CN112365247A - 基于余数系统与raft算法的区块链存储优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字通信、区块链技术领域，为实现区块链数据的快速更新，简单高效地大幅度减少区块链存储数据量，本发明，基于余数系统与RAFT算法的区块链存储优化方法，步骤如下：选取位宽为b的n个余数基；利用余数系统并行计算的特点，各节点只需并行更新本地余数即完成数据的更新；基于扩展的中国剩余定理CRT II和共识算法Raft的混合检错纠错；在恢复数据的过程中，通过使用基于CRT II和Raft算法的混合检错纠错方案，将整个余数系统分成了多个二基余数系统，将Raft算法确定的两个余数加在余数系统中作为冗余基，根据溢出判定定理判断是否存在恶意数据。本发明主要应用于区块链场合。

Description

基于余数系统与RAFT算法的区块链存储优化方法

技术领域

本发明属于数字通信、区块链技术领域，涉及基于余数系统与RAFT算法的区块链存储优化方法。

背景技术

自从2008年比特币的出现，区块链技术开始进入人们的视野,并引起了极大的关注。从狭义上讲,区块链是一种时序数据区块，相互连接组成一种链式结构,用密码学方式来确保分布式账本的不可篡改和不可伪造。从广义上讲,区块链技术是利用块链式数据结构验证与存储数据、利用分布式节点共识算法生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约编程和操作数据的一种全新分布式基础架构与计算范式。区块链技术具有去中心化、去信任化、可追溯、不可篡改、可编程和集体维护等特性。区块链技术在金融、医疗、教育、食品溯源等领域得到广泛的关注和应用。

目前，区块链最大的问题之一是节点存储量过大。截至2018年末，以太坊区块链数据规模超过110GB，比特币数据规模超过190GB。存储问题成为制约区块链发展的关键瓶颈。现在区块链学者提出了不少解决区块链存储问题的方法。

区块链存储容量可扩展模型中是由东北大学贾大宇等人提出的区块链的存储容量可扩展模型，在该模型中利用分布式存储方法提出了一种数据副本分配策略，将一条完整的区块链分成若干部分，分布存储在系统中，如图1所示。模型中节点有三种角色，每个节点可以同时拥有两种或是三种身份：用户节点、存储节点和验证节点。论文中建立了两条新的区块链，分别为P(Position)链和POR(Proofs of Reliability)链。P链保存在用户节点中，记录数据各个副本被保存在存储节点的位置。POR链保存在验证节点中，记录各个存储节点的可靠性评价。在数据存储时，模型先对区块进行加密，根据每个区块的时效性计算出需要保存的副本数，而后访问验证节点，依据验证节点提供的存储节点可靠性信息，选取合适的存储节点存储区块数据，最后将存储节点位置信息返回给用户节点，保存在P链中。数据读取时与数据存储过程相反，用户节点访问本地存储的P链，找到目标区块的存储节点位置，存储节点将保存的数据返回给用户节点，最后解密数据，得到原始数据。这种模型虽然一定程度上减少区块链存储容量，但是导致大部分数据集中存储在某些节点，弱化了区块链的去中心化特点。

迷你区块链是由三个核心组件构成的总称，核心组件包括有迷你区块链、账户树、证明链。迷你区块链通过三个核心组件构建了一条丢弃了旧交易信息的区块链，并使用账户树总结所有地址的余额信息，保证资产所有权。在迷你区块链中，将所有非空地址的余额存储在被称为“账户树”的结构中，交易就不需要历史交易信息。当交易时，账户的输入输出都不指向其余交易，而且指向账户树的地址。但是迷你区块链也并不存储完整的区块链数据，仅能将交易信息追溯到已存的完整区块部分。对于旧交易信息的验证，迷你区块链无法验证其真实性。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在实现区块链数据的快速更新，简单高效地大幅度减少区块链存储数据量。为此，本发明采取的技术方案是，基于余数系统与RAFT算法的区块链存储优化方法，步骤如下：

1)选取位宽为b的n个余数基，对账户数据进行取余操作，得到的余数位宽不超过b，记n个余数基为Q＝{m₁,m₂,…,m_n}，区块链中每个节点从Q中随机选择一个模数存储在本地，则每个节点存储一个模数与其对应的余数；

2)记账户数据的改变量为ΔX，利用余数系统并行计算的特点，各节点只需并行更新本地余数即完成数据的更新；

3)基于扩展的中国剩余定理CRT II和共识算法Raft的混合检错纠错，对于保存

的节点使用Raft算法来维持

与

的数据一致性，对于保存其余模数的节点则通过CRT II进行检纠错；

4)在恢复数据的过程中，通过使用基于CRT II和Raft算法的混合检错纠错方案，将整个余数系统分成了多个二基余数系统，将Raft算法确定的两个余数加在余数系统中作为冗余基，根据溢出判定定理判断是否存在恶意数据，若是有则找到具体的恶意数据，将恶意数据替换，直至找到正确数据。

