CN113326317B - 基于同构多链架构的区块链存证方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于同构多链架构的区块链存证方法，包括按存证类型构建多条同构子链，并行处理存证事务，解决现有区块链电子存证方案单链架构存在的性能瓶颈；根据用户的存证请求，获取存证数据；将该存证数据进行分片后存储于分布式存储系统，存储地址索引与存证完整性校验值等关键信息存入该存证数据所属子链中；根据该用户的检索请求，从该区块链系统中进行检索，获取目标索引信息，根据该目标索引信息中的存证存储地址索引从该分布式存储系统中恢复目标存证数据，并将该目标存证数据的哈希值与该目标索引信息中的存证完整性校验值进行比较，若相同，则将该目标存证数据返回给该用户。还提出一种区块链存证系统，以及一种数据处理装置。

Description

基于同构多链架构的区块链存证方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于同构多链架构下的区块链存证系统设计，属于区块链电子存证应用研究领域。

背景技术

电子证据技术兴起于互联网时代。人们日常事务处理、社交以及业务全在网络上进行，电子数据在人们的日常生活中无处不在，互联网企业、证券金融公司、政府机关、电子购物平台中，海量的文件、合同、交易凭证、聊天记录以及商业机密都已电子数据形式保存，电子证据技术便是为如何有效存储电子数据而产生的技术。但电子数据本身存在易篡改、易丢失、难存证等问题，电子数据存证系统往往都需要依赖于第三方公证机构保护证据的真实性与完整性，每有一笔电子数据保存进系统都要进行繁琐的验证确认流程，造成了一定的人力与资金成本；加之大多数电子数据证据系统都采用中心化存储模式，存在中心化结构的数据安全隐患问题，影响电子证据的公信力与安全性。鉴于上述问题，致使电子数据存证技术未能广泛应用。

区块链技术作为一种新兴技术，它防篡改、可溯源、去中心化的属性与电子存证天然契合，弥补了电子存证存在的缺陷。具体而言，区块链基于哈希链及时间戳机制保证了存储数据的可溯源与不可篡改性，凭借其多方共识、公开透明、可溯源、不可篡改等特性，区块链首次从技术上解决了中心化信任模型带来的安全问题，并提出了一种在不可信环境中建立信任关系、实现价值转移的新型方法。基于区块链技术的电子存证系统保证上链数据不会被篡改，分布式账本保证了数据不会因为单点宕机而出现数据永久丢失无法恢复的情况，相较于中心化存储系统极大的提高了数据的安全性。

相关研究人员开始探索区块链技术与电子证据的应用前景。例如，文献【1】从技术与法理两个方面阐述了区块链技术对民事证据证明产生的影响；文献【2】“论区块链存证电子数据的优势及司法审查路径”（《西南民族大学学报(人文社会科学版)》,2021,42(01):67-73.）讨论了区块链存证电子数据具有防篡改可溯源的优势以及其在司法审查上的路径；上述两个文献都肯定了区块链存证技术的先进性以及对司法诉讼产生的积极影响，但未深入考虑到区块链存证在司法实践中所遇见的问题和限制。文献【3】“可追溯的电子证据固定系统设计与实现”（《现代计算机》,2019(29):88-91.）提出一种可追溯的电子证据固定系统，采用双重哈希加密，在不同的证据之间形成验证链条，似于区块链，可以在一定程度上防止篡改，但作为中心化存证系统未对数据进行分布式备份，存在信息的丢失的数据安全问题。此外，文献【4】，中国国家发明专利“一种基于区块链的电子病历存证保管系统”（公开号：CN112003836A，申请日：2020.08.03）介绍了一种基于区块链的电子病历存证保管系统，患者可在不同医院登入系统查阅历史病历,实现历史病历共享。

上述方案中，分为中心化与去中心化两类。中心化的电子存证系统电子数据存在篡改、丢失的安全性与可信性问题。而引入区块链存证技术的方案虽然解决电子证据的真实性、合法性问题，但都是单链架构，在性能、可扩展性与存储方面表现较差，未全面考虑区块链系统吞吐量、可扩展性、存储等方面的缺陷。因此，应全面考虑区块链本身性能、可扩展性、存储，针对数据机密性与隔离存储等需求，设计一种事务处理效率高、系统存储压力小、隔离存储的区块链存证系统。

