CN113132459B - 分布式存储方法、系统、存储介质、信息数据处理终端 - Google Patents

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Abstract

本发明属于分布式存储技术和区块链应用技术领域，公开了一种分布式存储方法、系统、存储介质、信息数据处理终端，所述分布式存储方法由交易数据的存储、交易数据的读取和共识三部分组成；所述分布式存储系统包括：数据存储模块、数据读取模块、共识模块、数据加解密模块、数据校验模块。本发明能够对区块链上的内容进行存储，解决区块链系统实际存储性能限制问题，也为分布式存储系统增加了激励机制，实现了链上链下的数据协同。本发明默认支持最多264个节点，无需考虑节点的横向扩展问题。同时，本发明根据该共识流程，能够保证每个节点成为矿工节点的概率与其信用值是成正比的，同时过程是公开透明可验证的。

Description

分布式存储方法、系统、存储介质、信息数据处理终端
技术领域
本发明属于分布式存储技术和区块链应用技术领域，尤其涉及一种分布式存储方法、系统、存储介质、信息数据处理终端。
背景技术
目前，区块链技术是一种按照时间顺序将数据区块顺序相连的方式组合成的一种链式结构，并以密码学方式保证不可篡改、不可伪造的分布式账本。基于区块链的文件存储系统就是利用了这种链式数据结构来验证和存储交易数据，利用分布式节点共识算法来更新交易数据。
传统的区块链系统中，因为账本是去中心化的存在，每个节点都储存一份完全相同的账本，导致区块链系统的实际存储量受到限制，以比特币为例，其中的区块最大大小仅为1MB，但整个比特币网络的账本大小已经达到250GB以上。而分布式系统则能够比较好的解决这个问题，因此，区块链与分布式存储系统相结合是很有必要的。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的区块链系统中，由于账本是去中心化的存在，每个节点都储存一份完全相同的账本，导致区块链系统的实际存储量受到限制。
解决以上问题及缺陷的难度为：区块链作为分布式账本，由于分布式和去中心的性质，系统中每个节点都需要存储一份账本，这一点无法更改。若要使每个节点的账本各不相同，那各个账本之间如何协作、如何互相验证、如何分工，都是难以解决的问题。总的来说，解决以上问题及缺陷，具有较高的难度。
解决以上问题及缺陷的意义为：区块链作为分布式账本，为去中心化的交易达成及公共账本提供了可行的解决方案。但当前区块链系统下，由于每个节点都需要存储一份账本，导致区块链的实际存储性能受到限制。解决以上问题将显著提升区块链系统的吞吐量，为这些平台提供新的可能性，增加新的扩展方向。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种分布式存储方法、系统、存储介质、信息数据处理终端。
本发明是这样实现的，一种分布式存储方法，所述分布式存储方法由交易数据的存储、交易数据的读取和共识三部分组成。
交易数据的存储过程中，由矿工节点将数据发送到存储节点进行存储；交易数据的读取过程中，通过智能合约，由智能合约的执行节点向存储节点读取数据；共识过程中，所有系统内的节点进行公开验证，选出一个节点成为下一个流程的矿工节点。
进一步，所述交易数据的存储和读取，包括：
(1)每个节点接入系统后拥有一个ID，ID为对自己的公钥进行SHA256运算后的结果，同时将ID向系统中进行广播；
(2)通过共识流程生成矿工节点，矿工节点对交易数据进行打包，计算哈希值后，在系统中找到与该哈希值最相近的K个节点，依次发送该区块的数据；
(3)发送数据的流程中，双方使用DH交换秘钥算法协商一个秘钥，发送者对数据交易进行AES-256加密，接收者接受数据后进行AES-256解密；
(4)发送完成后，接收者需要进行存储证明，协议可以使用副本证明协议；如果证明成功，该节点信用值增加，存储过程结束，该节点需要将数据进行加密存储，等到需要读取数据的时候进入交易数据的读取流程；如果失败，接收者需要扣除与数据大小成正比的信用值，矿工节点选择下一个节点，重复步骤(3)。
进一步，步骤(1)中，所述每个节点拥有自己的信用值。
进一步，步骤(2)中，所述K为系统参数，可自行设定。
进一步，所述交易数据的读取，包括：
(1)读取数据时，通过智能合约进行读取；
(2)合约的执行节点根据哈希值，寻找与该哈希值最相近的节点，进行数据传输；
(3)传输数据时，数据传输前进行加密，传输后解密；
(4)数据传输完成后，根据哈希值进行完整性校验；如果校验成功，存储节点增加信用值并获得相应的费用；如果校验失败，根据哈希值，寻找除此存储节点外哈希值最相近的节点，重复步骤(3)和步骤(4)。
进一步，所述共识，包括：
(1)每个节点生成一个随机数rand；
(2)节点根据自己生成的随机数，计算是否满足算式(1)；
