CN112800050A - 基于状态树的交易数据存储方法、系统、装置及p2p网络 - Google Patents

基于状态树的交易数据存储方法、系统、装置及p2p网络 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于状态树的交易数据存储方法，包括：于区块链节点的内存中，构建与某一区块的状态树对应的增量树，该增量树与该状态树具有相同的MPT数据结构；当发生交易状态改变时，将新增交易状态数据写入该增量树；当该增量树满时，以该增量树为中间树，并生成空的增量树继续进行新增交易数据写入操作，同时将该中间树并入该状态树，以更新该状态树。本发明通过减少维护最新的数据的树的大小，减少了树的深度，因此减少了任意键值写入时需要修改的节点数目以及最近写入的键值读取时需要读取的节点数目。

Description

基于状态树的交易数据存储方法、系统、装置及P2P网络
技术领域
本发明属于互联网技术领域，具体涉及一种区块链系统中交易状态数据的存储方法及系统。
背景技术
在区块链的重要应用平台——以太坊中，所有交易执行后的世界状态被表示为键值对。为了能够给轻节点提供证明，这些表示状态的键值对以状态树的方式存储在LeveIDB数据库中，状态树具有MPT数据结构(Merkle Patricia Trie)。随着交易数据量的增大，状态树的深度也随之增加，因此每次键值对的更新都会导致数据库里多个键的更新，从而使性能下降。
以MPT(Merkle Patricia Trie)树的数据结构存储世界状态并为轻节点提供证明在使用账户模型的区块链系统中是常见做法。MPT树是一种加密认证数据结构，融合了Merkle树和Trie树(前缀树)两种数据类型的优点。图1是现有技术的MPT状态树示意图。如图1所示，MPT树包括很多树节点，有4种类型，其中树节点A、E是分支节点，树节点B、D、F、G是叶节点，树节点C是扩展节点，还有一种空节点，简单的表示空图1中未显示。通常情况下，表示状态的所有键值对被存储在一整棵状态树中，状态树的每个树节点ID为将它子节点ID和它自己存的值编码之后哈希得到的哈希值。这样，状态树的任意键值的变化都会导致根节点的哈希值变化，因此根节点的哈希值确定了一个唯一的世界状态。
当已知某个世界状态对应的根节点的哈希值时，如果需要提供某个键值对在这个状态树里的证明，可以提供从根节点到该键对应的树节点这个路径上所有树节点的兄弟节点的哈希值。通过用这些兄弟节点的哈希值按上述算法重新计算从该树节点到根节点上所有树节点的哈希值，如果计算出的根节点的哈希值与已知的哈希值相同，则说明该键对应的值确实为给定的值。
随着世界状态里的键值对数量增加，状态树里的树节点数目也会增多，因此状态树的平均深度也会随之增加。读写一个键值对的需要的数据库读写次数与该键值对所在树节点的深度相同，因此在数据库性能成为瓶颈时，状态树的深度越深，区块链系统的性能就会越差，具体表现为吞吐量下降和延迟上升。
发明内容
为提升区块链系统的性能，本发明提出了一种交易数据存储方法，通过增加中间缓存树的方式，分别存储交易的历史数据与新增数据，从而提高区块链系统的吞吐量，并减小系统延迟。
具体来说，本发明的交易数据存储方法包括：于区块链节点的内存中，构建与某一区块的状态树对应的增量树，该增量树与该状态树具有相同的MPT数据结构；当发生交易状态改变时，将新增交易状态数据写入该增量树；当该增量树满时，以该增量树为中间树，并生成空的增量树继续进行新增交易数据写入操作，同时将该中间树并入该状态树，以更新该状态树。
本发明所述的交易数据存储方法，其中仅当需要该区块的当前世界状态时，获取当前该增量树的根哈希值delta hash、该中间树的根哈希值intermidiate hash及该状态树的根哈希值snapshot hash，以三元组(delta hash,intermidiate hash,snapshothash)为该当前世界状态。
本发明所述的交易数据存储方法，还包括：按当前的该增量树、该中间树和该状态树的顺序进行键值检索，并在检索到目标值后返回该目标值并结束该键值检索。
本发明所述的交易数据存储方法，其中将该中间树并入该状态树前，持久化存储该状态树为历史状态树。