基于CRT II和Raft算法的混合检错纠错详细步骤如下：

当余数基的个数大于2时，则将余数基一分为二，依次类推直至余数基不可分，在基于CRT II进行数据恢复的过程中，若是有恶意数据则寻找恶意数据，并将恶意数据替换成正确数据，直至系统中17个数据都是正确数据，再恢复原始数据，整个余数系统分为8个二基余数系统，记为P₂＝{m_i,m_j}，一个单独的余数基记为m_a。根据raft算法确定m₁,m₂为正确数据；

对二基余数系统添加冗余基{m₁,m₂}变成一个四基的冗余余数系统，P₄＝{m_i,m_j,m₁,m₂}，其中{m_i,m_j}作为信息基，{m₁,m₂}作为冗余基，根据溢出判定定理判断在P₄中是否有恶意节点提供的数据，在P₄＝{m_i，m_j，m₁,m₂}中，记恢复的数据为X_r，动态范围为M_r＝m_im_j，若X_r>M_r，则判定这组数据中含有恶意节点提供的数据；

当P_r＝{m_i,m_j}中含有恶意节点提供的数据的时候，先判断m_i是否为恶意节点提供的数据，将m_i与{m_c1,mc2}组成一个冗余余数系统Zdi＝{m_i,m₁,m₂}，{m_i}作为信息基，{m₁,m₂}作为冗余基，记恢复的数据为

动态范围为

若

则判定m_i为恶意节点提供的数据，用同样的方法判断m_j是否为恶意节点提供的数据；若

则说明m_i是正确节点提供的数据，m_j一定为恶意节点提供的数据，将判定为恶意节点提供的数据在区块链中寻找新的替换数据，即重新接收余数基相同而余数不相同的数据，按照上述办法判断新的节点提供的数据是否正确，直至找到一个正确的数据。

本发明的特点及有益效果是：

本发明在基于余数系统和raft算法的区块链存储优化模型的基础上，结合中国剩余定理和冗余余数系统，面对恶意节点作恶场景时有效的容错机制，能够有效的找到恶意节点，并且在恶意节点不超过30％的情况下，能极大概率下恢复正确数据。

附图说明：

图1基于余数系统的区块链存储模型。

图2新区块链系统工作流程图。

图3区块链子网划分。

图4区块链恢复数据图。

图5不同恶意节点比例。

图6单个节点不同恶意节点比列纠错成功率。

具体实施方式

本发明涉及将区块链账户数据作为研究对象，提出一种基于余数系统的存储优化模型，实现了账户数据存储量的大幅度压缩；另外，使用扩展的中国剩余定理CRT II和RAFT算法恢复数据，该方法对数据有较好的检错纠错能力。

区块链账户数据有256位位宽，根据余数系统对区块链的账户数据进行压缩，同时充分利用RNS线性运算时独立并行的特点，实现区块链数据的快速更新。使用Raft算法确定两个可信的余数，通过扩展的中国剩余定理恢复数据，在不损害区块链去中心特点的的前提下，可以简单高效地大幅度减少区块链存储数据量。

本发明具体步骤如下：

1)选取位宽为b的n个余数基，对账户数据进行取余操作，得到的余数位宽不超过b。记n个余数基为Q＝{m₁,m₂,…,m_n}，区块链中每个节点从Q中随机选择一个模数存储在本地，则每个节点存储一个模数与其对应的余数。

2)记账户数据的改变量为ΔX，利用余数系统并行计算的特点，各节点只需并行更新本地余数即可完成数据的更新，不需要先恢复出原始值再运算，极大地节省了运算量。

3)基于CRT II和Raft算法的混合检错纠错方案中，对于保存

的节点使用Raft算法来维持

与

的数据一致性，对于保存其余模数的节点则通过CRT II进行检纠错。

4)在恢复数据的过程中，通过使用基于CRT II和共识算法Raft算法的混合检错纠错方案，将整个余数系统分成了多个二基余数系统，将Raft算法确定的两个余数加在余数系统中作为冗余基，根据溢出判定定理判断是否存在恶意数据，若是有则找到具体的恶意数据，

将恶意数据替换，直至找到正确数据。

下面结合附图和具体实例进一步详细说明本发明。

步骤1：选定参数

区块链中账户数据的位宽一般为256位。本发明选定一组17个位宽为16的余数基m₁～m₁₇进行数据压缩操作。m₁～m₁₇显示如下：

步骤2：构建基于RRNS的区块链存储优化模型

1)各节点从m₁～m₁₇中独立随机地选择本地模数m_i。各节点模数一旦确定，就不可更改；

2)各个节点处，账户信息并行对节点选择的m_i执行求模运算，余数分布式地存储在各个节点上，从而在区块链网络建立余数系统；

步骤3：基于CRT II和Raft算法恢复数据

扩展的中国剩余定理CRT II恢复数据有自身的特殊性，当余数基的个数大于2时，则将余数基一分为二，依次类推直至余数基不可分。本专利检纠错方案中心思想是在基于CRT II进行数据恢复的过程中，若是有恶意数据则寻找恶意数据，并将恶意数据替换成正确数据，直至系统中17个数据都是正确数据，再恢复原始数据。整个余数系统分为8个二基余数系统，记为P₂＝{m_i,m_j}，一个单独的余数基记为m_a。根据raft算法确定m₁,m₂为正确数据。

