CN111563093B - 一种基于联盟区块链冲突交易检测与规避系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联盟区块链冲突交易检测与规避系统及方法，包括：交易分组子系统、交易重处理子系统、交易冲突检测子系统和冲突交易丢弃子系统；在排序阶段实现冲突交易的检测并通过对块内的交易进行重处理以及采用分组整合的方法来将部分冲突的交易转变为非冲突的交易。最后，对于冲突无法避免的交易，采用最小冲突交易集合搜索算法来提前中止冲突的交易，减少交易的丢弃率来提高用户的满意度。同时，通过缩短无效交易的执行流程，减少其对系统性能的损耗，从而实现Fabric联盟区块链性能的优化。

Description

一种基于联盟区块链冲突交易检测与规避系统的方法

技术领域

本发明涉及区块链技术，具体涉及一种联盟区块链冲突交易检测与规避系统及方法。

背景技术

Hyperledger Fabric(以下简称Fabric)是Linux Foundation管理的企业级开源联盟区块链平台。它提供一些模块化设计和可插拔组件，以满足广泛的行业需求。与现有的其他联盟区块链(例如Multichain)不同，Fabric联盟区块链采simulation-order-validate交易处理模式，由于在Fabric联盟区块链中，每笔交易只需要在满足交易背书策略所需的背书节点的子集执行即可。这允许交易一定程度并行执行，从而提高了系统的整体性能和规模。但当联盟区块链应用到实时股票交易系统、电子商务系统、实时信息发布系统等高频次交易场景中时，多个用户可能并发的提交多个对同一数据集进行修改的交易请求，这些应用处理数据发送到区块链网络中进行共识，然后存储到账本时，使得一个区块内存在冲突的交易。由于冲突的交易会几乎走完整个交易流程，直到交易验证阶段才被标记为无效，进而导致联盟区块链的性能下降和资源浪费。同时，冲突交易越多越不利于交易的并行验证写入。

因此，在Fabric联盟区块链中，如何设计有效的冲突交易防御方法来保证交易执行的正确性成为一个巨大的挑战。为了在交易处理流程中，尽快的识别冲突的交易，并采取措施来对冲突的交易进行处理以节约网络资源开销，已经有些关于冲突交易防御的相关研究。例如，有研究者首先对冲突的交易进行定义，然后在客户端和背书节点之间增加一个缓存，存储所有的交易，逐一的对比交易的读写集，针对有读写集冲突的交易采用直接丢弃的方法来解决这一问题。然而这些方法带来了较高的交易丢弃率，而且没有考虑联盟区块链的分布式特点，缓存机制明显存在一个中心化的节点对所有的交易进行收集检测，因此违背了区块链去中心化的特点。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种联盟区块链冲突交易检测与规避系统及方法解决了现有区块链交易检测与规避技术具备较高丢弃率和违背区块链去中心化的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种联盟区块链冲突交易检测与规避系统，包括：交易分组子系统、交易重处理子系统、交易冲突检测子系统和冲突交易丢弃子系统；