本发明所述的交易数据存储方法，其中当该增量树触发替换阈值时，该增量树为满；其中，该触发替换阈值的行为包括该增量树的树节点数量大于第一替换阈值、该增量树的深度大于第二替换阈值、该增量树存储的交易数据涉及区块的数量大于第三替换阈值的其中之一。
本发明还提出一种基于状态树的交易数据存储系统，包括：状态树扩展模块，用于在区块链节点的内存中，构建与某一区块的状态树对应的增量树，该增量树与该状态树具有相同的MPT数据结构；状态树更新模块，用于更新该状态树；其中当发生交易状态改变时，将新增交易状态数据写入该增量树；当该增量树满时，以该增量树为中间树，并生成空的增量树继续进行新增交易数据写入操作，同时将该中间树并入该状态树，以更新该状态树。
本发明所述的交易数据存储系统，还包括：世界状态生成模块，用于仅当需要该区块的当前世界状态时，获取当前该增量树的根哈希值delta hash、该中间树的根哈希值intermidiate hash及该状态树的根哈希值snapshot hash，以三元组(deltahash,intermidiate hash,snapshot hash)为该当前世界状态。
本发明所述的交易数据存储系统，还包括：键值查询取模块，用于查询键值；其中，按当前的该增量树、该中间树和该状态树的顺序进行键值检索，并在检索到目标值后返回该目标值并结束该键值检索。
本发明所述的交易数据存储系统，其中该状态树更新模块还包括：历史数据存储模块，用于在将该中间树并入该状态树前，持久化存储该状态树为历史状态树。
本发明所述的交易数据存储系统，其中该状态树更新模块还包括：增量树满判定模块，用于当该增量树触发替换阈值时，该增量树为满；其中，该触发替换阈值的行为包括该增量树的树节点数量大于第一替换阈值、该增量树的深度大于第二替换阈值、该增量树存储的交易数据涉及区块的数量大于第三替换阈值的其中之一。
本发明还提出一种可读存储介质，存储有可执行指令，该可执行指令用于执行前述的基于状态树的交易数据存储方法。
本发明还提出一种数据处理终端，用于作为P2P网络的共识节点，接收、共识验证并存储该P2P网络中的区块，该数据处理终端包括：可读存储介质；处理器，该处理器调取并执行该可读存储介质中的可执行指令，以执行基于状态树的交易数据存储方法。
本发明还提出一种P2P网络，该P2P网络以前述的数据处理终端为共识节点。
本发明的交易数据存储方法，同时通过异步地合并新数据与历史数据，将被在一段时间内反复修改的键的更新操作进行合并，从而进一步地减少了数据库的操作次数，提升了区块链节点的运行效率。
本发明的交易数据存储方法，可以减少新增交易数据在MPT树中的存储深度，从而减少每次区块执行交易(commit)时需要读取或写入的节点数目，同时通过减少状态树的深度来减少每次读写键值时需要的数据库操作，从而提升系统吞吐量并降低延迟。
附图说明
图1是现有技术的MPT状态树示意图。
图2是本发明的交易数据存储方法流程图。
图3是本发明在交易状态更新时三棵树的状态变化示意图。
图4是本发明在新生成增量树时三棵树的状态变化示意图。
图5是本发明的数据处理装置示意图。
图6是本发明的P2P网络示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以太坊区块链系统中使用MPT数据结构，每个以太坊区块头包括一棵MPT数据结构的状态树，以太坊客户端可以通过状态树查询当前某个账户的余额和一个账户是否存在，以及某个合约进行的交易的输出是什么。可以看出，状态树存储了账户的状态数据，而状态数据是一种隐式数据，需要从实际的区块链数据中计算出来，交易包含决定新状态数据的所有字段，因此，状态树需要经常进行更新。
为提升区块链系统的性能，本发明提出了一种基于状态树的交易数据存储方法，包括：于区块链节点的内存中，构建与某一区块的状态树对应的增量树，该增量树与该状态树具有相同的MPT数据结构；当发生交易状态改变时，将新增交易状态数据写入该增量树；当该增量树满时，以该增量树为中间树，并生成空的增量树继续进行新增交易数据写入操作，同时将该中间树并入该状态树前，持久化存储该状态树为历史状态树，将该中间树并入该状态树，以更新该状态树。
其中，当需要该区块的当前世界状态时，才获取当前该增量树的根哈希值deltahash、该中间树的根哈希值intermidiate hash及该状态树的根哈希值snapshot hash，以三元组(delta hash,intermidiate hash,snapshot hash)为该当前世界状态；当进行键值检索时，按当前的该增量树、该中间树和该状态树的顺序进行键值检索，并在检索到目标值后返回该目标值并结束该键值检索。
