CN111770149A - 基于分布式存储的新型联盟链 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于分布式存储的新型联盟链，属于区块链技术领域。它解决了现有技术设计存在随着区块链数据的增大必须对各自节点的硬盘空间进行扩容的问题。本基于分布式存储的新型联盟链，包括运行在底层的区块链平台的各共识节点，每个共识节点上设有包括下述的模块：节点映射模块，用于按照联盟链内各共识节点的地址，将各共识节点映射到哈希环上；区块映射模块，用于按照区块的高度等。本基于分布式存储的新型联盟链的优点在于：引入哈希环，实现在联盟链上的区块数据不是在每个共识节点都存储，而只需存储在一个共识节点上就可以了，不仅减少区块数据对存储空间的要求，同时也减少了为传输区块数据所消耗的网络资源。

Description

基于分布式存储的新型联盟链
技术领域
本发明属于区块链技术领域，尤其是涉及一种基于分布式存储的新型联盟链。
背景技术
区块链是一种新型去中心化分布式账本技术，能安全地存储交易或其他数据，特点是存储在区块链上的信息不可伪造和篡改，区块链共识算法驱动区块链上的每个节点都参与到交易的验证过程中，保证区块链上交易都是经过确认可信的，区块链上每个节点都维护一个公共的账本，任何一个节点对自己所维护的账本的修改都将不被其他节点所承认，从而保证公共账本不可被伪造和篡改。
按开放程度，可将区块链划分为公有链、联盟链、私有链，具体地，这里的公有链系统最为开放，任何人都可以参与区块链数据的维护和读取，容易部署应用程序，完全去中心化不受任何机构控制；这里的联盟链是需要注册许可才能访问的区块链，从使用对象来看，联盟链仅限于联盟成员参与，联盟链往往采取指定节点计算的方式，且记账节点数量相对较少；这里的私有链最为封闭，仅限于企业、国家机构或者单独个体内部使用。
由于联盟链的开放程度介于公有链和私有链之间，其既具有分布式账本的功能同时安全性又相对于公有链要高，因此备受更多地用户的欢迎。
目前联盟链的底层账本存储，采用的是每个节点都存放一份相同的账本，而账本大小受限于单个节点设备的硬盘空间，随着账本大小不断增长，现有的解决方法，只能通过对单个节点设备的硬盘扩容来实现,由于每个节点设备的硬盘可扩容空间毕竟有限,因此不能不能从根本上来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决上述问题的基于分布式存储的新型联盟链。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本发明的基于分布式存储的新型联盟链，包括运行在底层的区块链平台的各共识节点，其特征在于，每个共识节点上设有包括下述的模块：
节点映射模块，用于按照联盟链内各共识节点的地址，将各共识节点映射到哈希环上；
区块映射模块，用于按照区块的高度，将该区块映射到哈希环上；
区块数据存储节点查找模块，用于查找该映射在哈希环上的区块所应对应的一个共识节点；
区块数据存储模块，基于各共识节点的共识将该区块存储到通过区块数据存储节点查找模块查找到的一个共识节点上。
在上述的基于分布式存储的新型联盟链中，节点映射模块中在将共识节点映射到哈希环上之前，需先获取该共识节点的地址的哈希值，然后将该共识节点的地址的哈希值映射到哈希环上。
在上述的基于分布式存储的新型联盟链中，区块映射模块中在将区块的高度映射到哈希环上之前，需先获取该区块的高度的哈希值，然后将该区块的高度的哈希值映射到哈希环上。
在上述的基于分布式存储的新型联盟链中，连接各共识节点的网络为同步网络，共识的实现是基于Raft共识算法。
在上述的基于分布式存储的新型联盟链中，节点的地址是指网络IP地址。
在上述的基于分布式存储的新型联盟链中，区块数据中的区块头中除了包括前序区块的哈希值外，还包括前序区块所在的共识节点的地址的哈希值。
