CN111680105A - 基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法及系统 - Google Patents

基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法，包括建立关于块的元数据存储列表；基于数据库发生变更时的SQL语句发起事务请求，发送到各分布式子节点，并由各个子节点的客户端参与执行和验证SQL语句查询的结果，以根据所述SQL语句执行当前节点的数据变更；本发明能够实现在完全去中心化的、广泛存在不信任彼此的节点之间实现分布式事务，基于区块链的共识制约特点，防止数据库表被随意篡改，实现高可信的分布式数据库一致性实时更新。

Description

基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法及系统
技术领域
本发明涉及计算机数据库技术领域，具体而言，为一种基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法及系统。
背景技术
区块链技术(block chain，BC)是一种先进的数据存储与使用技术，是分布式的、去中心化存储的一种链式数据结构，它可以使得数据可追溯、不易篡改，尤其在去中心化的分布式环境中，可以提供可信的高数据一致性保证。区块链包含一张被称为区块的列表，有着持续增长并且排列整齐的记录。每个区块都包含一个时间戳和一个与前一区块的链接，区块链使得数据不可篡改，一旦记录下来，在一个区块中的数据将不可逆。
传统的关系型数据库技术是中心化的，分布式数据库是部署在各地的，但是其管理权是去中心化的；如何更安全稳定的实现区块链技术和分布式关系型数据库的结合，继而实现去中心化的分布式可信、高一致性实时数据管理，是本领域技术人员正努力探索的方向。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法及系统，可使用SQL进行访问，在彼此不信任或无法相互信任的节点之间以去中心化的方式实现SQL事务。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括：
一种基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法，包括
建立关于块的元数据存储列表；
基于数据库发生变更时的SQL语句发起事务请求，发送到各分布式子节点，并由各个子节点参与执行和验证SQL语句查询的结果，以根据所述SQL语句执行当前节点的数据变更。
进一步的，上述的基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法中，所述建立关于块的元数据存储列表包括：
信息表：保存有关当前块哈希和索引的信息，包含有关最后处理的块的信息；
块表：保存链中所有块；
授权表：保存数据库权限信息；
数据库表：保存现有数据库列表。
进一步的，上述的基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法中，所述基于数据库发生变更时的SQL语句发起事务请求，中
事务请求为发送节点的块签名信息，块签名是块版本、块索引、块nonce、上一个块哈希、miner公钥、块时间戳以及有效负载数据的SHA-256哈希。
进一步的，上述的基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法中，所述有效载荷数据构造跟当前块是否是第一个块有关，如果是第一个块，则用于块签名的有效负载数据是编码为UTF-8的种子字符串；如果是其他后续的块，则用于块签名的有效负载数据是事务签名的串联；事务签名是使用调用程序的私钥对数据库名称、事务计数器以及SQL语句的签名。
进一步的，上述的基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法中，所述事务签名包含数据库名称、事务计数和SQL语句，该签名是基于数据库名称、事务计数器和SQL语句的序列化。
进一步的，上述的基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法中，所述并由各个子节点参与执行和验证SQL语句查询的结果，以根据所述SQL语句执行当前节点的数据变更，包括：
任一子节点接收到一个事务请求时，进行解密，还原事务的密文，首先对事务请求进行权限审核，确认对该数据库发生变更的权限；然后进行解析获得原始所述SQL语句，根据系统响应的执行策略执行SQL查询并返回结果；
通过子节点共识的事务请求，可以根据所述SQL语句执行当前节点的数据变更。
进一步的，上述的基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法中，数据库所述事务附加时间戳；
当一个节点接收到一个有效的块时，将其附加到一个队列中；当队列超出预设大小时，队列中最旧的块将保留在磁盘上；
当区块链链需要拼接并且拼接发生在队列内部时，如果拼接发生在早于队列中最旧块的块中，则将从块0到拼接点的完整事务集重放；