当该增量树触发替换阈值时，该增量树为满；其中，该触发替换阈值的行为包括该增量树的树节点数量大于第一替换阈值、该增量树的深度大于第二替换阈值、该增量树存储的交易数据涉及区块的数量大于第三替换阈值的其中之一。
本发明还提出一种基于状态树的交易数据存储系统，包括：
状态树扩展模块，用于在区块链节点的内存中，构建与某一区块的状态树对应的增量树，该增量树与该状态树具有相同的MPT数据结构；
状态树更新模块，用于更新该状态树；其中当发生交易状态改变时，将新增交易状态数据写入该增量树；当该增量树满时，以该增量树为中间树，并生成空的增量树继续进行新增交易数据写入操作，同时将该中间树并入该状态树，以更新该状态树；
世界状态生成模块，用于仅当需要该区块的当前世界状态时，获取当前该增量树的根哈希值deltahash、该中间树的根哈希值intermidiate hash及该状态树的根哈希值snapshot hash，以三元组(delta hash,intermidiate hash,snapshot hash)为该当前世界状态。
键值查询取模块，用于查询键值；其中，按当前的该增量树、该中间树和该状态树的顺序进行键值检索，并在检索到目标值后返回该目标值并结束该键值检索。
该状态树更新模块还包括：历史数据存储模块，用于在将该中间树并入该状态树前，持久化存储该状态树为历史状态树。增量树满判定模块，用于当该增量树触发替换阈值时，该增量树为满；其中，该触发替换阈值的行为包括该增量树的树节点数量大于第一替换阈值、该增量树的深度大于第二替换阈值、该增量树存储的交易数据涉及区块的数量大于第三替换阈值的其中之一。
图2是本发明的交易数据存储方法流程图。如图2所示，具体来说，本发明的交易数据存储方法包括以下步骤：
步骤S1，于区块链节点的内存中，构建一棵空的增量树，该增量树与当前新增区块的状态树相对应；
实际上，本发明需要维护三棵MPT树：状态树snapshot，中间树intermidiatetree，以及增量树delta tree，每棵树都具有相同的MPT数据结构；其中增量树delta tree一直储存在内存里，中间树intermidiate tree生成后也将存储在内存里，而状态树snapshot则持久化在数据库里；
步骤S2，每当发生交易状态更新时，会有键值写入，与现有技术不同的是，本发明将新增交易状态数据的键值对写入增量树TN，N为正整数；
步骤S3，判断增量树是否触发替换阈值，若未触发，则认为当前的增量树未满，返回步骤S2继续进行新增键值对的写入，若已触发，则进入步骤S4；该触发替换阈值的行为包括该增量树的树节点数量大于第一替换阈值、该增量树的深度大于第二替换阈值、该增量树存储的交易数据涉及区块的数量大于第三替换阈值等的其中任意一种，本发明并不以此为限；
步骤S4，将当前为满的增量树设为只读，并以该增量树为中间树保存至内存中；同时再次执行步骤S1，在内存中新生成一棵空的增量树以继续接收新增交易状态数据的键值对；
步骤S5，将当前的状态树进行存档，以供需要提供证明时使用；
步骤S6，将步骤S4生成的中间树合并入当前的状态树，以更新该状态树。
于本发明中，新增交易状态数据的键值对并不直接写入状态树，因此，只有当中间树并入状态树时，状态树才发生改变，因此，步骤S5可以在状态树的上一次更新之后与本次更新之前执行，本发明并不以此为限。
图3是本发明在交易状态更新时三棵树的状态变化示意图。如图3所示，当区块链节点接收到新增交易状态数据时，新的键值对将写入更新到增量树delta tree TN里。此时通过上一次增量树delta tree TN-1获得中间树intermidiate tree T'N-1正在后台合并入状态树snapshot T"N-1，以生成新的状态树snapshot T"N。