(3)满足算式的节点将自己的随机数广播让系统内节点进行验证，作为矿工节点，共识流程结束；如果有不只一个节点满足了此等式，则这些节点依次充当矿工节点；如果没有节点满足此等式，则生成一个空区块，没有交易，共识流程结束；
(4)矿工节点打包交易数据，将数据存储到系统中，并获得奖励。
进一步，步骤(2)中，所述算式(1)为：
Figure BDA0002967015230000031
其中，i表示第i个节点，t表示当前块高，H表示SHA256的哈希函数，||表示字符串拼接运算，l表示SHA256的长度256。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：交易数据的存储、交易数据的读取和共识。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的分布式存储方法。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述分布式存储方法的分布式存储系统，所述分布式存储系统包括：
数据存储模块，用于进行交易数据的存储；
数据读取模块，用于通过智能合约进行交易数据的读取；
共识模块，用于通过共识流程生成矿工节点，矿工节点对交易数据进行打包，计算哈希值后，进行数据的传输；
数据加解密模块，用于发送数据的流程中，双方使用DH交换秘钥算法协商一个秘钥，发送者对数据交易进行AES-256加密，接收者接受数据后进行AES-256解密；
数据校验模块，用于数据传输完成后，根据哈希值进行完整性校验；如果校验成功，存储节点增加信用值并获得相应的费用；如果校验失败，根据哈希值，寻找除此存储节点外哈希值最相近的节点。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的分布式存储系统，能够对区块链上的内容进行存储，所有节点既是区块链系统的节点，也是分布式存储系统的节点，区块链系统上的所有区块只存储哈希值和默克尔哈希树，其余的数据全部存储在分布式存储系统上。本发明的系统解决了区块链系统实际存储性能限制的问题，也为分布式存储系统增加了激励机制，实现了链上链下的数据协同。本发明的系统中，默认支持最多264个节点，因此也无需考虑节点的横向扩展问题。
本发明在流程中提出了一种共识流程，通过该流程能够保证节点成为矿工节点的概率正比于自己的信用值，且共识过程随机、公开、公平，同时设计了激励机制，当存储和读取数据成功时都会增加存储节点的信用值，信用值又会增加成为矿工节点的概率，而成为矿工节点是有收益的；读取数据成功时存储节点会获得收益，这部分收益来源于交易时付出的费用。同时，本发明根据该共识流程，能够保证每个节点成为矿工节点的概率与其信用值是成正比的，同时过程是公开透明可验证的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例提供的分布式存储方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于区块链的分布式存储系统结构框图；
图中：1、数据存储模块；2、数据读取模块；3、共识模块；4、数据加解密模块；5、数据校验模块。
图3是本发明实施例提供的分布式存储系统的存储数据流程示意图。
图4是本发明实施例提供的分布式存储系统的读取数据流程示意图。
图5是本发明实施例提供的分布式存储系统的共识流程示意图。
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。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种分布式存储方法、系统、存储介质、信息数据处理终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的分布式存储方法包括以下步骤：
S101，交易数据的存储；
S102，交易数据的读取；
S103，共识。
本发明提供的分布式存储方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的分布式存储方法仅仅是一个具体实施例而已。
如图2所示，本发明实施例提供的分布式存储系统包括：
数据存储模块1，用于进行交易数据的存储；
数据读取模块2，用于通过智能合约进行交易数据的读取；
共识模块3，用于通过共识流程生成矿工节点，矿工节点对交易数据进行打包，计算哈希值后，进行数据的传输；
数据加解密模块4，用于发送数据的流程中，双方使用DH交换秘钥算法协商一个秘钥，发送者对数据交易进行AES-256加密，接收者接受数据后进行AES-256解密；
数据校验模块5，用于数据传输完成后，根据哈希值进行完整性校验；如果校验成功，存储节点增加信用值并获得相应的费用；如果校验失败，根据哈希值，寻找除此存储节点外哈希值最相近的节点。
