，进行拓扑排序，对于拓扑排序中的同时有多个交易入度为0的情况，结合交易时间戳，确定各个交易在该泳道内的执行顺序的唯一性；
（10）成功分发的交易进入各自对应的泳道，根据步骤（9）确定的执行顺序进行执行。
2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑排序的区块链交易依赖分析方法，其特征在于，所述步骤（3）具体为：
步骤3.1 从待分析的集合中取一个待分析的交易，如果没有取到则停止分析；
步骤3.2 计算该交易的哈希泳道号，计算公式为:
widthNo=hash(交易特征值)%N，其中N表示为区块链系统内的泳道数。
3.根据权利要求1所述的一种基于拓扑排序的区块链交易依赖分析方法，其特征在于，所述步骤（4）具体为：
步骤4.1 依次在各个泳道中查询由交易构建的有向无环图，如果存在：
交易依赖于M个交易（M>=2），并且已经有超过两个依赖的交易已经被分配到由不同泳道分析集合构建的有向无环图（DAG）中，则判定为交易依赖冲突；
步骤4.2 如果交易不满足交易依赖冲突，则为该交易分配依赖分析泳道号dependNo，
否则判定交易为依赖分析冲突。
4.根据权利要求1所述的一种基于拓扑排序的区块链交易依赖分析方法，其特征在于，所述步骤（5）具体为：
步骤5.1 交易没有检测到依赖冲突，根据分配得到的依赖分析泳道号dependNo，开始检测泳道号冲突；
步骤5.2 检测泳道号冲突，泳道号冲突的标准是该交易的 dependNo ！=widthNo。
5.根据权利要求1所述的一种基于拓扑排序的区块链交易依赖分析方法，其特征在于，所述步骤（6）具体为：
步骤6.1 检测到交易的widthNo==dependNo,没有发生泳道号冲突，为该交易分配最终的泳道号widthNo。
6.根据权利要求1所述的一种基于拓扑排序的区块链交易依赖分析方法，其特征在于，所述步骤（7）具体为：
步骤7.1 检测到交易的widthNo！=dependNo，该交易被检测到泳道号冲突，交易江被退回交易池，等待下一轮分析。
7.根据权利要求1所述的一种基于拓扑排序的区块链交易依赖分析方法，其特征在于：所述步骤（8）具体为：
步骤8.1 交易根据获取到的dependNo，进入对应的泳道分析集合中；
步骤8.2 交易进入泳道分析集合中，根据步骤8.3的规则创建或者更新有向无环图(DAG)；
步骤8.3 如果交易在对应的由泳道分析集合所构成的有向无环图中有依赖方交易，则把交易插入到图中对应的位置以完成图的更新，如果没有，则该交易在图上的表示则为创建一个入度和出度均为0的孤立顶点。
8.根据权利要求1所述的一种基于拓扑排序的区块链交易依赖分析方法，其特征在于：所述步骤（9）具体为：
步骤9.1 在该轮从交易池获取的所有交易依赖分析完成后，获取所有泳道分析集合中构建的有向无环图，根据拓扑排序的规则，依次取出并记录图中入度为0的交易，然后删除该节点和该节点的所有出边，直到图为空。
9.对于拓扑排序结果不唯一的情况，结合交易时间戳，使对于拓扑排序中同时出现多个入度为0的交易按照时间戳升序规则来执行，最终得到一个唯一的交易顶点集合序列；
步骤9.2 根据步骤9.1得到的唯一交易顶点集合序列，设置该序列为交易在对应泳道内的执行顺序。
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