图4是本发明在新生成增量树时三棵树的状态变化示意图。如图4所示，当增量树delta tree TN的大小超过了预设的替换阈值时(增量树delta tree TN满)，将增量树deltatree TN设为只读的状态并且成为中间树intermidiate tree T'N，一棵新的空的增量树delta tree TN+1被生成，并且新的键值对都直接写入到delta tree TN+1中，同时老的中间树intermidiate tree T'N-1已经被从内存中删除(合并入状态树snapshot T"N-1)，之后开始在后台将当前的中间树intermidiate tree T'N并入状态树snapshot T"N，以生成新的状态树snapshot T"N+1(图4表示中间树intermidiate tree T'N即将并入状态树snapshot T"N时，状态树snapshot T"N+1为空的状态)。
老的状态树snapshot T"N在更新之前，被存档以供未来提供证明使用。
中间树intermidiate tree和增量树delta tree的节点ID可以使用内存位置或者序列号(sequence number)作为索引，只在需要的时候才计算根节点的merkle hash，比如在一个区块的所有交易执行完毕的时候。
每当有键值读取或检索发生时，依次在当前的增量树delta tree、当前的中间树intermidiate tree和当前的状态树snapshot中进行检索，当找到对应的键时就直接返回对应的值。由于新的写操作都会先写入增量树delta tree，因此本发明能保证最先读到的值一定是最新写入的值。
现在世界状态由状态树snapshot，中间树intermidiate tree，以及增量树deltatree这三棵树的根节点的哈希值的三元组来表示，即获取当前该增量树的根哈希值deltahash、该中间树的根哈希值intermidiate hash及该状态树的根哈希值snapshot hash，生成三元组(delta hash,intermidiate hash,snapshot hash)做为现在的世界状态。当需要给出每个键值对存在在这个三元组对应的世界状态里的证明时，先找到这个键的最新的值存在的位置，然后给出它在这棵树里的证明以及它不在更新的树(如果有更新的树)里的证明。该键不在树里的证明可以通过给出该键左右两边的键到根节点的路径上的所有哈希值来证明。
图5是本发明的数据处理终端结构示意图。如图5所示，本发明还提出一种数据处理终端，包括处理器、存储器和可读存储介质，其中处理器通过读取可读存储介质存储的可执行指令，以接收、暂存及验证待验证区块，构建状态树对应的增量树及中间树，以进行交易数据的写入、读取、证明及合并；可读存储介质存储有可执行指令，可执行指令被处理器执行时，实现上述交易数据存储方法。本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件(例如处理器)完成，所述程序可以存储于可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块可以采用硬件的形式实现，例如通过集成电路来实现其相应功能，也可以采用软件功能模块的形式实现，例如通过处理器执行存储于存储器中的程序/指令来实现其相应功能。本发明实施例不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
图6是本发明的区块链系统结构示意图。如图6所示，本发明的区块链系统包括多个共识节点，本发明的区块链系统中，至少一个区块链共识节点为本发明的数据处理终端。
本发明通过减少维护最新的数据的树的大小，减少了树的深度，因此减少了任意键值写入时需要修改的节点数目以及最近写入的键值读取时需要读取的节点数目。由于delta tree可以放进内存，在减少修改/读取的节点数目的同时，也不再需要访问数据库，因此减少了每次修改/读取节点的开销。
另外考虑snapshot合并，如果一个键在合并之前在delta tree里被写入了多次，则只有一次会被写入snapshot以及对应的数据库，而以往方案在每次需要计算根节点哈希值的时候都会把被修改的节点写入数据库。因此我们的发明能够将更大时间范围内同一键值的反复写入合并为一次，因此减少了总体的数据库写入次数。
具体来说，当数据按以往方法写入状态树会有4×108个节点，平均深度大概为8，磁盘上数据量为1TB。而采用本发明的交易数据存储方法，通过增量树delta tree缓存4GB的数据，则状态树的深度为6，状态树的深度减少了25％。
按照平均每秒写入1MB的数据计算，4GB的缓存可以写入4000s。按照每1s生成一个区块计算，如果一个键都在每个区块里都用到，则使用本发明的交易数据存储方法后，这个键在4000s内只写入数据库一次，相比以往方法写入4000次来说节省了99.975％的写入。