在上述的基于分布式存储的新型联盟链中，每个共识节点上还设有虚拟节点映射模块，用于给各共识节点各增设相同数量的虚拟节点，按照虚拟节点的地址，将各虚拟节点映射到哈希环上，当本系统中的共识节点数量小于设定最小节点数量时，系统自动调用本模块。
在上述的基于分布式存储的新型联盟链中，与相同的共识节点对应的虚拟节点在哈希环上的位置在哈希环上该相同的共识节点至沿顺时针方向的与其相邻的另一个共识节点之间，且呈间隔均匀设置。
在上述的基于分布式存储的新型联盟链中，哈希环上各共识节点呈间隔基本相同设置。
与现有技术相比，本基于分布式存储的新型联盟链的优点在于：
1、引入哈希环，实现在联盟链上的区块数据不是在每个共识节点都存储，而只需存储在一个共识节点上就可以了，不仅减少区块数据对存储空间的要求，同时也减少了为传输区块数据所消耗的网络资源；
2、引入虚拟节点的目的就是为了解决数据分配不均衡的问题，因为在将实际的物理机器映射到环上时，有可能大部分机器都映射到环上的某一个部分(比如左半圆上)，而通过引入虚拟机器节点，在进行机器hash映射时，不是映射具体机器，而是映射虚拟机器，并保证虚拟机器对应的物理机器是均衡的---每台实际的机器对应着相等数目的虚拟节点(Virtual nodes)；
3、共识节点以及虚拟节点在哈希环上的间隔进步均匀的设置，进一步提高数据负载的均衡性，即尽量使每一个共识节点上存储的区块数据的数量不要相差太大，否则不仅易造成对该节点调用次数的增多，而且由于该节点的数据量大，造成数据传输量的要求增大，从而增大了网络负担。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1提供了本发明实施例的系统架构示意图。
图2提供了本发明实施例中的共识节点、虚拟节点、一个待存储的区块在哈希环上的原理图。
具体实施方式
对本发明实施例进行进一步详细说明之前，对本发明实施例中涉及的名词和术语进行说明，本发明实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。
1、交易(Transaction)，等同于计算机术语“事物”，包括三种不同的交易类型：部署(Deploy)，调用(Invoke)和查询(Query)。部署交易用于向区块链网络的节点安装指定的链码，调用和查询类型的交易用于调用部署号的链码，以实现对账本中的目标账户的相关数据的操作，包括增、删、查、改的操作修改账户中的键值(Key-Value)对形式的数据，或者在账本中增加新的账户，并非单指商业语境中的交易，鉴于在区块链技术中约定俗成地使用了“交易”这一术语，本发明实施例遵循了这一习惯。
2、区块(Block)，记录一段时间内交易所更新的账本数据的数据结构，被标记上时间戳和之前一个区块的独特标记(例如数字指纹)，区块经过区块链网络中节点的共识验证后，会被追加到区块链的末尾成为新区块。
3、区块链(Blockchain)，区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，在每个区块中引用前一个区块或者其子集的哈希值，从而以密码学的方式保证所记录交易的不可篡改和不可伪造。
4、区块链网络，通过共识的方式将新区块纳入区块链的一系列的、无中心的节点的集合。
5、账本(Ledger)，区块链网络中以账户为维度所记录的数据的总和，包括账本数据、账本状态、账本状态证明和区块索引等元素。
6、账本数据，实际区块数据存储，即区块链中记录的一系列有序的、不可篡改的交易的记录，可以表现为文件系统的文件的形式，交易中调用的智能合约被执行时，实现对账户/账户中数据的更新。
7、共识(Consensus)，是区块链网络中的一个过程，用于在涉及的多个节点之间对交易结果达成一致，实现共识的机制包括工作量证明(PoW)、权益证明(PoS，Proof ofStake)、股份授权证明(DPoS，Delegated Proof-of-Stake)、消逝时间量证明(PoET，Proofof Elapsed Time)等。