中心化的电子证据存证系统利用现有成熟的数据库技术，可以高效低延时的处理海量电子存证数据，但是，中心化的电子存证系统存在信任问题以及数据安全问题。即便信任问题可以引入第三公证机构来解决，但会导致电子存证录用过程十分繁琐低效，且会造成一定的成本。中心化的数据管理模式，难以保证存证数据不被篡改以及盗取窃用，数据一旦丢失可能无法复原。

区块链电子存证可以有效解决上述信任以及数据安全问题，但区块链技术本身存在诸多问题，学术界对区块链技术性能优化仍在积极地进行探索与研究，区块链存证作为区块链技术的新型应用场景尝试，现有方案存在性能、存储、可扩展性方面问题，绝大多数区块链存证方案都只是简单的应用区块链，未全面深入考虑。

当前的区块链电子存证方法绝大多数采用单链架构，事务处理上限低，吞吐量受限，无法支撑高并发业务场景需求。区块链系统以串行的方式处理事务，每笔事务需要系统所有节点进行检验，节点确认事务合法后将其链接至本地区块链副本，一笔事务才算执行完成。这种串行执行、全网广播的事务处理效率十分低下，当前比特币、以太坊等知名区块链公链平台平均吞吐量仅有7TPS和15TPS，在区块链技术的基础框架与基础协议框架下，通过优化协议内置参数（出块间隔、区块大小）和运行环境参数（算力节点的GPU、内存、硬盘、网络带宽）等虽然可以在一定程度上提升系统吞吐量，但仍无法与传统中心化系统通量相比。例如文献【4】所提的基于区块链电子病历存证保管系统，采用区块链单链架构，系统在实际运行中会每秒能实时处理的病历记录十分有限，按以太坊吞吐量计算，每秒无法支撑超过15例病人的病历记录存证，更难以满足多家医院的病历存证事务。此类现有技术采用单链架构存在可预估的吞吐量性能瓶颈，无法满足海量业务场景需求。

其次，区块链技术作为一种分布式账本技术，系统因其每个节点都保存有完整的区块链副本而具有极高的数据安全性，保证了数据无法私自篡改、重要数据难丢失，但与此同时，造成了区块链节点存储压力大，因此大多数区块链存证方案只将关键信息上链，原存证电子数据存储在中心化存储服务器中或云上，但这种模式存在数据安全隐患。如文献【4】的电子病历存证保管系统，电子病历涉及患者的个人隐私问题，其原存证文件存放在云服务器上，攻击者可恶意窃取、复制存证信息，致使病例信息泄露，病人个人隐私受到侵犯。因此，区块链存证系统存储方面既要考虑节点存储压力也需保证数据的隐私性与安全性。

最后，当前区块链电子存证系统未充分考虑实际应用环境中存证的复杂性、隔离性。具体而言，同一应用场景下存证业务本身也具有多样性，例如公安部门保存电子存证，其下部门又划分有户政、治安、刑侦、交通等业务，相关存证拥有机密性、隐私性属性，若所有存证混合处理，不仅破坏了存证数据的保密性，还导致各个部门事务处理效率低，将存证隔离并行处理，便于数据管理、数据检索，提升系统性能。文献【4】此类现有技术都未考虑存证业务多样性以及信息的保密性。

区块链技术解决电子数据被篡改、易丢失、难存证的问题，保证存证数据安全透明可溯源，但是区块链技术本身作为一种新兴技术，单链区块链存在性能瓶颈，且高冗余性会带来巨大大的存储开销，存在较大的应用用场景局限性，在需要处理海量存证数据的场景需要下，直接将电子存证数据与单链架构的区块链系统简单结合并不可行。为此，本发明设计了一种同构多链的新型区块链网络架构，存证业务按需分类，可高效并行的对业务进行隔离处理，对存证原文进行分布式存储，既保证电子存证数据真实可靠，又能规避单链系统出现的性能瓶颈与海量数据存储问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于同构多链架构的区块链存证方法，包括：按存证分类构建具有多条相同架构的子链的区块链系统；根据用户的存证请求，获取存证数据；将该存证数据进行分片后存储于分布式存储系统，生成该存证数据的索引信息并存入该存证数据所属存证分类对应的子链中，该索引信息包括该存证数据的存证完整性校验值和存证存储地址索引；根据该用户的检索请求，从该区块链系统中进行检索，获取目标索引信息，根据该目标索引信息中的存证存储地址索引从该分布式存储系统中恢复目标存证数据；将该目标存证数据的哈希值与该目标索引信息中的存证完整性校验值进行比较，若相同，则将该目标存证数据返回给该用户。