对二基余数系统添加冗余基{m₁,m₂}变成一个四基的冗余余数系统，P₄＝{m_i,m_j,m₁,m₂}，其中{m_i,m_j}作为信息基，{m₁,m₂}作为冗余基。可以根据溢出判定定理判断在P₄中是否有恶意节点提供的数据。在P₄＝{m_i，m_j，m₁,m₂}中，记恢复的数据为X_r，动态范围为M_r＝m_im_j，若X_r>M_r，则判定这组数据中含有恶意节点提供的数据。

当P_r＝{m_i,m_j}中含有恶意节点提供的数据的时候，先判断m_i是否为恶意节点提供的数据。将m_i与

组成一个冗余余数系统Z_di＝{m_i,m₁,m₂}，{m_i}作为信息基，{m₁,m₂}作为冗余基，记恢复的数据为

动态范围为

若X_di>M_di，则判定m_i为恶意节点提供的数据，用同样的方法判断m_j是否为恶意节点提供的数据；若

则说明m_i是正确节点提供的数据，m_j一定为恶意节点提供的数据。将判定为恶意节点提供的数据在区块链中寻找新的替换数据，即重新接收余数基相同而余数不相同的数据，按照上述办法判断新的节点提供的数据是否正确，直至找到一个正确的数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于余数系统与RAFT算法的区块链存储优化方法，其特征是，步骤如下：

1)选取位宽为b的n个余数基，对账户数据进行取余操作，得到的余数位宽不超过b，记n个余数基为Q＝{m₁,m₂,…,m_n}，区块链中每个节点从Q中随机选择一个模数存储在本地，则每个节点存储一个模数与其对应的余数；

2)记账户数据的改变量为ΔX，利用余数系统并行计算的特点，各节点只需并行更新本地余数即完成数据的更新；

3)基于扩展的中国剩余定理CRT II和共识算法Raft的混合检错纠错，对于保存

的节点使用Raft算法来维持

与

的数据一致性，对于保存其余模数的节点则通过CRT II进行检纠错；

4)在恢复数据的过程中，通过使用基于CRT II和Raft算法的混合检错纠错方案，将整个余数系统分成了多个二基余数系统，将Raft算法确定的两个余数加在余数系统中作为冗余基，根据溢出判定定理判断是否存在恶意数据，若是有则找到具体的恶意数据，将恶意数据替换，直至找到正确数据。

2.如权利要求1所述的基于余数系统与RAFT算法的区块链存储优化方法，其特征是，基于CRT II和Raft算法的混合检错纠错详细步骤如下：

当余数基的个数大于2时，则将余数基一分为二，依次类推直至余数基不可分，在基于CRT II进行数据恢复的过程中，若是有恶意数据则寻找恶意数据，并将恶意数据替换成正确数据，直至系统中17个数据都是正确数据，再恢复原始数据，整个余数系统分为8个二基余数系统，记为P₂＝{m_i,m_j}，一个单独的余数基记为m_a。根据raft算法确定m₁,m₂为正确数据；

对二基余数系统添加冗余基{m₁,m₂}变成一个四基的冗余余数系统，P₄＝{m_i,m_j,m₁,m₂}，其中{m_i,m_j}作为信息基，{m₁,m₂}作为冗余基，根据溢出判定定理判断在P₄中是否有恶意节点提供的数据，在P₄＝{m_i，m_j，m₁,m₂}中，记恢复的数据为X_r，动态范围为M_r＝m_im_j，若X_r>M_r，则判定这组数据中含有恶意节点提供的数据；

当P_r＝{m_i,m_j}中含有恶意节点提供的数据的时候，先判断m_i是否为恶意节点提供的数据，将m_i与

组成一个冗余余数系统

{m_i}作为信息基，{m₁,m₂}作为冗余基，记恢复的数据为

动态范围为

若

则判定m_i为恶意节点提供的数据，用同样的方法判断m_j是否为恶意节点提供的数据；若

则说明m_i是正确节点提供的数据，m_j一定为恶意节点提供的数据，将判定为恶意节点提供的数据在区块链中寻找新的替换数据，即重新接收余数基相同而余数不相同的数据，按照上述办法判断新的节点提供的数据是否正确，直至找到一个正确的数据。

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