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1
本发明实施例提供的分布式存储系统中，所有节点既是区块链系统的节点，也是分布式存储系统的节点，区块链系统上的所有区块只存储哈希值和默克尔哈希树，其余的数据全部存储在分布式存储系统上。此系统解决了区块链系统实际存储性能限制的问题，也为分布式存储系统增加了激励机制，实现了链上链下的数据协同。此系统中，默认支持最多264个节点，因此也无需考虑节点的横向扩展问题。
完整的区块数据在共识过程中，随着矿工节点打包数据而产生，交由存储节点进行存储，并在需要的时候被读取。因此本发明的方案主要由共识、数据的存储、数据的读取三个部分而成。
如图3所示，本发明提出的交易数据读取和存储流程如下：
步骤一：每个节点接入系统后拥有一个ID，ID为对自己的公钥进行SHA256运算后的结果，同时将ID向系统中进行广播。每个节点拥有自己的信用值。
步骤二：通过共识流程，生成矿工节点，矿工节点对交易数据进行打包，计算哈希值后，在系统中找到与该哈希值最相近的K个节点，依次发送该区块的数据。(K为系统参数，可以自行设定)
步骤三：发送数据的流程中，双方需要首先使用DH交换秘钥算法协商一个秘钥，然后发送者对数据交易进行AES-256加密，接收者接受数据后进行AES-256解密。
步骤四：发送完成后，接收者需要进行存储证明，协议可以使用副本证明协议。如果证明成功，该节点信用值增加，存储过程结束，该节点需要将数据进行加密存储，等到需要读取数据的时候进行步骤5；如果失败，接收者需要扣除与数据大小成正比的信用值，矿工节点选择下一个节点，重复步骤3。
如图4所示，本发明中提出的读取流程如下：
步骤一：需要读取数据时，需要通过智能合约进行读取。
步骤二：合约的执行节点根据哈希值，寻找与该哈希值最相近的节点，进行数据传输。
步骤三：传输数据时，类似存储流程步骤3的流程，数据传输前进行加密，传输后解密。
步骤四：数据传输完成后，需要根据哈希值进行完整性校验。如果校验成功，存储节点增加信用值并获得相应的费用；如果校验失败，根据哈希值，寻找除此存储节点外哈希值最相近的节点，重复步骤三、四。
本发明在流程中提出了一种共识流程，通过该流程能够保证节点成为矿工节点的概率正比于自己的信用值，且共识过程随机、公开、公平，同时设计了激励机制，当存储和读取数据成功时都会增加存储节点的信用值，信用值又会增加成为矿工节点的概率，而成为矿工节点是有收益的；读取数据成功时存储节点会获得收益，这部分收益来源于交易时付出的费用。
如图5所示，本发明提出的共识流程如下：
步骤一：每个节点生成一个随机数rand。
步骤二：节点根据自己生成的随机数，计算是否满足下列算式，其中i表示第i个节点，t表示当前块高，H表示SHA256的哈希函数，||表示字符串拼接运算，l表示SHA256的长度256。
Figure BDA0002967015230000081
步骤三：满足算式的节点将自己的随机数广播让系统内节点进行验证，然后作为矿工节点，共识流程结束。如果有不只一个节点满足了此等式，则这些节点依次充当矿工节点；如果没有节点满足此等式，则生成一个空区块，没有交易，共识流程结束。
步骤四：矿工节点打包交易数据，将数据存储到系统中，并获得奖励。
根据此流程，能够保证每个节点成为矿工节点的概率与其信用值是成正比的，同时过程是公开透明可验证的。
实施例2
用户Alice需要将一份数据存储到分布式存储系统中，于是他发送了一条交易并支付了费用，然后系统打包了该交易，并且存下了该数据。三天后，Alice需要读取该数据，则从系统中读取整份数据，期间数据保持完整性。
假设：交易数据的哈希值为1ddabe系统中共有四个节点，ID分别为2aed12、115add、5e123a、42e341，该次交易的k值为2。
下面是数据存储的流程：
步骤一：Alice发出这条交易，系统根据共识流程选出矿工节点，打包交易；
步骤二：矿工节点计算数据的哈希值，得到结果1ddabe，根据结果，ID为2aed12、115add的两个节点成为该份数据的存储节点；
步骤三：矿工节点向115add节点发送数据，传输完成后进行存储证明；
步骤四：矿工节点向2aed12节点发送数据，传输完成后进行存储证明，之后存储过程结束。
下面是数据读取的流程：
步骤一：三天后，Alice需要读取该份数据，通过智能合约发送读取请求；
步骤二：智能合约的执行节点根据数据哈希值寻找到最近的节点115add；
步骤三：执行节点与115add节点传输数据，传输完成后进行完整性验证；
步骤四：假设验证失败，则115add节点扣除相应的信用值，执行节点寻找到第二近的节点2aed12；
步骤五：执行节点与2aed12节点传输数据，传输完成后进行完整性验证；
步骤六：假设验证成功，那么2aed12节点增加相应的信用值，获得相应的费用，读取过程结束。