本发明所述的区块链存证方法，其中，该存证数据切分出的数据分片，满足仅从单一的数据分片无法获取该存证数据的关键数据。

本发明所述的区块链存证方法，其中对该存证数据进行切分后，将切分出的所有数据分片的哈希值形成的Merkel树存储于该分布式存储系统的哈希表中。

本发明所述的区块链存证方法，其中，恢复该目标存证数据的过程包括：根据该目标索引信息中的存证存储地址索引在该分布式存储系统中找出所有数据分片，并根据该分布式存储系统的哈希表中对应的Merkel树，将所有该数据分片聚合为该目标存证数据。

本发明还提出一种基于同构多链架构的区块链存证系统，包括：系统构建模块，用于按存证分类构建具有多条相同架构的子链的区块链系统；存证获取模块，用于根据用户的存证请求，获取存证数据；存证存储模块，用于将该存证数据进行分片后存储于分布式存储系统，生成该存证数据的索引信息并存入该存证数据所属存证分类对应的子链中，该索引信息包括该存证数据的存证完整性校验值和存证存储地址索引；存证检索模块，用于根据该用户的检索请求，从该区块链系统中检索目标索引信息，并根据该目标索引信息中的存证存储地址索引，从该分布式存储系统中恢复该目标存证数据；存证校验模块，用于将该目标存证数据的哈希值与该目标索引信息中的存证完整性校验值进行比较，若相同，则将该目标存证数据返回给该用户。

本发明所述的区块链存证系统，其中该存证存储模块包括：数据切分模块，用于将该存证数据切分出多个数据分片，该数据分片满足仅从单一的数据分片无法获取该存证数据的关键数据。

本发明所述的区块链存证系统，其中该存证检索模块还包括：存证验证模块，用于恢复该目标存证数据的过程中，将找出的数据分片聚合为初步数据，将该初步数据的哈希与该目标索引信息中的存证完整性校验值哈希进行比较，若相等，则以该初步数据为该目标存证数据；存储索引模块，用于对该存证数据进行切分后，将切分出的所有数据分片的哈希值形成的Merkel树存储于该分布式存储系统的哈希表中。

本发明所述的区块链存证系统，其中该存证检索模块还包括：存证聚合模块，用于根据该目标索引信息中的存证存储地址索引在该分布式存储系统中找出所有数据分片，并根据该分布式存储系统的哈希表中对应的Merkel树，将所有该数据分片聚合为该目标存证数据。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，其特征在于，当该计算机可执行指令被处理器执行时，实现如前所述的基于同构多链架构的区块链存证方法。

本发明还提出一种数据处理装置，包括如前所述的计算机可读存储介质，当该数据处理装置的处理器调取并执行该计算机可读存储介质中的计算机可执行指令时，执行基于同构多链架构的区块链存证存储及检索。

附图说明

图1是本发明的同构多链区块链系统总体架构示意图。

图2是本发明的客户端与区块链平台示意图。

图3是本发明的存证索引与验伪示意图。

图4是本发明的存证链条恢复示意图。

图5是本发明的数据分片示意图。

图6是本发明的哈希表存储空间示意图。

图7是本发明的数据聚合与验伪示意图。

图8是本发明的存证业务示意图。

图9是本发明的存证业务流程图。

图10是本发明的存证检索与验伪流程图。

图11是本发明的数据处理装置示意图。

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，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方法仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

当前电子存证系统主要分为两大类，第一类是采用中心化数据管理模式的电子数据系统，此类系统优点是事务处理效率较高，但存在证据被篡改、泄露等安全性问题；第二类则是区块链电子存证系统，此类系统通过区块链技术解决了中心化电子存证系统中存在的安全以及信任难题，但是，当前绝大多数电子区块链存证方案系统性能差、架构简单、事务处理模式单一。

发明人在进行区块链存证技术方向的研究时，发现中心化电子存证系统现有方案存在的信任安全问题，区块链电子存证系统现有方案存在区块链技术自身性能、存储以及可扩展性的缺陷。中心化电子存证系统所有数据被单个中心存储管理，不可避免存在数据篡改、泄露以及丢失的安全问题，而区块链存证管理方案中又大多只是简单的将区块链技术与电子证据存证简单结合，未深入考虑区块链技术本身的技术缺陷：单链架构区块链系统事务处理效率低，吞吐量受限，面对海量事务处理时，存在系统性能和扩展性问题；虽然一些现有区块链存证方案为了提升区块链存证系统性能，对区块链进行链上链下的性能优化，例如针对应用场景更换共识算法、减少出块时间间隔、提升硬件性能、减少上链信息等方法，但性能提升十分有限，面对海量事务处理仍是捉襟见肘，并且现有方案未考虑存证场景中业务的复杂性，不同类型的存证业务混合处理，影响到存证事务的处理效率与管理。综上，现有方案主要存在以下问题：

