CN111222984B - 一种用于区块链分布式交易同步处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于区块链分布式交易同步处理方法，获取完成共识的节点名单并统计出最大公约数的协议版本，计算参与第二共识节点的交易范围并发送，检查共识状态、交易的适用范围以及拜占庭一致问题，当节点接收到交易后核对交易范围和出块时间，将交易处理的结果置入新区块，待到节点的区块时间将结果对外进行公布，完成交易的并行处理，本发明还提供一种用于区块链分布式交易同步处理系统，包括第二共识管理器、交易管理器、事务管理器、区块锻造器，各组件顺序连接，本发明解决了区块链在同一时间多节点(非协同打块节点)并行处理交易从而提升性能的问题。

Description

一种用于区块链分布式交易同步处理方法及系统

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，特别是一种用于区块链分布式交易同步处理方法及系统。

背景技术

区块链是未来社会的重要基础设施，在这个基础设施之上将承载各行各业的业务应用，而众多的应用将带来海量的用户，海量的用户则需要区块链提供海量交易处理能力的支撑；而区块链特殊的链式块状结构决定了同一时间只有一个块能成为有效块，而块里包含着这个单位时间内的交易，也就约束着同一时间只能有一批交易被处理，这严重约束了区块链性能的提升。目前世面上采用了一些方法来解决这个问题，如去掉块状结构，但去掉块状结构将导致交易的可靠性显著降低，花费的成本代价太大，那么如何在不降低交易可靠性的同时还能突破因链式块结构带来的性能制约，成为一个急需解决的问题。

发明内容

本发明旨在提出一种用于区块链分布式交易同步处理方法及系统，解决了区块链在同一时间多节点(非协同打块节点)并行处理交易从而提升性能的问题。

一种用于区块链分布式交易同步处理方法，包括区块以及位于区块上的节点，所述方法包括：

S1：达成第二共识：

S11：所述区块上的节点完成第一共识后获取完成共识的节点名单，向所述完成第一共识的节点发送第二共识协议请求，比对节点所反馈的协议版本清单后计算出最大公约数的协议版本；

S12：根据所述最大公约数的协议版本计算出参与第二共识的节点的交易范围，并将交易范围清单发送至所述参与第二共识的节点；

S13：收集所述参与第二共识的节点反馈的共识清单，检查其他节点的共识清单是否与发出节点的共识清单能否达成拜占庭一致，若一致标记发出节点进入第二共识状态，并提取出发出节点的交易范围完成共识，若不一致则重新第二共识认定；

S2：并行处理交易：

S21：所述位于区块上的节点接收网络交易，检查节点本身的交易范围后决定是否自身处理还是转发其它节点处理；

S22：检查节点自身的交易处理时间，保证在自身交易处理时间内处理交易并将交易置入新区块；

S23：所述节点本身将交易处理结果对外进行公布，发布完成后停止处理交易并结束第二共识状态，完成交易的并行处理。

进一步的，所述达成拜占庭一致的过程包括：根据所述最大公约数的协议版本计算出其他节点的交易范围，将所述交易范围制成清单后发送至所述参与第二共识的节点，收集所述参与第二共识的节点反馈的共识清单，当公约数最大对应的共识占所反馈共识清单的总数的比例达1-(n-1)/3时，则完成拜占庭一致认定。

进一步的，决定是否自身处理交易还是转发其它节点处理交易的过程包括：检查节点本身是否处于第二共识状态，若不是则保存交易等待处理，若是则检查交易的适用范围，所述交易的适用范围与所述节点本身的交易处理范围匹配。

进一步的，当所述节点本身检查区块时间是否轮到，若未轮到所述节点本身时继续保存交易处理结果，若轮到所述节点本身时完成区块锻造并将交易处理结果置入新区块中。

一种用于区块链分布式交易同步处理系统，所述系统包括：

第二共识管理器：用于管理当前网络中被确认拥有出块权力的节点，并在所述节点中通过算法确认出节点可以处理的交易范围；

交易管理器：根据第二共识管理器得到的交易范围匹配对应的节点进行处理交易，如果接收到的交易不在所述节点的处理范围内，那么就转发至其它节点，如果与所述节点本身处理范围相匹配则进行处理；

事务管理器：用于控制交易管理器处理交易结果的作用范围，检查节点自身的交易处理时间，已确认将交易处理结果处在节点本身出块时释放给整个区块链网络，并在区块时间结束时通知所述交易管理器不再处理交易；