所述交易分组子系统用于：根据交易提案读写集的键值及键值对应信息，对交易进行拆分成一个或多个子交易，同时对子交易进行基于键值的分组，得到多个子交易分组；

所述交易包括：交易提案和背书结果；

所述子交易分组包括一个或多个读操作子交易分组和写操作子交易分组；

所述读操作子交易的键值的对应信息包括：子交易版本号；

所述写操作子交易的键值的对应信息包括：子交易版本号和子交易数值；

所述交易重处理子系统用于：遍历每个子交易分组各自的需要对同一数据集操作的子交易，根据子交易版本号，寻得并过滤低版本号的子交易；并对子交易分组进行重排序；

所述交易冲突检测子系统用于针对每个子交易分组，检测冲突的子交易；

所述冲突交易丢弃子系统用于丢弃冲突的子交易。

一种联盟区块链冲突交易检测与规避系统方法，包括以下步骤：

S1、在Fabric联盟区块链的排序节点中增设并启动联盟区块链冲突交易检测与规避系统；

S2、通过交易分组子系统，对到达排序节点的交易进行交易拆分以及子交易的分组，得到子交易分组，同时，根据排序节点的成块规则将交易提案排序打包成块；

S3、通过交易重处理子系统，对块内的每个子交易分组，遍历同一子交易分组中的需要对同一数据集操作的子交易，根据子交易版本号，寻得并过滤低版本号的子交易；

S4、通过交易重处理子系统，对子交易分组进行重排序，将写集为空的交易提案，即只读的交易提案的子交易分组排在前列；

S5、通过交易冲突检测子系统，基于子交易分组账户余额，采用最小冲突交易集合搜索算法，对冲突的子交易进行检测；

S6、通过冲突交易丢弃子系统，丢弃冲突的子交易，以此实现规避区块链的交易冲突。

进一步地，所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、根据块内存储的交易提案的读写集，将交易拆分成一个或多个键值不同的子交易；

S22、遍历子交易的键值，将键值相同的子交易分至同一组，将键值不同的子交易分为不同组，得到子交易分组，并将子交易分组存储到待处理交易缓存列表中；

S23、通过排序节点周期性的对待处理交易缓存列表进行判断，判断当前缓存队列的子交易分组数目是否达到区块链给定的最大块内子交易分组数目，若是，则将交易提案排序打包成块，并进入步骤S3，若否，则跳转至步骤S24；

S24、判断当前时间与上次打包成块的间隔时间已超过区块链系统配置的两个块之间的时间间隔，若是，则将交易提案排序打包成块，并进入步骤S3，若否，则跳转至步骤S21。

进一步地，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、针对每个子交易分组，遍历分组中所有子交易的子交易版本号，采用选择排序Selection-sort算法，得到该分组交易的最大版本号；

S32、遍历同一子交易分组中的需要对同一数据集操作的子交易，删除掉交易版本号小于最大版本号的子交易。

进一步地，所述步骤S5中子交易分组账户余额的计算方法遵循下式：

其中，m为交易分组的序列号，为交易分组m中所有子交易预处理后的账户总余额，为交易分组m的键值在世界状态StateBase对应的Value值，i为交易分组m的写操作子交易序列号，N为交易分组m中写操作子交易总数，为子交易分组m的子交易i的键值对应信息中的子交易数值。

进一步地，所述步骤S5包括以下分步骤：

S51、遍历所有的子交易分组，判断是否存在账户余额小于0的子交易分组，若是，则跳转至步骤S52，若否，则结束，此时待丢弃子交易备选集为空，即不存在待丢弃的冲突的子交易；

S52、以所有的子交易分组为节点，以子交易分组中的各个子交易各自之间的交易依赖关系为边，建立冲突关系图；所述边为有向有权边，其方向为从转账节点指向收账节点的方向，其权重为转账节点向收账节点转账的金额，转账节点和收账节点由子交易的键值确立，转账的金额由键值对应信息中的子交易数值确立；

S53、在冲突关系图中选择当前子交易分组账户余额最小且小于0的节点作为开始点；

S54、删除开始点当前的方向向外且权重最大的边，并将该边对应的子交易信息记录进待丢弃子交易备选集；

S55、判断被删除的边所连接的两个节点的子交易分组账户余额是否大于0，若是，则跳转至步骤S56，若否，则跳转至步骤S54；

S56、判断当前冲突关系图中是否存在子交易分组账户余额小于0的节点，若是，则跳转至步骤S53，若否，此时待丢弃子交易备选集中的子交易便是待丢弃的冲突的子交易，并进入步骤S6。

综上，本发明的有益效果为：

(1)交易的平均处理时延低。由于在排序阶段的采用交易重处理机制，使得部分冲突的交易转化为不冲突的交易，使得这部分交易尽可能早地被写入区块链账本中。同时交易冲突检测及丢弃机制能够在交易执行的排序阶段进行冲突检测，能够提前终止冲突不可避免的交易，并且通知客户端，使得冲突交易更快得到结果，从而使得系统的平均交易延迟减低。