（1）集中式存证系统存证录入的低效性问题以及数据真实性问题。中心化的电子存证系统在存证准入的时候依赖第三方公证机构提供公证服务来解决信任问题，录用流程繁琐，效率低下。此外，此类系统无法保证存证信息泄露、存证信息丢失等一系列数据安全问题，确保存证数据的真实性和完整性。因此，应该通过结合区块链技术去中心化、可溯源、防篡改的特性提高中心化存证录用的低效性解决其数据安全问题。

（2）区块链存证系统单链架构下的性能问题。区块链串行处理、全网广播的事务执行模式保障了上链数据存储一致、可追溯，从根本上解决了数据篡改问题，但与此同时也限制了区块链系统的通量，导致区块链电子存证系统每秒能处理的事务极其有限，难以满足海量存证业务并发的应用场景，单链架构限制了存证系统的性能与通量水平。因此，应设计一种高性能的区块链新型架构。

（3）多种存证业务混合存储管理。当前区块链存证方案未针对存证业务的多样性进行存证的隔离处理与访问，导致存证事务处理与检索效率低。在实际应用场景中，同一机构下不同部门的存证业务不同，若所有部门的存证都执行统一处理会造成一系列的效率问题与管理问题，并且，有些存证信息涉及机密性或隐私性，需保证有的存证不能被随意查看。因此，本发明利用同构多链架构提升系统性能的同时，实现数据隔离，使得不同类型的存证业务可以并行隔离执行。

（4）存证原文数据的存储问题。当前区块链电子存证系统为降低区块链节点的存储压力，选择只将存证关键信息上链，存证原文数据大多存储在云服务器或其他中心化的存储服务器里，这种存储方式无法保证存证原文不会被泄露，并且一旦云服务器或中心服务器出现故障，会导致原文数据永久丢失。因此，发明人对存证原文数据进行数据分片分布式存储，并用电子签名方法限制访问，确保数据的隐私与安全。

因此，本发明提出了一种基于同构多链的区块链电子存证系统，此架构可灵活根据实际应用场景具体的事务特点自适应地构建多条区块链，只将存证关键信息存储至区块链上，存证原文则采用分布式存储技术存储在链下分布式系统中，通过数据分片与哈希原理保证数据的真实性与完整性。在此架构中每条子链独立完成共识，子链事务处理模块只需处理自身链内事务即可，这使得不同类型存证可以隔离、并行地被处理，突破了单链区块链存证系统的性能瓶颈，巧妙解决了大多数区块链存证系统架构中单链扩展性受限及通量较低、事务处理模式单一以及可扩展性差等系列问题。

本发明提出的基于同构多链架构（平行架构）的高性能区块链存证系统架构，其中，区块链系统采用同构多链架构，按需求将不同机构的存证信息分发至预先规定好的子链上执行，每条子链只存储存证id、存证完整性校验值哈希、存证关联信息以及存储索引地址等关键信息，原始存证数据在数字签名后通过分布式数据库的方式存储在链下，原始存证储存位置可通过链上记录的索引地址在验证签名后访问。

本发明的目的在于，针对现有中心化电子数据存证方案，解决存证信息真实性与可靠性问题，针对现有区块链电子存证方案，解决单链架构下性能受限问题、原始存证链下中心化存储所造成的数据安全性问题以及存证业务多样性所需求的隔离处理与数据保密，提出了一种基于同构多链架构下的区块链电子存证系统架构。既满足存证真实可信需求，又提升了单链架构下区块链电子存证系统的事务处理效率，保证原始存证信息安全，系统高效可扩展。

图1是本发明的同构多链区块链系统总体架构示意图，图2是本发明的客户端与区块链平台示意图。如图1、2所示，本发明的区块链存证系统架构，由客户端、同构多链区块链系统以及分布式存储系统三部分组成。其中，客户端负责管理用户信息、权限，对存证进行鉴定分类后载入客户端，提出存证关键数据触发事务处理模块，此外客户端提供存证检索验伪和存证链条恢复等功能。客户端是用户与底层区块链系统存储系统交互的接口平台，底层平台通过客户端向用户提供服务。