区块锻造器：用于在区块链网络中生成新区块应有的各个单元。

进一步的，所述第二共识管理器包括：

权力节点管理模块：通过获取第一共识机制的结果得到拥有出块权力的节点，并依次验证各节点的合法性与可协作性，对于合法且可协作的节点纳入到下一步的第二共识名单中；

共识规则管理模块：用于收集所述各权力节点能支持的协议版本列表，取出最多节点共同支持的协议版本进行共识，并记录达成共识的节点名单；

交易范围管理模块：根据第二共识协议中所规定的交易范围算法，找出所述节点本身所能处理的交易范围，所述协议计算规则包括但不限于依据共识排名、账户序号、所分配的交易类型。

进一步的，所述交易管理器包括：

交易接收模块：用于根据共识协议的规则开启网络端口，接收除节点本身以外所能参与第二共识的其它节点发来的交易，以及向所述其它节点发送交易；

交易存取模块：用于将符合处理范围的交易保存下来，存到节点本身的待处理交易库中，并为所述交易处理模块提供提取交易的能力，以及将已处理的交易移出待处理交易库；

交易处理模块：用于根据各交易类型，调用各交易的逻辑处理单位对交易内容进行处理。

进一步的，所述事务管理器包括：

时机协调管理模块：用于监听第二共识管理器的通知，一旦达成共识并获得交易分工范围，就通知交易管理器开始处理交易；并在节点完成出块后通知交易结果管理模块可以对外发布结果；

交易结果管理模块：用于管理交易管理器中交易处理的结果，并根据时机协调管理模块的通知进行结果的对外发布。

相比现有的技术方案，本发明具有以下有益效果：

在账务处理中引入双重事务机制，也就是单区块为一个小事务，出块权力交接为一个大事务，小事务在区块完成处理时对内部生效，轮到自己出块时再将小事务数据对外部生效，避免部分节点交易处理时间超过区块时间，这也对外保证了区块时间的一致性，但在内部由于节点从一开始就在参与计算，所以当轮到自己出块时已经充分利用一大块的闲置时间，可以对外表现出处理了很多交易的现象，在结果上显著的提升了整个区块链网络的交易处理性能；

本发明专门针对链式块结构不能同步处理交易的问题，提出了“同步交易顺序出块”的概念，即保留区块链的链式块状结构，又能突破单一区块时间内只能处理单一交易的问题。

附图说明

图1是本发明方案用于区块链分布式交易同步处理方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。在此需要说明的是，下面所描述的本发明各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在具体描述本发明技术方案之前先对区块链顺序出块过程中，性能低的主要原因做下分析，无非是出块节点做了无用功、非出块节点在竞争出块、其它节点闲置三种原因导致。第一种原因做无用功的问题，可以通过改进出块算法来减少无用功的处理时间，这个不在本发明的讨论范围内；第二种非出块节点竞争出块的问题可以通过改进共识机制来减少在出块时间的出块竞争，从而降低无谓的处理时间的支出，这个同样不在本发明的讨论范围内；本发明主要围绕第三种情况进行解决，在节点闲置问题上，本质上也是共识机制的问题导致，因为在共识机制中这些没有成为出块节点的节点没有处理区块的权力，那么无法将自己的计算能力贡献给交易的处理中，所以只能闲置等待，那么解决这个问题的核心就是将这些闲置的节点利用起来，可以参与到区块交易的处理中，这是本发明的核心设计思想。

那么如何将其它闲置节点的计算能力也派上用场呢？如果直接给这些节点都分配交易进行处理，那么整个区块链网络就会乱套，因为交易顺序问题、交易作弊问题、交易验证问题都会导致最终的结果是这些额外加入的节点虽然参与了计算，但是在结果上是给整个网络添加了更大的校验负担，而不是单纯分担小部分计算负担。所以不能直接将其它节点纳入计算，而是通过一定的共识规则纳入。这里的共识规则可以是任意一种共识规则，可以是目前较为流行的DPOP(基于参与度共识机制)，也可以是市面上的DPOS(委托权益证明机制)等。在使用这些共识规则达成谁可以入围打造区块后，然后使用本发明技术方案达成第二轮共识，较为通俗的理解就是交易分工，彼此之间协商着对交易进行分区，本发明的思想核心就是围绕交易如何进行分工，然后通过第二层共识机制达成分工一致，这样可以保证区块在顺序出块的过程中，可以继续处理其它交易，而不影响当前出块交易的正确性。