(2)并行处理程度高。由于本发明提出基于交易类型的重处理机制以及冲突交易丢弃机制，利用物理机节点多核优势和集群优势，尽可能提高联盟区块链交易事务的并发处理，完全发挥区块链的处理性能。

(3)交易丢弃率低。由于本发明提出的算法中考虑了实时冲突交易的特性，在满足交易一致性和确定性的约束条件下，考虑交易之间的相互依赖关系以及交易的可并行处理等条件，采用交易分组重处理的方法使得区块链网络在高冲突交易的环境下冲突的交易在一个块内不冲突，实现了尽可能少的交易丢弃率。

(4)交易吞吐量高。在存在交易冲突的场景下，本发明能够有效降低系统的性能损耗，因此能够增大Fabric联盟链系统的最大吞吐量。

附图说明

图1为一种联盟区块链冲突交易检测与规避方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

一种联盟区块链冲突交易检测与规避系统，包括：交易分组子系统、交易重处理子系统、交易冲突检测子系统和冲突交易丢弃子系统；

所述交易分组子系统用于：根据交易提案读写集的键值及键值对应信息，对交易进行拆分成一个或多个子交易，同时对子交易进行基于键值的分组，得到多个子交易分组；

所述交易包括：交易提案和背书结果；

所述子交易分组包括一个或多个读操作子交易分组和写操作子交易分组；

所述读操作子交易的键值的对应信息包括：子交易版本号；

所述写操作子交易的键值的对应信息包括：子交易版本号和子交易数值；

所述交易重处理子系统用于：遍历每个子交易分组各自的需要对同一数据集操作的子交易，根据子交易版本号，寻得并过滤低版本号的子交易；并对子交易分组进行重排序；

所述交易冲突检测子系统用于针对每个子交易分组，检测冲突的子交易；

所述冲突交易丢弃子系统用于丢弃冲突的子交易。

如图1所示，一种联盟区块链冲突交易检测与规避系统方法，包括以下步骤：

S1、在Fabric联盟区块链的排序节点中增设并启动联盟区块链冲突交易检测与规避系统；

S2、通过交易分组子系统，对到达排序节点的交易进行交易拆分以及子交易的分组，得到子交易分组，同时，根据排序节点的成块规则将交易提案排序打包成块；

所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、根据块内存储的交易提案的读写集，将交易拆分成一个或多个键值不同的子交易；

S22、遍历子交易的键值，将键值相同的子交易分至同一组，将键值不同的子交易分为不同组，得到子交易分组，并将子交易分组存储到待处理交易缓存列表中；

S23、通过排序节点周期性的对待处理交易缓存列表进行判断，判断当前缓存队列的子交易分组数目是否达到区块链给定的最大块内子交易分组数目，若是，则将交易提案排序打包成块，并进入步骤S3，若否，则跳转至步骤S24；

S24、判断当前时间与上次打包成块的间隔时间已超过区块链系统配置的两个块之间的时间间隔，若是，则将交易提案排序打包成块，并进入步骤S3，若否，则跳转至步骤S21。

S3、通过交易重处理子系统，对块内的每个子交易分组，遍历同一子交易分组中的需要对同一数据集操作的子交易，根据子交易版本号，寻得并过滤低版本号的子交易；

所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、针对每个子交易分组，遍历分组中所有子交易的子交易版本号，采用选择排序Selection-sort算法，得到该分组交易的最大版本号；

S32、遍历同一子交易分组中的需要对同一数据集操作的子交易，删除掉交易版本号小于最大版本号的子交易。

S4、通过交易重处理子系统，对子交易分组进行重排序，将写集为空的交易提案，即只读的交易提案的子交易分组排在前列；

S5、通过交易冲突检测子系统，基于子交易分组账户余额，采用最小冲突交易集合搜索算法，对冲突的子交易进行检测；

所述步骤S5中子交易分组账户余额的计算方法遵循下式：

其中，m为交易分组的序列号，为交易分组m中所有子交易预处理后的账户总余额，为交易分组m的键值在世界状态StateBase对应的Value值，i为交易分组m的写操作子交易序列号，N为交易分组m中写操作子交易总数，为子交易分组m的子交易i的键值对应信息中的子交易数值。