区块链平台由多条结构功能一致的子网链构成，每条子网链拥有全局唯一的网络标识，区块链平台主要存储存证的关键信息。每条子网链只需负责处理子网内的事务，独立完成共识过程，再通过实时监控子链运行情况进行链管理。每条子链在启动时自带编号，存证事务根据自身编号分发至不同链上处理，不同类型存证业务的隔离处理，保护存证隐私的同时提升了区块链系统事务执行的效率。

分布式存储系统存储存证原文数据，保证存证原文数据的安全性，本发明采用了分布式存储技术将原始存证数据切分成多个数据段分别存储在不同的节点上，数据的分片情况记录在哈希表中，根据哈希表内容聚合原始数据。数据分片避免了原始存证文件泄露、破坏、丢失等安全问题。存储系统主要包括数据分片、哈希表管理、数据索引、数据聚合核验等四个模块。

具体来说，本发明的同构多链区块链系统总体架构包括：

1、客户端

客户端主要包括账户管理、存证鉴定与分类、事务处理模块、存证索引与验伪以及存证链条查询等五个模块。

1）账户管理模块负责生成系统账户并核验账户身份。系统存在两种角色，分别是存证鉴定员与普通用户。两者注册需要进行实名制认证，存证鉴定员身份认证后还需要上传额外证明，认证成功后在区块链系统所有子链上生成对应账户地址。所有用户有且仅能有一个账户生效，重新注册需要注销上一个账户所有数据。此外，在账户发起存证申请后，账户管理模块对账户进行身份核验，账户在确认存证信息无误后提交身份证明（账户私钥），无误后存证申请生效。

2）存证鉴定与分类模块由存证鉴定与存证隔离分类两个功能模块组成。系统账户上传存证原文并生成原文的完整性检验值（哈希值），存证鉴定模块首先对账户进行身份核验，核验无误后计算提交的存证原文的完整性校验值（哈希值），验证原文与完整性校验值的一致性。存证分类模块根据账户在提交存证时所选择的存证类型对存证进行分类，分类完成后触发事务处理模块，并将存证原文存储在分布式储存系统中；

3）存证事务处理模块负责提取存证材料里的关键信息，调用智能合约将存证关键信息上链。鉴于区块链为全副本存储，为减轻区块链系统的存储压力，只提取存证的关键信息上链，并将存证原文数据直接加密后存储至专用的分布式存储系统中。上链的关键信息包括：存证账户id、证据id、证据完整性校验值、时间、分布式存储系统地址索引以及证据关联信息等，事务处理模块调用智能合约将关键信息以交易的形式分发至对应的子链上执行，一次将存证关键信息存储至链上系统，链下证据原文与链上数据可以通过证据id等关键字双向检索；

4）存证索引与验伪。图3是本发明的存证索引与验伪示意图。如图3所示，证据检索功能模块根据账户id或证据id等关键词检索出存储在分布式数据库中存证数据的原文。业务流程为，在证据检索模块输入证据id或账户id，存证检索模块返回符合检索条件的证据列表。证据验伪模块验证存证原文数据的一致性与完整性。根据存证检索模块的结果将存证原文从链下分布式数据库聚合取出，再通过原文找到区块链上的数据索引，计算数据原文哈希并与链上存储的哈希信息比较，一致则认为数据库中存储的证据准确无误，未被篡改，不一致则表示证据原文在上传至链上之后遭到过修改；

5）存证链条恢复模块通过区块链存证之间的关联关系可迭代索引到所有相关联的存证数据，恢复完整的存证链条。图4是本发明的存证链条恢复示意图。图4所示，通过区块链技术的全副本和存储在链上链下的存证关联信息，使得在链下存储证据原文的存储系统与区块链上，均可通过证据关联关系获取相关联证据的证据id，借此通过迭代证据检索过程，可以恢复出完整的证据链条。在涉及到跨部门/业务的证据链条，涉及多条链的数据时，可通过网络号与证据id的格式标识存储在其他链上的证据数据。

2、同构多链区块链系统

同构多链区块链系统由多条结构相同的子区块链组成，每条子链处理单一类型的存证业务。具体而言，区块链系统由网络分区模块、区块链动态监控模块、子链事务处理模块以及数据服务模块四部分组成。网络分区模块按需划分子链数，支持动态增删链数；区块链监控模块实时检测每条链的负载情况，生成日志文件记录系统运行情况。各子链事务处理模块负责处理链内的存证业务交易，并返回相应运行结果给客户端。每条子链独立完成共识阶段，相互隔离高效处理存证业务，支撑高频次高并发的存证业务场景。同构多链区块链系统作为底层系统向客户端提供数据服务，与分布式存储系统共同管理存证数据，通过区块链技术保障存证信息的真实性与一致性。