但如果直接在现有交易处理规则上增加第二层共识机制进行交易分工，表面上看上去交易在同步进行互不影响，但是在账务层面会有巨大影响，一旦在一轮分工周期中遇到强顺序依赖的交易时，将会导致处理结果与交易初衷不一致的问题。那么为了进一步解决这个问题，需要在账务处理中引入双重事务机制，也就是单区块为一个小事务，出块权力交接为一个大事务，小事务在区块完成处理时对内部生效，轮到自己出块时再将小事务数据对外部生效，避免部分节点交易处理时间超过区块时间，这也对外保证了区块时间的一致性，但在内部由于节点从一开始就在参与计算，所以当轮到自己出块时已经充分利用一大块的闲置时间，可以对外表现出处理了很多交易的现象，在结果上显著的提升了整个区块链网络的交易处理性能。

如图1所示，为此专门提出一种用于区块链分布式交易同步处理方法，包括区块以及位于区块上的节点，具体包括：

S1：达成第二共识：

S11：所述区块上的节点完成第一共识后获取完成共识的节点名单，向所述完成第一共识的节点发送第二共识协议请求，比对节点所反馈的协议版本清单后计算出最大公约数的协议版本；

S12：根据所述最大公约数的协议版本规定的协议计算规则计算出参与第二共识的节点的交易范围，并将交易范围清单发送至所述参与第二共识的节点，检查节点本身是否处于第二共识状态，若不是则保存交易等待处理，若是则检查交易的适用范围，所述交易的适用范围与所述节点本身的交易处理范围匹配；

S13：收集所述参与第二共识的节点反馈的共识清单，检查其他节点的共识清单是否与发出节点的共识清单能否达成拜占庭一致，若一致标记发出节点进入第二共识状态，并提取出发出节点的交易范围完成共识，若不一致则重新第二共识认定；

S2：并行处理交易：

S21：所述位于区块上的节点接收网络交易，检查节点本身的交易范围后决定是否自身处理还是转发其它节点处理；

S22：检查节点自身的交易处理时间，保证在自身交易处理时间内处理交易并将交易置入新区块；

S23：所述节点本身将交易处理结果对外进行公布，发布完成后停止处理交易并结束第二共识状态，完成交易的并行处理。

优先选择的是，所述达成拜占庭一致的过程包括：根据所述最大公约数的协议版本计算出其他节点的交易范围，将所述交易范围制成清单后发送至所述参与第二共识的节点，收集所述参与第二共识的节点反馈的共识清单，当公约数最大对应的共识占所反馈共识清单的总数的比例达1-(n-1)/3时，则完成拜占庭一致认定。

优先选择的是，当所述节点本身检查区块时间是否轮到，若未轮到所述节点本身时继续保存交易处理结果，若轮到所述节点本身时完成区块锻造并将交易处理结果置入新区块中。

优先选择的是，所述最大公约数的协议版本规定的协议计算规则包括：

第一种：假设有10个参与第二共识的节点，而交易总共有十种，那么可以按一号节点处理第一种交易、二号节点处理第二种交易、三号节点处理第三种交易的方式以此类推的进行不重复的范围分配，如果是10个节点，20种交易，那么就1个节点处理两种，以此类推；

第二种：根据交易的地址名称来分配，假设有26个节点，目前有26个人发起了交易，那么以字母a开头的人发起的交易由一号节点处理，以字母b开头的人发起的交易由二号节点处理，以此类推，即使双方数量不是26的整数倍，也可以通过一定的算法进行一一对应；

其它的分配方法千变万化，算法可以是各种各样，但其核心都离不开将交易不重复的一致的分配给各节点

另外，本发明还提出一种用于区块链分布式交易同步处理系统，所述系统包括：

第二共识管理器：用于管理当前网络中被确认拥有出块权力的节点，并在所述节点中通过算法确认出节点可以处理的交易范围；

所述第二共识管理器包括：

权力节点管理模块：通过获取第一共识机制的结果得到拥有出块权力的节点，并依次验证各节点的合法性与可协作性，对于合法且可协作的节点纳入到下一步的第二共识名单中；

共识规则管理模块：用于收集所述各权力节点能支持的协议版本列表，取出最多节点共同支持的协议版本进行共识，并记录达成共识的节点名单；

交易范围管理模块：根据第二共识协议中所规定的交易范围算法，找出所述节点本身所能处理的交易范围，所述协议计算规则包括但不限于依据共识排名、账户序号、所分配的交易类型。

交易管理器：根据第二共识管理器得到的交易范围匹配对应的节点进行处理交易，如果接收到的交易不在所述节点的处理范围内，那么就转发至其它节点，如果与所述节点本身处理范围相匹配则进行处理；