所述步骤S5包括以下分步骤：

S51、遍历所有的子交易分组，判断是否存在账户余额小于0的子交易分组，若是，则跳转至步骤S52，若否，则结束，此时待丢弃子交易备选集为空，即不存在待丢弃的冲突的子交易；

S52、以所有的子交易分组为节点，以子交易分组中的各个子交易各自之间的交易依赖关系为边，建立冲突关系图；所述边为有向有权边，其方向为从转账节点指向收账节点的方向，其权重为转账节点向收账节点转账的金额，转账节点和收账节点由子交易的键值确立，转账的金额由键值对应信息中的子交易数值确立；

S53、在冲突关系图中选择当前子交易分组账户余额最小且小于0的节点作为开始点；

S54、删除开始点当前的方向向外且权重最大的边，并将该边对应的子交易信息记录进待丢弃子交易备选集；

S55、判断被删除的边所连接的两个节点的子交易分组账户余额是否大于0，若是，则跳转至步骤S56，若否，则跳转至步骤S54；

S56、判断当前冲突关系图中是否存在子交易分组账户余额小于0的节点，若是，则跳转至步骤S53，若否，此时待丢弃子交易备选集中的子交易便是待丢弃的冲突的子交易，并进入步骤S6。

S6、通过冲突交易丢弃子系统，丢弃冲突的子交易，以此实现规避区块链的交易冲突。

综上，本发明的有益效果为：

(1)交易的平均处理时延低。由于在排序阶段的采用交易重处理机制，使得部分冲突的交易转化为不冲突的交易，使得这部分交易尽可能早地被写入区块链账本中。同时交易冲突检测及丢弃机制能够在交易执行的排序阶段进行冲突检测，能够提前终止冲突不可避免的交易，并且通知客户端，使得冲突交易更快得到结果，从而使得系统的平均交易延迟减低。

(2)并行处理程度高。由于本发明提出基于交易类型的重处理机制以及冲突交易丢弃机制，利用物理机节点多核优势和集群优势，尽可能提高联盟区块链交易事务的并发处理，完全发挥区块链的处理性能。

(3)交易丢弃率低。由于本发明提出的算法中考虑了实时冲突交易的特性，在满足交易一致性和确定性的约束条件下，考虑交易之间的相互依赖关系以及交易的可并行处理等条件，采用交易分组重处理的方法使得区块链网络在高冲突交易的环境下冲突的交易在一个块内不冲突，实现了尽可能少的交易丢弃率。

(4)交易吞吐量高。在存在交易冲突的场景下，本发明能够有效降低系统的性能损耗，因此能够增大Fabric联盟链系统的最大吞吐量。

Claims (5)

1.一种基于联盟区块链冲突交易检测与规避系统的方法，所述方法基于一种联盟区块链冲突交易检测与规避系统实现，所述联盟区块链冲突交易检测与规避系统包括：交易分组子系统、交易重处理子系统、交易冲突检测子系统和冲突交易丢弃子系统；