1）网络分区模块

本发明中使用了一种比较简单高效的网络划分规则，支持子网链按需扩展。本架构中每个子网链都具有唯一的网络标识符（id）以及存证处理类型编号，严格呈线性增长。当客户端构建新事务时，客户端根据存证事务类型以及链运行状态分发事务。区块链平台的分片模块主要负责子网链的管理，包括对链编号、增加新链等。当区块链监控模块发现现存区块链系统已经达到饱和状态，为了满足区块链的生态需求而增加子网链时，需要确定增加链条的数量。每条链的初始化步骤一致，新增网络标识符，标明链处理事务类型，方便存证事务的分发与执行。本发明不对具体的数量做限定，可后期根据具体的业务及应用场景设定。

当系统启动时，假定同时启动了N条子网链，每条链都预先规定处理某一类型事务，如链1处理A类型事务，链2处理B类型事务。实际应用场景中存证事务的申请需求是波动的、复杂的，为了提高区块链电子存证系统处理存证的效率与性能，区块链监控模块监控各条链的实时运行情况，若出现存证事务申请速度大于链处理速度，子网链上事务时延增加、负载过重的情况，此时则需要调节链相关参数，或是增加新的子网链，分担原有子网链的负载，避免出现链拥塞、用户体验差甚至系统崩溃的情形。

2）区块链监控模块。

区块链监控模块实时检测与记录区块链的实时运行情况，根据链负载情况确定是否增加新链，为确定将某类型事务分发至哪条链执行提供信息（处理某类型事务的链可能有多条）。检测模块通过API调用实时监控每条链的交易池待处理交易数、区块产生间隔、区块大小、网络负载情况等参数，定期生成链运行报告，通过检查链运行报告来确定是否需要新增某类型事务处理链数，此模块综合考虑新增链的维护成本以及消耗成本，避免出现无止境的新增链数的情况。

3）子链事务处理模块

子网链的子网事务处理模块在接收到客户端发来的子网事务之后。首先，检验该事务的基本信息（事务的类型，账户地址是否合法等）。若检验通过，则将该事务添加至本地事务池中，矿工选择事务并进行打包处理。若检验不通过，向客户端返回“事务执行失败”的信息，并将该事务丢弃。

此外，子链事务处理模块通过区块链监控模块检测到的链负载情况与事务处理情况来决定是否接受客户端发来的存证业务，若链负载严重，子链事务处理模块可拒绝客户端发送过来的存证事务，并向客户端返回“链负载过重”的信息。

4）数据服务模块

数据服务模块为客户端与上层应用提供完整了账户状态信息，链信息等数据，实现对链上的状态是实时追踪。每条子链在处理存证事务时，更新记录账户对应的存证列表，包括存证id，存证所在的区块高度、存证所在区块哈希、存证所对应交易的哈希等信息，子网链数据服务模块为上层应用包括客户端，提供完整的存证信息服务。

3、分布式存储系统

本发明涉及了一种分布式数据库系统存储存证原文，通过数据分片技术将存证原文信息隔离存储，每一数据分片都有相对应的摘要哈希，所有分片哈希以默克尔树结构管理在哈希表中。数据检索通过搜索证据id可找到所有数据分片的存储地址，数据聚合验证组合的数据是否原数据哈希一致。分布式存储系统主要由数据分片、哈希表管理、数据索引和数据聚合与验证四个模块组成，以数据碎片形式进行存储，以哈希树实现数据完整性验证，查看数据分片是否被修改、避免存证数据被篡改、泄露或恶意破坏。

1）数据分片模块对原存证文件进行数据切分，将数据分片隔离存储在不同的存储空间，通过分片哈希保证数据不被篡改。为保护存证原文信息不被泄露或恶意修改，将原存证文件切割为数个小的数据分片，数据划分方法采用折半切割法，每个数据分片进行哈希运算，生成唯一哈希值。整个存证原文分片成下图所示的数据结构，所有数据分片的哈希值组成一棵Merkle树，存储在哈希表中。基于哈希运算与默克尔树的原理，每个数据片只要被修改哈希值就会发生改变。