实施例3，若Alice与Bob想要在区块链上进行一笔交易，他们将交易内容发送到交易池等待节点处理。现有3个区块链上的节点A、B、C，需要通过共识流程决定下一阶段数据的打包分发者。
步骤一：每个节点公开自己的信用值，假设分别为a，b，c，可以得到系统的总信用值(a+b+c)。此时，每个节点分别生成自己的随机数r。生成随机数没有规则要求，每个节点可以自行设计。
步骤二：各节点分别计算自己的随机数r是否满足公式。假设A满足，B、C不满足，则A需要向B、C发送自己的随机数以供验证。
步骤三：B、C验证A的随机数是否满足公式，验证完成后进行确认，此时A正式成为下一个阶段的矿工。
步骤四：根据区块链的具体要求，A执行义务并获取权力，并且在下一个阶段中能够打包区块。A将交易池中的数据进行打包，将Alice与Bob的交易内容存到区块链上，并且根据数据的存储流程存储数据。
步骤五：Alice和Bob可以根据数据的读取流程进行读取，发现区块链上已经有了他们交易的数据，此次交易宣告成功。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种分布式存储方法，其特征在于，所述分布式存储方法由交易数据的存储、交易数据的读取和共识三部分组成；交易数据的存储过程中，由矿工节点将数据发送到存储节点进行存储；交易数据的读取过程中，通过智能合约，由智能合约的执行节点向存储节点读取数据；共识过程中，所有系统内的节点进行公开验证，选出一个节点成为下一个流程的矿工节点；
所述共识包括：
(1)每个节点生成一个随机数rand；
(2)节点根据自己生成的随机数，计算是否满足算式(1)；所述算式(1)为：
Figure FDA0003716834600000011
其中，i表示第i个节点，t表示当前块高，H表示SHA256的哈希函数，||表示字符串拼接运算，l表示SHA256的长度256；
Figure FDA0003716834600000012
表示区块链节点i在时刻t的信用值C，信用值C为该节点在区块链网络中的信用值总和；
(3)满足算式的节点将自己的随机数广播让系统内节点进行验证，作为矿工节点，共识流程结束；如果有不只一个节点满足了此等式，则这些节点依次充当矿工节点；如果没有节点满足此等式，则生成一个空区块，没有交易，共识流程结束；
(4)矿工节点打包交易数据，将数据存储到系统中，并获得奖励。
2.如权利要求1所述的分布式存储方法，其特征在于，所述交易数据的存储和读取，包括：
(1)每个节点接入系统后拥有一个ID，ID为对自己的公钥进行SHA256运算后的结果，同时将ID向系统中进行广播；
(2)通过共识流程生成矿工节点，矿工节点对交易数据进行打包，计算哈希值后，在系统中找到与该哈希值最相近的K个节点，依次发送该区块的数据；
(3)发送数据的流程中，双方使用DH交换秘钥算法协商一个秘钥，发送者对数据交易进行AES-256加密，接收者接收数据后进行AES-256解密；
(4)发送完成后，接收者需要进行存储证明，协议可以使用副本证明协议；如果证明成功，该节点信用值增加，存储过程结束，该节点需要将数据进行加密存储，等到需要读取数据的时候进行步骤(5)；如果失败，接收者需要扣除与数据大小成正比的信用值，矿工节点选择下一个节点，重复步骤(3)；
(5)交易数据的读取，包括：
1)读取数据时，通过智能合约进行读取；
2)合约的执行节点根据哈希值，寻找与该哈希值最相近的节点，进行数据传输；
3)传输数据时，数据传输前进行加密，传输后解密；
4)数据传输完成后，根据哈希值进行完整性校验；如果校验成功，存储节点增加信用值并获得相应的费用；如果校验失败，根据哈希值，寻找除此存储节点外哈希值最相近的节点，重复步骤3)和步骤4)。
3.如权利要求1所述的分布式存储方法，其特征在于，步骤(1)中，所述每个节点拥有自己的信用值。
4.如权利要求2所述的分布式存储方法，其特征在于，步骤(2)中，所述K为系统参数，可自行设定。
5.一种实施权利要求1～4任意一项所述分布式存储方法的分布式存储系统，其特征在于，所述分布式存储系统，包括：
数据存储模块，用于进行交易数据的存储；
数据读取模块，用于通过智能合约进行交易数据的读取；
共识模块，用于通过共识流程生成矿工节点，矿工节点对交易数据进行打包，计算哈希值后，进行数据的传输；
数据加解密模块，用于发送数据的流程中，双方使用DH交换秘钥算法协商一个秘钥，发送者对数据交易进行AES-256加密，接收者接受数据后进行AES-256解密；
数据校验模块，用于数据传输完成后，根据哈希值进行完整性校验；如果校验成功，存储节点增加信用值并获得相应的费用；如果校验失败，根据哈希值，寻找除此存储节点外哈希值最相近的节点。
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