其中已执行排队的块事务，查询完成后，事务将自动回滚。
第二方面，本发明还提供了一种实施上述任一实施例中所述方法的管理系统，包括
接口模块：用于提供标准的通信接口，获取签名的事务请求以进行解密；
权限管理器：用于对事务请求中包含的节点信息进行权限验证；
SQL解析器：用于对事务请求进行分解获得源数据库变更的SQL语句；
执行策略管理器：用于根据预设的执行策略将所述SQL语句分配给任务管理器；
任务管理器：用于根据所述SQL语句执行查询并返回结果。
进一步的，上述的管理系统中，还包括
包括事务管理器；用于负责保证数据一致性和事务生命周期管理；
数据溯源审计管理器，用于负责生成和展示不可篡改的数据溯源与操作log记录和展示；
资源管理器：用于根据数据库表管理所有参与分布式关系型数据库管理系统的节点信息。
与传统技术相比，本发明的有益效果体现在：
发明方法中，对数据库发生的变更通过区块链技术发送到各分布式节点中，相当于区块链中只包含修改数据或结构的SQL语句，以此实现进行数据库的数据同步时，可以保证数据传输的可靠性。
本发明分布式关系型数据库管理系统能够实现在完全去中心化的、广泛存在不信任彼此的节点之间实现分布式事务，基于区块链的共识制约特点，防止数据库表被随意篡改，实现高可信的分布式数据库一致性实时更新。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法在一个具体实施例中的流程图；
图2为本发明基于区块链的分布式关系型数据库的管理系统的逻辑框图；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
如图1所示，一种基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法，包括建立关于块的元数据存储列表；
基于数据库发生变更时的SQL语句发起事务请求，发送到各分布式子节点，并由各个子节点的客户端参与执行和验证SQL语句查询的结果，以根据所述SQL语句执行当前节点的数据变更。
本发明方法中，利用区块链技术对分布式关系型数据库进行管理，区块链中只包含修改数据或结构的SQL语句，发送到各分布式子节点进行验证，以在彼此不信任或无法相互信任的节点之间以去中心化的方式实现SQL事务。
本发明给出的一个具体实施例中，所述建立关于块的元数据存储列表包括：
信息表：保存有关当前块哈希和索引的信息，包含有关最后处理的块的信息；
块表：保存链中所有块；
授权表：保存数据库权限信息；
数据库表：保存现有数据库列表；
其中，上述元数据存储列表对客户端不可见。
本发明中，当源数据库的数据或结构发生变更时(如向表中增加数据、删除数据或修改表结构等)，当前节点获取变更产生的SQL语句，产生事务请求进行共识。
当前节点发送到其他子节点的事务请求是当前块签名信息，块签名是块版本、块索引、块nonce、上一个块哈希、miner公钥、块时间戳以及有效负载数据的SHA-256哈希。其中有效载荷数据构造跟当前块是否是第一个块有关，如果是第一个块，则用于签名的有效负载数据是编码为UTF-8的种子字符串；如果是其他后续的块，则用于签名的有效负载数据是事务签名的串联；事务签名是使用调用程序的私钥对数据库名称、事务计数器以及事务语句(即SQL语句)的签名。
事务签名包含数据库名称、事务计数器和SQL语句，该签名基于数据库名称、事务计数器(counter)和SQL语句，以特定方式序列化。本实施例中，事务可以以多种不同的格式存储和传输，为了验证事务的签名，将从数据中重构要签名的数据，然后根据该数据验证签名。
本实施例中，节点间通讯使用Gossip协议，在彼此不信任或无法相互信任的节点也可以进行任意连接和传输，实现SQL事务变更的同时，保证分布式一致性的实时数据可靠管理。
任一子节点接收到一个事务请求时，对该请求进行解密，还原事务的明文，然后首先对事务请求进行权限审核，确认发起事务请求的节点对该源数据库发生变更的权限；然后进行解析获得原始所述SQL语句，根据系统响应的执行策略对SQL语句执行SQL查询并返回结果；至此当前节点的对事务请求的认证通过，查询失败则未通过认证。
通过各子节点共识的事务请求，可以根据所述SQL语句执行当前节点(请求发起者)的数据变更。
优选的，本实施例中，给数据库所述事务加上时间戳，当一个节点接收到一个有效的块签名时，它会将其附加到一个队列中。当队列超出预设大小时，队列中最旧的块将保留在磁盘上。当链需要拼接并且拼接发生在队列内部时，客户端可以有效地执行此拼接。如果拼接发生在早于队列中最旧块的块上，则客户端需要将从块0(第一个块)到拼接点(当前块)的完整事务集重放。后续所有SQL语句的读取查询都在事务中执行，这是在查询之前启动的事务，其中已执行排队的块事务，查询完成后，事务将自动回滚，这样队列块中的更改不会持久化到磁盘。
本发明方中，分布式节点间的通信协议使用Gossip来完成对节点的存在性及端口、通知新块的成功挖掘、获取块、将新发现的事务和块提交到另一个节点以及返回链上当前视图的信息。
本发明方法中，对数据库发生的变更通过区块链技术发送到各分布式节点中，相当于区块链中只包含修改数据或结构的SQL语句，以此实现进行数据库的数据同步时，可以保证数据传输的可靠性。