每个存证文件内存大小不同，再保证数据碎片无法读取存证信息前提下，不规定具体要分成多少个数据分片，在实际情况中可设定一个子数据分片大小的标准，大于此标准值则需要再分片，或是根据实际情况采用其他分片策略。但是，数据分片需要保证的是，原存证数据划分了N次，则数据分片数为2的N次方，使得分片过程可以形成一棵完全二叉树，如图5所示。

2）哈希表管理模块负责管理存证文件所有子数据分片的哈希值，并记录各子数据分片在系统中的存储地址。此模块根据分布式存储系统的运行状态实时更新下图所示的表结构，具体表内容包括：存证id，分片碎片哈希Merkel树、关联存证信息以及子数据分片地址列表，其中树A中的叶子节点（数据分片）从左至右的顺序与分片地址表中分片数据存储顺序一致。通过哈希表使得分布式存储系统可以很容易地查找到存证源数据对应的所有数据分片，并通过分片Merkle树验证各个分片数据未被篡改，如图6所示。

3）数据检索模块使得系统用户可以在客户端通过存证id、存证哈希值等关键字检索存证信息。数据检索模块接受到检索申请后，根据上传的关键字在分布式存储系统的哈希表中进行遍历，找到存证id所对应的地址表，获取存证的所有数据分片的地址。此功能与数据聚合与验证模块配合，对分片数据进行聚合与验证，并将验证结果与存证信息返回给客户端。

4）数据聚合与验证。图7是本发明的数据聚合与验伪示意图。如图7所示，在获得分片数据的地址列表信息与分片哈希Merkel树后，通过地址信息确定所有分片数据，并按照Merkel树结构从底至上的顺序进行数据聚合与验证。本发明在进行数据聚合时，只需要确定分片数据的序号，再对其进行数据拼接，最终可以获得原存证数据。数据聚合完成后，验证聚合的存证数据的哈希值是否与存储在链上的存证哈希一致，一致则数据未被篡改，不一致则数据被修改，可通过计算每个数据分片的哈希值找到出错分片，并向客户端返回数据篡改信息。

本部分将以存证上链、存证检索与验伪两个流程为例，结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。在讲述具体流程之前，本部分先对所涉及的关键数据结构进行说明：

账户：区块链电子存证系统中有两种类型的账户，一种为普通账户，另一种为存证鉴定账户。系统中所有存证事务由账户发起，普通用户只能发起存证申请和检索申请，只能与客户端进行交互；存证鉴定账户负责鉴定存证基本信息，验证存证合法性，直接与区块链系统与分布式存储系统交互；

账户私钥：由secp256k1曲线生成256位（32字节）的字符串，用于验证账户身份；

账户地址：存证鉴定账户在所有子链上拥有账户地址，这些地址在链初始化是生效，地址由公钥经Keccak-256算法得到的哈希值的后160位（20字节）；

Merkel树：默克尔树（Merkle tree）是一种哈希二叉树，将数据存储在树状结构的叶子节点中，并通过对数据的逐级哈希（Hash）操作确保数据的不可篡改性。叶子节点数据的任何变动，都会传递到上一级节点并最终反应到树根的变化。

图8是本发明的存证业务示意图，图9是本发明的存证业务流程图。如图8、9所示，本发明的区块链存证方法中，存证上链部分的业务流程包括：

步骤S11：普通账户通过客户端发起存证申请1，在发起存证申请时，需要账户提供相关存证申请信息，包括存证原文（存证数据）或者是存证原文所对应的哈希值，如果账户提供的是存证哈希，则还需账户额外提供原文与哈希算法，若账户提供的是原文，系统会生成完整性校验值。此外，账户需选择存证类型以及身份验证信息等，身份验证成功后，存证申请发起成功；

步骤S12：存证申请发起成功后，系统对所上传的存证数据通过账户的公钥进行加密2，保证存证信息的隐私性，避免存证数据被窃听查看；

步骤S13：系统对上传的存证数据进行鉴定与分类3。存证鉴定账户对上传的存证数据，向存证申请用户发起私钥请求，系统通过用户提供的私钥和上传的存证数据，鉴定模块会进行解密，再验证存证数据的完整性检验值（哈希值）并返回验证结果，存证鉴定负责核验提交的存证数据的一致性和真实性。验证无误后，根据账户选择的存证类型，对存证数据进行确认与标志，例如，商业存证标号为1，司法凭证标号为2。与此同时，为存证生成具有唯一性的存证ID，返回给存证发起账户；