所述交易管理器包括：

交易接收模块：用于根据共识协议的规则开启网络端口，接收除节点本身以外所能参与第二共识的其它节点发来的交易，以及向所述其它节点发送交易；

交易存取模块：用于将符合处理范围的交易保存下来，存到节点本身的待处理交易库中，并为所述交易处理模块提供提取交易的能力，以及将已处理的交易移出待处理交易库；

交易处理模块：用于根据各交易类型，调用各交易的逻辑处理单位对交易内容进行处理。

事务管理器：用于控制交易管理器处理交易结果的作用范围，检查节点自身的交易处理时间，已确认将交易处理结果处在节点本身出块时释放给整个区块链网络，并在区块时间结束时通知所述交易管理器不再处理交易；

所述事务管理器包括：

时机协调管理模块：用于监听第二共识管理器的通知，一旦达成共识并获得交易分工范围，就通知交易管理器开始处理交易；并在节点完成出块后通知交易结果管理模块可以对外发布结果；

交易结果管理模块：用于管理交易管理器中交易处理的结果，并根据时机协调管理模块的通知进行结果的对外发布。

区块锻造器：用于在区块链网络中生成新区块应有的各个单元。

第二共识管理器、交易管理器、事务管理器、区块锻造器顺序连接。

所述系统在具体应用过程包括：

首先第一步是达成第二共识也即所述第二共识管理器中的权力节点管理模块在等待第一共识完成后获取第一共识入围节点名单，接着所述共识规则管理模块向进入第一共识名单上的所有节点发送第二共识协议请求，如果节点没有响应说明不支持第二共识，反之有响应则是支持第二共识，紧接着便是收集各个节点所支持的协议版本清单，通过比对所有节点的协议版本清单内容计算出最大公约数的协议版本，所述最大公约数版本也就是在所有反馈的协议版本清单里面存在次数最多的协议版本，然后所述交易范围管理模块根据该版本协议的规则计算出所有节点(包括自身发出第二共识请求的节点)的交易范围，将该交易范围清单发送至各个节点，所述发出第二共识请求的节点收集其它节点发来的共识清单，检查共识清单是否与自己的共识清单达成拜占庭一致，所述达成拜占庭一致需要确认自身的共识清单占所反馈共识清单的总数的比例达1-(n-1)/3，如果达不成拜占庭一致，则需要重新开始共识过程，达成一致时标志节点进入第二共识状态，所述交易管理器提取出节点本身的交易范围，此时第二共识管理器便会通知所述事务管理器与交易管理器达成共识。

其次第二步是并行处理交易，具体表现为所述交易管理器中的交易接收模块接收从区块链网络传来的交易，检查节点本身是否处于第二共识状态中，若是的话则通过所述交易存取模块保存交易并等待处理，接着检查该笔交易的适用范围，如果符合节点本身的交易范围则自身处理并放入待交易处理库，若不符合则转发给符合处理交易范围的节点处理，所述交易处理模块循环积累待处理交易，检查是否已过节点本身的交易处理时间，如果过了就停止交易的处理，如果时间还没到就开始处理交易，从待处理交易库里提取一笔交易，根据该交易的类型发送给对应的交易处理模块处理，然后所述交易存取模块收集交易处理后的结果并将结果提交给事务管理器。

最后第三步是协调交易结果发布时间，具体表现为所述事务管理器中的时机协调管理模块检查区块时间是否轮到自己，当未轮到事务处理器的区块时间时持续在区块内部保存交易处理结果，当轮到事务管理器的区块时间时通知区块锻造器锻造区块，当区块锻造成功后事务管理器将之前处理的交易置入新区块中，然后所述交易结果管理模块将之前保存的交易处理结果开始对外进行公布，当发布完成后通知交易处理器停止处理交易，此时所述交易处理器结束第二共识状态，这样便标志完成交易的并行处理，整个本轮区块“同步交易顺序出块”活动结束，等待下一轮开始进入第二共识，整个活动过程可以循环往复。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于区块链分布式交易同步处理方法，包括区块以及位于区块上的节点，其特征在于，所述方法包括：

S1：达成第二共识：

S11：所述区块上的节点完成第一共识后获取完成共识的节点名单，向所述完成第一共识的节点发送第二共识协议请求，比对节点所反馈的协议版本清单后计算出最大公约数的协议版本；

S12：根据所述最大公约数的协议版本计算出参与第二共识的节点的交易范围，并将交易范围清单发送至所述参与第二共识的节点；

S13：收集所述参与第二共识的节点反馈的共识清单，检查其他节点的共识清单是否与发出节点的共识清单能否达成拜占庭一致，若一致标记发出节点进入第二共识状态，并提取出发出节点的交易范围完成共识，若不一致则重新第二共识认定；