最后应说明的是：以上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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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精神和范围。

Claims (13)

1.一种基于状态树的交易数据存储方法，其特征在于，包括：
于区块链节点的内存中，构建与某一区块的状态树对应的增量树，该增量树与该状态树具有相同的MPT数据结构；
当发生交易状态改变时，将新增交易状态数据写入该增量树；当该增量树满时，以该增量树为中间树，并生成空的增量树继续进行新增交易数据写入操作，同时将该中间树并入该状态树，以更新该状态树。
2.如权利要求1所述的交易数据存储方法，其特征在于，仅当需要该区块的当前世界状态时，获取当前该增量树的根哈希值delta hash、该中间树的根哈希值intermidiate hash及该状态树的根哈希值snapshot hash，以三元组(delta hash,intermidiate hash,snapshot hash)为该当前世界状态。
3.如权利要求1所述的交易数据存储方法，其特征在于，还包括：
按当前的该增量树、该中间树和该状态树的顺序进行键值检索，并在检索到目标值后返回该目标值并结束该键值检索。
4.如权利要求1所述的交易数据存储方法，其特征在于，将该中间树并入该状态树前，持久化存储该状态树为历史状态树。
5.如权利要求1所述的交易数据存储方法，其特征在于，当该增量树触发替换阈值时，该增量树为满；其中，该触发替换阈值的行为包括该增量树的树节点数量大于第一替换阈值、该增量树的深度大于第二替换阈值、该增量树存储的交易数据涉及区块的数量大于第三替换阈值的其中之一。
6.一种基于状态树的交易数据存储系统，其特征在于，包括：
状态树扩展模块，用于在区块链节点的内存中，构建与某一区块的状态树对应的增量树，该增量树与该状态树具有相同的MPT数据结构；
状态树更新模块，用于更新该状态树；其中当发生交易状态改变时，将新增交易状态数据写入该增量树；当该增量树满时，以该增量树为中间树，并生成空的增量树继续进行新增交易数据写入操作，同时将该中间树并入该状态树，以更新该状态树。
7.如权利要求6所述的交易数据存储系统，其特征在于，还包括：世界状态生成模块，用于仅当需要该区块的当前世界状态时，获取当前该增量树的根哈希值delta hash、该中间树的根哈希值intermidiate hash及该状态树的根哈希值snapshot hash，以三元组(deltahash,intermidiate hash,snapshot hash)为该当前世界状态。
8.如权利要求6所述的交易数据存储系统，其特征在于，还包括：
键值查询取模块，用于查询键值；其中，按当前的该增量树、该中间树和该状态树的顺序进行键值检索，并在检索到目标值后返回该目标值并结束该键值检索。
9.如权利要求6所述的交易数据存储系统，其特征在于，该状态树更新模块还包括：
历史数据存储模块，用于在将该中间树并入该状态树前，持久化存储该状态树为历史状态树。
10.如权利要求6所述的交易数据存储系统，其特征在于，该状态树更新模块还包括：增量树满判定模块，用于当该增量树触发替换阈值时，该增量树为满；其中，该触发替换阈值的行为包括该增量树的树节点数量大于第一替换阈值、该增量树的深度大于第二替换阈值、该增量树存储的交易数据涉及区块的数量大于第三替换阈值的其中之一。
11.一种可读存储介质，存储有可执行指令，该可执行指令用于执行如权利要求1～5任一项所述的基于状态树的交易数据存储方法。
12.一种数据处理终端，用于作为P2P网络的共识节点，接收、共识验证并存储该P2P网络中的区块，该数据处理终端包括：
如权利要求11所述的可读存储介质；
处理器，该处理器调取并执行该可读存储介质中的可执行指令，以执行基于状态树的交易数据存储方法。
13.一种P2P网络，其特征在于，该P2P网络以如权利要求12所述的数据处理终端为共识节点。
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