8、智能合约(Smart Contracts)，建成合约，也称为链码(Chaincode)，部署在区块链网络中的根据条件而触发执行的程序，链码运行在一个安全的容器中，来初始化和管理账本数据和账本状态。
9、哈希环，又称一致性哈希环，在1997年由麻省理工学院提出，是一种特殊的哈希算法，目的是解决分布式缓存的问题，在移除或者添加一个服务器时，能够尽可能小地改变已存在的服务请求与处理请求服务器之间的映射关系，一致性哈希解决了简单哈希算法在分布式哈希表(Distributed Hash Table，DHT)中存在的动态伸缩等问题。
10、Raft算法是一种共识算法，旨在替代Paxos，它通过逻辑分离比Paxos更容易理解，但它也被正式证明是安全的，并提供了一些额外的功能，Raft提供了一种在计算系统集群中分布状态机的通用方法，确保集群中的每个节点都同意一系列相同的状态转换。
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1
如图1所示，本基于分布式存储的新型联盟链，包括运行在底层的区块链平台的各共识节点，每个共识节点上安装有节点映射模块、区块映射模块、区块数据存储节点查找模块和区块数据存储模块。
各模块的具体介绍如下。
节点映射模块，用于按照联盟链内各共识节点的地址，如图2所示，将各共识节点映射到哈希环上。
具体地，节点映射模块中在将共识节点映射到哈希环上之前，需先获取该共识节点的地址的哈希值，然后将该共识节点的地址的哈希值映射到哈希环上。
另外通常上述的共识节点的地址可以是指网络IP地址，当然也可以是MAC地址，或者是选用其它能标识节点唯一性的其它地址，当然也可以不采用地址的方法，而采用编号的办法，如图2所示，给每个共识节点编一个唯一的编号。
区块映射模块，用于按照区块的高度，将该区块映射到哈希环上。
这里的区块高度指的是区块的编号，换句话说，就是一个区块与创世区块之间的块数。创世区块，顾名思义，就是一条区块链上的第一个区块，要注意的是，创世区块的区块高度是0，而不是1，我们查询某个区块信息的时候，除了通过它的哈希，还可以通过它的区块高度进行查询，以比特币为例，我们通过BTC区块浏览器btc.tokenview.com，搜索0即可查询到比特币创世区块的信息。
具体地，区块映射模块中在将区块的高度映射到哈希环上之前，需先获取该区块的高度的哈希值，然后将该区块的高度的哈希值映射到哈希环上。
区块数据存储节点查找模块，用于查找该映射在哈希环上的区块所应对应的一个共识节点。
具体地，自该区块位于该哈希环上的位置起，沿顺时针方向寻找一个与其最靠近的位于该哈希环上的共识节点。
区块数据存储模块，如图2所示，基于各共识节点的共识将该区块存储到通过区块数据存储节点查找模块查找到的一个共识节点上。
需要说明的是，通常的区块数据包括长度固定的区块头和长度可变的用于存储交易记录的区块体，为了能更方便找到本区块链中的一个区块的前序区块，除了同现有的区块中的区块头结构一样外(即在区块头中存储有前序区块的哈希值)，作为优选，还可在区块头中存储共识节点的地址或者其的哈希值，。
作为优选，连接各共识节点的网络为同步网络，共识的实现是基于Raft共识算法，这是由于对于整个区块链账本来说，因每个存储节点上保存的区块数据都不是完整的，所以单独的一个节点是无法创建正确的世界状态的，所以需要各个存储节点构成一个同步网络，互相去同步世界状态，另外通过Raft共识算法的日志复制实现世界状态的同步。
另外，更进一步地优选，对于Raft算法的选主模式需要进行针对性的修改，即在存储了最新区块的节点中“选主”，其他节点“做从”来同步，另外，每当存储最新区块后，都要重新“选主”。