所述交易分组子系统用于：根据交易提案读写集的键值及键值对应信息，对交易进行拆分成一个或多个子交易，同时对子交易进行基于键值的分组，得到多个子交易分组；

所述交易包括：交易提案和背书结果；

所述子交易分组包括一个或多个读操作子交易分组和写操作子交易分组；

所述读操作子交易的键值的对应信息包括：子交易版本号；

所述写操作子交易的键值的对应信息包括：子交易版本号和子交易数值；

所述交易重处理子系统用于：遍历每个子交易分组各自的需要对同一数据集操作的子交易，根据子交易版本号，寻得并过滤低版本号的子交易；并对子交易分组进行重排序；

所述交易冲突检测子系统用于针对每个子交易分组，检测冲突的子交易；

所述冲突交易丢弃子系统用于丢弃冲突的子交易；

其特征在于，包括以下步骤：

S1、在Fabric联盟区块链的排序节点中增设并启动联盟区块链冲突交易检测与规避系统；

S2、通过交易分组子系统，对到达排序节点的交易进行交易拆分以及子交易的分组，得到子交易分组，同时，根据排序节点的成块规则将交易提案排序打包成块；

S3、通过交易重处理子系统，对块内的每个子交易分组，遍历同一子交易分组中的需要对同一数据集操作的子交易，根据子交易版本号，寻得并过滤低版本号的子交易；

S4、通过交易重处理子系统，对子交易分组进行重排序，将写集为空的交易提案，即只读的交易提案的子交易分组排在前列；

S5、通过交易冲突检测子系统，基于子交易分组账户余额，采用最小冲突交易集合搜索算法，对冲突的子交易进行检测；

S6、通过冲突交易丢弃子系统，丢弃冲突的子交易，以此实现规避区块链的交易冲突。

2.根据权利要求1所述的基于联盟区块链冲突交易检测与规避系统的方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、根据块内存储的交易提案的读写集，将交易拆分成一个或多个键值不同的子交易；

S22、遍历子交易的键值，将键值相同的子交易分至同一组，将键值不同的子交易分为不同组，得到子交易分组，并将子交易分组存储到待处理交易缓存列表中；

S23、通过排序节点周期性的对待处理交易缓存列表进行判断，判断当前缓存队列的子交易分组数目是否达到区块链给定的最大块内子交易分组数目，若是，则将交易提案排序打包成块，并进入步骤S3，若否，则跳转至步骤S24；

S24、判断当前时间与上次打包成块的间隔时间已超过区块链系统配置的两个块之间的时间间隔，若是，则将交易提案排序打包成块，并进入步骤S3，若否，则跳转至步骤S21。

3.根据权利要求2所述的基于联盟区块链冲突交易检测与规避系统的方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、针对每个子交易分组，遍历分组中所有子交易的子交易版本号，采用选择排序Selection-sort算法，得到该分组交易的最大版本号；

S32、遍历同一子交易分组中的需要对同一数据集操作的子交易，删除掉交易版本号小于最大版本号的子交易。

4.根据权利要求3所述的基于联盟区块链冲突交易检测与规避系统的方法，其特征在于，所述步骤S5中子交易分组账户余额的计算方法遵循下式：

其中，m为交易分组的序列号，为交易分组m中所有子交易预处理后的账户总余额，为交易分组m的键值在世界状态StateBase对应的Value值，i为交易分组m的写操作子交易序列号，N为交易分组m中写操作子交易总数，为子交易分组m的子交易i的键值对应信息中的子交易数值。

5.根据权利要求4所述的基于联盟区块链冲突交易检测与规避系统的方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下分步骤：

S51、遍历所有的子交易分组，判断是否存在账户余额小于0的子交易分组，若是，则跳转至步骤S52，若否，则结束，此时待丢弃子交易备选集为空，即不存在待丢弃的冲突的子交易；

S52、以所有的子交易分组为节点，以子交易分组中的各个子交易各自之间的交易依赖关系为边，建立冲突关系图；所述边为有向有权边，其方向为从转账节点指向收账节点的方向，其权重为转账节点向收账节点转账的金额，转账节点和收账节点由子交易的键值确立，转账的金额由键值对应信息中的子交易数值确立；

S53、在冲突关系图中选择当前子交易分组账户余额最小且小于0的节点作为开始点；

S54、删除开始点当前的方向向外且权重最大的边，并将该边对应的子交易信息记录进待丢弃子交易备选集；

S55、判断被删除的边所连接的两个节点的子交易分组账户余额是否大于0，若是，则跳转至步骤S56，若否，则跳转至步骤S54；

S56、判断当前冲突关系图中是否存在子交易分组账户余额小于0的节点，若是，则跳转至步骤S53，若否，此时待丢弃子交易备选集中的子交易便是待丢弃的冲突的子交易，并进入步骤S6。

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