CN112235379A

CN112235379A - 一种区块链底层共享存储方法

Info

Publication number: CN112235379A
Application number: CN202011058125.1A
Authority: CN
Inventors: 夏琦
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2040-09-30
Also published as: CN112235379B

Abstract

本发明公开了一种区块链底层共享存储方法，涉及区块链技术领域。该方法针对联盟链中数据的存储和交换问题，利用共识算法、群签名算法、零知识证明方法等解决了大数据时代下联盟链中高TPS交易信息量导致的存储浪费问题，实现了数据的共享存储，系统成员按簇分类簇内成员集中管理具体的数据库，通过簇内共识选举的全节点与验证节点维护账本，借助共识达成区块上链，借助零知识证明可以实现账本未被篡改的验证，增强对账本的监管力度，防止数据库被篡改或毁坏。

Description

一种区块链底层共享存储方法

技术领域

本发明涉及区块链领域，具体涉及一种区块链底层共享存储方法。

背景技术

联盟链是由若干机构共同参与管理的区块链，链中节点(或机构)权限范围指定，共同记录所有的交易信息，并具有强身份认证、安全隐私、高性能、海量数据等主要技术特点，在区块链的实际应用中用处广泛。但是在联盟链中，因为参与方的多种多样，并且联盟链中的高TPS运作环境，需要记录很多内容，存储量很大，如果依旧依照传统区块链中每个节点都对区块进行存储，那么对于每个节点而言会有很大开销，也会造成不必要的存储浪费。

发明内容

本发明为了解决现有区块链系统中对于账本分布式账本副本存储出现的存储浪费的问题，将全体节点划分为多个节点簇，每个节点簇维护一个共同的账本，账本内容借助共识算法与零知识证明技术等进行更新与维护，确保内容的有效性。

本发明提出了一种区块链底层共享存储方法，该方法包括以下步骤：

S1)联盟链中由组织间的责任关系选取出一个排序节点；

S2)联盟链中的剩余节点按照组织关系进行分簇，每簇采用Tendermint共识算法选举出一个全节点，然后按照轮循方式选举出多个验证节点；

S3)一笔交易成功执行，交易信息广播到联盟链中；

S4)联盟链内采用PBFT共识算法对网络中的交易达成共识，共识通过后由全节点发送给排序节点进行打包上链；

S5)排序节点对收到的各簇交易信息去除冗余后进行打包成区块，并广播全网；

S6)各簇节点收到区块后将优先发送给全节点进行验证存储，而验证节点收到区块后将采用对区块连同一个随机数一起取两次哈希计算得到一个哈希值，将计算得到的哈希值和随机数进行保存以作后续验证；

S7)全节点收到区块后对区块作简单验证后进行存储，并将存储记录作为一条状态更新存储在本地；

S8)一轮交易成功上链；

本发明考虑了联盟链中数据的存储和交换问题，利用共识算法、群签名算法、零知识证明方法等解决了大数据时代下联盟链中高TPS交易信息量导致的存储浪费问题，实现了数据的共享存储，系统成员按簇分类簇内成员集中管理具体的数据库，通过簇内共识选举的全节点与验证节点维护账本，借助共识达成区块上链，借助零知识证明可以实现账本未被篡改的验证，增强对账本的监管力度，防止数据库被篡改或毁坏。

附图说明

图1为本发明选举全节点的流程图

图2为本发明选举验证节点的流程图

图3为本发明交易信息上链的流程图

图4为本发明验证节点的验证流程图

图5为本发明实施例示意图

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

1、系统节点分簇并选举全节点：

如图1所示，在一个联盟链系统中的所有节点按照组织关系(或随机分配)分为多个(≥3)节点簇。在每个节点簇中按照选举算法由所有的节点中选举出一名全节点，全节点为节点簇维护一个数据库，负责账本的记录、修改以及接受验证节点的挑战，这个数据库是该簇的共享存储。

2、选举生成验证节点

如图2所示，簇内节点按照选举算法选举出多名验证节点，验证节点负责记录上链区块的零知识证明，他们可以在某一轮向全节点存储的账本发起零知识证明的挑战，通过返回值判断账本是否被恶意篡改(区块被替换)，由此判断全节点是否是恶意节点或是已损坏节点。

3、交易信息的共识上链

如图3所示，联盟链网络中任何一笔交易都会由每个节点簇内的全节点广播到全网，在全网内达成共识以后，经由排序节点打包成区块，向全网广播，广播的区块一旦被一个簇内的节点收到，便优先发送给该簇的全节点，全节点对区块信息进简单验证通过后，将其存储在共享存储的账本中,其中，排序节点为区块链网络中用于打包交易信息的节点，一般预先已选定。