实施例2
本发明还提供了一种实施上述实施例1中方法的基于区块链的分布式关系型数据库管理系统，包括
接口模块：用于提供标准的通信接口，获取签名的事务请求以进行解密；
权限管理器：用于对事务请求中包含的节点信息进行权限验证；
SQL解析器：用于对事务请求进行分解获得源数据库变更的SQL语句；
执行策略管理器：用于根据预设的执行策略将所述SQL语句分配给任务管理器；
任务管理器：用于根据所述SQL语句执行查询并返回结果。
本发明中，本系统部署在物理设备上，构建平台层对接收到的事务请求进行查询验证，返回验证结果，实现共识，以完成对设备上的数据库一致性变更；本系统作为一个节点与其他分布式子节点建立通信，具体的，本实施例中的接口模块采用Gossip通信协议与各分布式子节点任意互联。
如图2所示的，miner1到X都可以连接节点1，miner2到Y都可以连接节点2，等等，本质上每个miner(客户端)可以连接任意节点，节点间通讯使用Gossip协议。在各个节点之上构建一个平台层，平台层在每个节点上都有，里面包含上述几个模块。本实施例中，系统最上层人机交互是通过console这种命令行的形式来完成的，通过console的命令可以和各个系统模块交互、提交SQL查询和获得结果。
当任意节点进行数据库变更时(如向表中增加数据、删除数据或修改表结构等)，得到变更产生的SQL语句，生成事务请求发送到其他子节点进行区块链网络共识。
其中，本发明的数据库中，将元数据存储在对客户端不可见的一系列表中，防止被篡改：
信息表：保存有关当前块哈希和索引的信息，并包含有关最后处理的块的信息；
块表：保存链中所有块；
授权表：保存数据库权限信息；
数据库表：保存现有数据库列表。
一般的，创建数据库表的用户(即节点)拥有此表的增删改查权限，并可将这些权限授权给其他用户。
则，系统接口模块接收到的任意一个节点发送的签名的事务请求，是发送者的块签名信息，块签名是块版本、块索引、块nonce、上一个块哈希、miner公钥、块时间戳以及有效负载数据的SHA-256哈希。其中有效载荷数据构造跟当前块是否是第一个块有关，如果是第一个块，则用于块签名的有效负载数据是编码为UTF-8的种子字符串；如果是其他后续的块，则用于块签名的有效负载数据是事务签名的串联；事务签名是使用调用程序的私钥对数据库名称、事务计数器以及事务语句(SQL语句)的签名。
而所述事务包含数据库名称、事务计数器和SQL语句，该签名基于数据库名称、事务计数器(counter)和SQL语句，以特定方式序列化。本实施例中，事务可以以多种不同的格式存储和传输，为了验证事务的签名，将从数据中重构要签名的数据，然后根据该数据验证签名。
系统对接收到的签名的事务请求进行解密，还原事务请求的明文。对事务请求中包含的节点信息进行权限验证，确认请求中的节点具有对该源数据库发生变更的权限。权限的验证通过遍历上述元数据的表，包括信息表、块表、授权表和数据库表等，确认请求中块(节点)对数据库的权限。
权限审核通过后，通过SQL解析器对事务请求进行分解获得源数据库变更的SQL语句。执行策略管理器根据预设的执行策略将所述SQL语句分配给任务管理器上，任务管理器根据所述SQL语句执行数据库查询并返回查询结果。
通过共识的事务请求，提交到数据库完成数据库变更。
进一步的，本系统还包括事务管理器；用于负责保证数据一致性和事务生命周期管理，包括但不限于时间戳管理、事务提交、回滚、日志等。
本实施例中，给数据库所述事务加上时间戳，当一个节点接收到一个有效的块签名数据时，它会将其附加到一个队列中。当队列超出预设大小时，队列中最旧的块将保留在磁盘上。当链需要拼接并且拼接发生在队列内部时，系统可以有效地执行此拼接。如果拼接发生在早于队列中最旧块的块上，则系统需要将从块0(即第一个块)到拼接点(当前块)的完整事务集重放。所有SQL语句的读取查询都在事务中执行，这是在查询之前启动的事务，其中已执行排队的块事务，查询完成后，事务将自动回滚，这样队列块中的更改不会持久化到磁盘，避免不断新增的数据占用磁盘空间。
进一步的本系统还包括数据溯源审计管理器，用于负责生成和展示不可篡改的数据溯源与操作log记录和展示。
完成数据变更的数据库，通过所述数据溯源审计管理器可对数据库表中的某些字段的增删改记录进行追踪溯源，且对数据库表的指定条目特定字段进行追根溯源，将所有影响了指定条目特定字段的数据库表操作都记录下来，展示给用户查看。
资源管理器：用于根据数据库表管理所有参与分布式关系型数据库管理系统的节点信息。
本发明分布式关系型数据库管理系统能够实现在完全去中心化的、广泛存在不信任彼此的节点之间实现分布式事务，基于区块链的共识制约特点，防止数据库表被随意篡改，实现高可信的分布式数据库一致性实时更新。
本发明系统用于实施上述实施例1中的方法，其模块用于执行的对应步骤的原理，可参考上述实施例1中的描述，不再赘述。