另外由于本系统中的每个节点不是存储完整的区块链数据，为此当用户想要访区块链中具体区块中的交易数据时，需知道该笔交易被包含在哪个区块内以及该区块存储在哪个节点上，这些映射关系称为“元数据”，为保证每个节点都能维护一份“元数据”，将其写入世界状态，以便用户查询。
实施例2
本实施例与实施例1共同的不同之处在于：每个共识节点上还设有虚拟节点映射模块，用于给各共识节点各增设一定数量的虚拟节点，按照虚拟节点的地址，如图2所示，将各虚拟节点映射到哈希环上，当本系统中的共识节点数量小于设定最小节点数量时，系统自动调用本模块。
具体地，如最小节点数量为3时，此时各节点间的间隔距离较大，可以考虑在节点之间再增设一定数量的虚拟节点，这里的虚拟节点都各自属于一个共识节点，这样通过增加在哈希环上的节点的数量来使位于各个节点之间的区块的数量能达到尽可能的均衡些。
作为优选，各相邻共识节点之间的虚拟节点的数量可根据该相邻共识节点之间的间隔大小来确定，即间隔大时虚拟节点的数量相对大，间隔小时虚拟节点的数量相对小。
进一步，作为优选，与相同的共识节点对应的虚拟节点在哈希环上的位置在哈希环上该相同的共识节点至沿顺时针方向的与其相邻的另一个共识节点之间，且呈间隔均匀设置。
优选地，哈希环上各共识节点呈间隔基本相同设置。
需要说明的是，要实现上述的共识节点呈间隔基本相同设置的目的，需要同时考虑哈希环所表示的最大值、共识节点的数量以及该共识节点与哈希环之间的映射关系，与此类似，要使相邻的共识节之间的虚拟节点保持间隔基本相同，需要同时考虑该相邻的共识节之间间隔值、该相邻的共识节点之间的虚拟节点的数量以及该虚拟节点与哈希环之间的映射关系。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种基于分布式存储的新型联盟链，包括运行在底层的区块链平台的各共识节点，其特征在于，每个共识节点上设有包括下述的模块：
节点映射模块，用于按照联盟链内各共识节点的地址，将各共识节点映射到哈希环上；
区块映射模块，用于按照区块的高度，将该区块映射到哈希环上；
区块数据存储节点查找模块，用于查找该映射在哈希环上的区块所应对应的一个共识节点；
区块数据存储模块，基于各共识节点的共识将该区块存储到通过区块数据存储节点查找模块查找到的一个共识节点上。
2.根据权利要求1所述的基于分布式存储的新型联盟链，其特征在于，节点映射模块中在将共识节点映射到哈希环上之前，需先获取该共识节点的地址的哈希值，然后将该共识节点的地址的哈希值映射到哈希环上。
3.根据权利要求1所述的基于分布式存储的新型联盟链，其特征在于，区块映射模块中在将区块的高度映射到哈希环上之前，需先获取该区块的高度的哈希值，然后将该区块的高度的哈希值映射到哈希环上。
4.根据权利要求1所述的基于分布式存储的新型联盟链，其特征在于，连接各共识节点的网络为同步网络，所述的共识的实现是基于Raft共识算法。
5.根据权利要求1所述的基于分布式存储的新型联盟链，其特征在于，所述的节点的地址是指网络IP地址。
6.根据权利要求1所述的基于分布式存储的新型联盟链，其特征在于，所述的区块数据中的区块头中除了包括前序区块的哈希值外，还包括前序区块所在的共识节点的地址的哈希值。
7.根据权利要求1所述的基于分布式存储的新型联盟链，其特征在于，每个共识节点上还设有虚拟节点映射模块，用于给各共识节点各增设相同数量的虚拟节点，按照虚拟节点的地址，将各虚拟节点映射到哈希环上，当本系统中的共识节点数量小于设定最小节点数量时，系统自动调用本模块。
8.根据权利要求1所述的基于分布式存储的新型联盟链，其特征在于，与相同的共识节点对应的虚拟节点在哈希环上的位置在哈希环上该相同的共识节点至沿顺时针方向的与其相邻的另一个共识节点之间，且呈间隔均匀设置。
9.根据权利要求1所述的基于分布式存储的新型联盟链，其特征在于，所述的哈希环上各共识节点呈间隔基本相同设置。
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