4、验证节点对全节点的挑战

如图4所示，验证节点可以随意选择在某一轮向全节点发起挑战，手握某个区块的零知识证明向全节点发送验证请求，全节点在对账本进行访问以后返回给验证节点一个返回值，验证节点通过比对返回值判断账本内容在该区块的存储上是否发生了改变，如果某个验证节点发现全节点挑战失败，则该验证节点向节点簇内广播一条等待群签名的消息，消息内包含发起群签名的验证节点标识、有问题的区块编号等信息，其他验证节点在获取到该条信息以后向全节点验证该区块，如果验证没能通过则在该信息内加上自己的签名并同样向簇内广播，由此循环，一旦验证失败的信息上的群签名人数超过阈值，则说明全节点的记录内容已不可信，在簇内通过选举算法重新选举出新的全节点，新的全节点通过与其他节点簇的全节点进行账本同步，拷贝账本存储在新的共享存储中；如果一定时间后群签名的人数仍未能到达阈值，则说明发起群签名的验证节点的验证有误，有概率该验证节点是恶意节点，则通过选举算法重新选出新的验证节点进行替换。

如此节点簇可以随时检验先前交易记录的合法性，防止全节点与验证节点被劫持或是恶意节点。

本发明实施例基于fabric联盟链进行方案描述。一笔交易从发起到上链的具体过程如图5所示：

S1:联盟链中由组织间的责任关系选取出一个排序节点；

S2:联盟链中的剩余节点按照组织关系进行分簇，每簇采用Tendermint共识算法选举出一个全节点，然后按照轮循方式选举出多个验证节点；

S3：一笔交易成功执行，交易信息广播到联盟链中；

S4：联盟链内采用PBFT共识算法对网络中的交易达成共识，共识通过后由全节点发送给排序节点进行打包上链；

S5:排序节点对收到的各簇交易信息去除冗余后进行打包成区块，并广播全网；

S6:各簇节点收到区块后将优先发送给全节点进行验证存储，而验证节点收到区块后将采用对区块连同一个随机数一起取两次哈希计算得到一个哈希值，将计算得到的哈希值和随机数进行保存以作后续验证；

S7:全节点收到区块后对区块作简单验证后进行存储，并将存储记录作为一条状态更新存储在本地；

S8:一轮交易成功上链。

交易上链后的某回合，验证节点向全节点发起挑战验证交易内容为被篡改的具体过程如下：

1)验证节点向全节点发起验证请求，验证请求包含区块高度、随机数和计算函数(取两次哈希)等；

2)全节点收到验证请求，按照计算函数将随机数连同存储的区块内容作计算将所得结果返回给验证节点；

3)验证节点比对存储的结果和返回结果是否一致，若一致则说明全节点处于正常工作状态，之前的交易内容记录未被篡改，反之则发送一条带有群签名的验证未通过的消息给其它验证节点；

4)其它验证节点收到后分别对全节点发起验证，若验证不通过则在接收到的消息上添上自己的群签名，并广播给其它验证节点；

5)当一个验证节点收到与预先设定不一致的返回哈希值后表明全节点出现异常，将触发规则选举出新的全节点，并同步其它簇的全节点拷贝一份共享数据库进行存储；

6)若验证节点在一定时限内未收到指定阈值数的签名信息则表明第一个验证节点出现误报，将对误报的验证节点进行行为记录存储在共享存储中，并轮循出新一个验证节点。

全节点共享存储的内容构成

1)联盟链中形成的分布式账本副本；

2)簇内各节点的行为记录、本地存储的状态更新。

消息协议格式

1、交易信息的格式：

Type JiaoYi struct{

Ver:当前联盟链遵循的交易协议版本号；

Type:消息类型；

From ID:交易发起方；

To ID:交易接收方；

Content:交易内容；

UTC:交易完成的时间戳；

Check:消息校验码，检验交易消息未被篡改；

}

2、验证请求字段内容格式：

Type YanZheng struct{

BlockHeight:区块高度，指定待验证的区块；

Nonce:随机数；

Hash2(Input,Nonce):计算函数，Input为全节点存储的整个区块内容，连同Nonce一起取两次哈希操作；

From:发起验证请求的节点地址；

To：全节点地址；

}

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合；本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种区块链底层共享存储方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1)联盟链中由组织间的责任关系选取出一个排序节点；

S2)联盟链中的剩余节点按照组织关系进行分簇，得到数量为大于或等于3个的节点簇，每个节点簇采用Tendermint共识算法选举出一个全节点，然后每个节点簇内按照轮循方式选举出多个验证节点；

S3)一笔交易成功执行，交易信息广播到联盟链中；

S8)一轮交易成功上链；

1)验证节点向全节点发起验证请求，验证请求包含区块高度、随机数和计算函数，其中，计算函数为取两次哈希；

2.根据权利要求1所述的区块链底层共享存储方法，其特征在于，全节点共享存储的内容构成包括：

1)联盟链中形成的分布式账本副本；

2)簇内各节点的行为记录、本地存储的状态更新。

3.根据权利要求2所述的区块链底层共享存储方法，其特征在于，所述步骤S2)中所述全节点为节点簇维护一个数据库，负责账本的记录、修改以及接受验证节点的挑战，这个数据库是该节点簇的共享存储。

4.根据权利要求3所述的区块链底层共享存储方法，其特征在于，所述步骤S2)中所述验证节点负责记录上链区块的零知识证明，验证节点在某一轮向全节点存储的账本发起零知识证明的挑战，通过返回值判断账本是否被恶意篡改，即区块是否被替换，由此判断全节点是否是恶意节点或是已损坏节点。