本发明的实现和本文中提供的所有功能操作可以用数字电子电路、或者用计算机软件、固件或硬件，包括本说明书及其结构等同方案中所公开的结构、或者其中的一个或多个的组合来实现。本公开的实现可以实现为一个或多个计算机程序产品，即在计算机可读介质上编码的计算机程序指令的一个或多个模块，这些指令由数据处理装置来执行或者用以控制数据处理装置的操作。该计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基片、存储器设备、影响机器可读传播信号的组合物或者其中的一个或多个的组合。且上述术语“数据处理装置”涵盖用于处理数据的所有装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机或者多个处理器或计算机。除了硬件之外，该装置可以包括为所描述的计算机程序创建执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或者其中的一个或多个的组合的代码。
计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以包括作为独立程序或者作为模块、部件、子例程或者适合在计算环境中使用的其他单元。计算机程序并非必须对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保持其他程序或数据(例如标记语言文档中所存储的一个或多个脚本)的文件的部分中，存储在专用于所描述的程序的单个文件中，或者存储在多个协同文件(例如存储一个或多个模块、子程序或者代码的部分的文件)中。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法，其特征在于，包括建立关于块的元数据存储列表；
基于数据库发生变更时的SQL语句发起事务请求，发送到各分布式子节点，并由各个子节点参与执行和验证SQL语句查询的结果，以根据所述SQL语句执行当前节点的数据变更。
2.根据权利要求1所述的基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法，其特征在于，所述建立关于块的元数据存储列表包括：
信息表：保存有关当前块哈希和索引的信息，包含最后处理的块的信息；
块表：保存链中所有块；
授权表：保存数据库权限信息；
数据库表：保存现有数据库列表。
3.根据权利要求2所述的基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法，其特征在于，所述基于数据库发生变更时的SQL语句发起事务请求，中
事务请求为发送节点的块签名信息，块签名是块版本、块索引、块nonce、上一个块哈希、miner公钥、块时间戳以及有效负载数据的SHA-256哈希。
4.根据权利要求3所述的基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法，其特征在于，所述有效载荷数据构造跟当前块是否是第一个块有关，如果是第一个块，则用于块签名的有效负载数据是编码为UTF-8的种子字符串；如果是其他后续的块，则用于块签名的有效负载数据是事务签名的串联；事务签名是使用调用程序的私钥对数据库名称、事务计数器以及SQL语句的签名。
5.根据权利要求4所述的基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法，其特征在于，所述事务签名包含数据库名称、事务计数器和SQL语句，该签名是基于数据库名称、事务计数器和SQL语句的序列化。
6.根据权利要求3所述的基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法，其特征在于，所述并由各个子节点参与执行和验证SQL语句查询的结果，以根据所述SQL语句执行当前节点的数据变更，包括：
任一子节点接收到一个事务请求时，进行解密，还原事务的密文，首先对事务请求进行权限审核，确认对该数据库发生变更的权限；然后进行解析获得原始所述SQL语句，根据系统响应的执行策略执行SQL查询并返回结果；
通过子节点共识的事务请求，可以根据所述SQL语句执行当前节点的数据变更。
7.根据权利要求6所述的基于区块链的分布式关系型数据库的管理方法，其特征在于，数据库所述事务附加时间戳；
当一个节点接收到一个有效的块时，将其附加到一个队列中；当队列超出预设大小时，队列中最旧的块将保留在磁盘上；
当区块链链需要拼接并且拼接发生在队列内部时，如果拼接发生在早于队列中最旧块的块中，则将从块0到拼接点的完整事务集重放；
其中已执行排队的块事务，查询完成后，事务将自动回滚。
8.一种实施权利要求1-7任一项所述方法的管理系统，其特征在于，包括接口模块：用于提供标准的通信接口，获取签名的事务请求以进行解密；
权限管理器：用于对事务请求中包含的节点信息进行权限验证；
SQL解析器：用于对事务请求进行分解获得源数据库变更的SQL语句；
执行策略管理器：用于根据预设的执行策略将所述SQL语句分配给任务管理器；
任务管理器：用于根据所述SQL语句执行查询并返回结果。
9.根据权利要求8所述的管理系统，其特征在于，还包括
包括事务管理器；用于负责保证数据一致性和事务生命周期管理；
数据溯源审计管理器，用于负责生成和展示不可篡改的数据溯源与操作log记录和展示；
资源管理器：用于根据数据库表管理所有参与分布式关系型数据库管理系统的节点信息。
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