S2：并行处理交易：

S21：所述位于区块上的节点接收网络交易，检查节点本身的交易范围后决定是否自身处理还是转发其它节点处理；

S22：检查节点自身的交易处理时间，保证在自身交易处理时间内处理交易并将交易置入新区块；

S23：所述节点本身将交易处理结果对外进行公布，发布完成后停止处理交易并结束第二共识状态，完成交易的并行处理。

2.根据权利要求1所述的一种用于区块链分布式交易同步处理方法，其特征在于，

所述达成拜占庭一致的过程包括：根据所述最大公约数的协议版本计算出其他节点的交易范围，将所述交易范围制成清单后发送至所述参与第二共识的节点，收集所述参与第二共识的节点反馈的共识清单，当公约数最大对应的共识占所反馈共识清单的总数的比例达1-(n-1)/3时，则完成拜占庭一致认定。

3.根据权利要求1所述的一种用于区块链分布式交易同步处理方法，其特征在于，决定是否自身处理交易还是转发其它节点处理交易的过程包括：

检查节点本身是否处于第二共识状态，若不是则保存交易等待处理，若是则检查交易的适用范围，所述交易的适用范围与所述节点本身的交易处理范围匹配。

4.根据权利要求1所述的一种用于区块链分布式交易同步处理方法，其特征在于，

当所述节点本身检查区块时间是否轮到，若未轮到所述节点本身时继续保存交易处理结果，若轮到所述节点本身时完成区块锻造并将交易处理结果置入新区块中。

5.一种用于区块链分布式交易同步处理系统，其特征在于，所述系统包括：

第二共识管理器：用于管理当前网络中被确认拥有出块权力的节点，并在所述节点中通过算法确认出节点可以处理的交易范围；

交易管理器：根据第二共识管理器得到的交易范围匹配对应的节点进行处理交易，如果接收到的交易不在所述节点的处理范围内，那么就转发至其它节点，如果与所述节点本身处理范围相匹配则进行处理；

事务管理器：用于控制交易管理器处理交易结果的作用范围，检查节点自身的交易处理时间，已确认将交易处理结果处在节点本身出块时释放给整个区块链网络，并在区块时间结束时通知所述交易管理器不再处理交易；

区块锻造器：用于在区块链网络中生成新区块应有的各个单元；

所述第二共识管理器、交易管理器、事务管理器、区块锻造器顺序连接；

其中，所述第二共识管理器包括：

权力节点管理模块：通过获取第一共识机制的结果得到拥有出块权力的节点，并依次验证各节点的合法性与可协作性，对于合法且可协作的节点纳入到下一步的第二共识名单中；

共识规则管理模块：用于收集所述各权力节点能支持的协议版本列表，取出最多节点共同支持的协议版本进行共识，并记录达成共识的节点名单；

交易范围管理模块：根据第二共识协议中所规定的交易范围算法，找出所述节点本身所能处理的交易范围，所述协议计算规则包括但不限于依据共识排名、账户序号、所分配的交易类型。

6.根据权利要求5所述的一种用于区块链分布式交易同步处理系统，其特征在于，所述第二共识管理器包括：

权力节点管理模块：通过获取第一共识机制的结果得到拥有出块权力的节点，并依次验证各节点的合法性与可协作性，对于合法且可协作的节点纳入到下一步的第二共识名单中；

共识规则管理模块：用于收集所述各权力节点能支持的协议版本列表，取出最多节点共同支持的协议版本进行共识，并记录达成共识的节点名单；

交易范围管理模块：根据第二共识协议中所规定的交易范围算法，找出所述节点本身所能处理的交易范围，所述协议计算规则包括但不限于依据共识排名、账户序号、所分配的交易类型。

7.根据权利要求5所述的一种用于区块链分布式交易同步处理系统，其特征在于，所述交易管理器包括：

交易接收模块：用于根据共识协议的规则开启网络端口，接收除节点本身以外所能参与第二共识的其它节点发来的交易，以及向所述其它节点发送交易；

交易存取模块：用于将符合处理范围的交易保存下来，存到节点本身的待处理交易库中，并为所述交易处理模块提供提取交易的能力，以及将已处理的交易移出待处理交易库；

交易处理模块：用于根据各交易类型，调用各交易的逻辑处理单位对交易内容进行处理。

8.根据权利要求5所述的一种用于区块链分布式交易同步处理系统，其特征在于，所述事务管理器包括：

时机协调管理模块：用于监听第二共识管理器的通知，一旦达成共识并获得交易分工范围，就通知交易管理器开始处理交易；并在节点完成出块后通知交易结果管理模块可以对外发布结果；

交易结果管理模块：用于管理交易管理器中交易处理的结果，并根据时机协调管理模块的通知进行结果的对外发布。

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