步骤S14：电子存证数据进行标志分类后，提取出电子存证数据的关键信息（索引信息）4，具体包括：存证ID、存证发起账户ID、存证完整性校验值Hash、存证分类编号、存证存储地址索引等，存证的存储地址索引需等待存证在分布式存储系统存储完成后返回；

步骤15：对存证原文电子数据进行数据分片，将存证数据切分成无法再获取关键数据的数据分片，储存在分布式存储系统中5，并将各个数据分片的哈希信息、所有哈希信息形成的分片哈希Merkel树、存储地址信息、相关证据关联信息（非必要信息）存储在存储系统的哈希表中；

步骤S16：将存证存储地址索引作为最后一项关键信息发送至事务处理模块6，补全存证的关键信息；

步骤S17：事务处理模块调用智能合约，根据存证类型将存证的关键信息以交易的形式发送到对应的子链事务处理模块，子链事务处理对该交易进行相关验证后进行存证上链7，将存证数据的关键信息根据存证类型存入对应子链，处理成功后返回相应信息给客户端。

图10是本发明的存证检索与验伪流程图。如图10所示，本发明的区块链存证方法中，存证检索与验伪流程包括客户端的存证检索服务、事务管理模块，分布式存储系统的数据分片、数据检索、数据重聚与验伪等功能，下面步骤假设以存证ID为关键词进行存证检索，具体步骤如下：

步骤S21：账户在客户端可以根据存证ID，存证Hash或是账户ID发起存证检索服务申请，客户端在接受申请后，验证用户身份，验证完成后，存证检索服务启动；

步骤S22：根据检索的关键字（以存证ID为例），区块链平台提供的数据服务可以使得在事务处理模块中检索存证ID，获取存证类型、该存证信息所在的链的ID、区块高度等相关信息

步骤S23：若存证ID存在，事务处理模块通过调用智能合约向相应子链发起交易，子链事务处理模块对交易进行处理，数据服务模块记录信息。查看该存证的链上信息，获取该存证ID存储在链上的Hash H1以及存证在分布式存储系统中的存储地址索引信息。若存证ID数据查询不到，则返回“存证不存在”结果；

步骤S24：根据链上查询到的存证索引信息，触发分布式存储系统中的数据检索功能，查看该存证ID在分布式存储系统的哈希表中的相关信息，遍历存证哈希表，如果存证ID存在，则找到该存证ID所对应的分片哈希merkel树以及所有数据分片的存证存储地址索引。如不存在，返回存证不存在的错误信息；

步骤S25：存储系统根据该存证的分片存储地址索引与分片哈希Merkel树进行存证的聚合与核验。具体而言，根据存储地址找到所有数据分片，然后按地址表顺序数据分片1和2聚合，数据分片3与4聚合，直至N-1和N（N=2^x）聚合完成，所有数据分片两两聚合完成，将数据分片1和数据分片2聚合所形成的新分片标记为新的数据分片1，数据分片N-1和数据分片N聚合所形成的新分片标记为新的数据分片N/2，迭代数据上述过程，直至所有数据分片聚合为一个完整的数据。对聚合而成的存证数据进行哈希运算，得到Hash H2；

步骤S26：比较哈希值H1与H2是否一致，如果一致，则存证数据未被篡改，将存证数据信息返回给发起检索申请的账户；如果两个哈希不一致，则代表存证数据已被修改，并返回相应结果。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，以及一种数据处理装置，如图11所示。本发明的计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令被数据处理装置的处理器执行时，实现上述基于同构多链的区块链存证方法。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、FPGA、ASIC等)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。

当前电子存证系统主要分为两大类，其一采用中心化数据管理模式的电子数据系统，这类系统优势是事务处理效率较高，但存在数据被篡改等安全性问题与信任问题；另外一类则是区块链电子存证系统，此类系统结合区块链技术解决了中心化电子存证系统中数据篡改的安全性问题以及信任难题，但是当前大多数电子区块链存证方案性能差、架构简单、事务处理模式单一以及可扩展性差。因此，本发明提出了一种基于同构多链的区块链电子存证系统，此架构可根据实际应用场景具体的事务情况自适应地构建多条区块链，只将存证关键信息存储至区块链上，存证原文则存储在链下分布式系统中，通过数据分片与哈希原理保证数据的真实性与完整性。在此架构中每条子链独立完成共识，子链事务处理模块只需处理自身链内事务即可，这使得不同类型存证可以隔离、并行地被处理，存证检索与管理效率高，突破了单链区块链存证系统的性能瓶颈，巧妙解决了大多数区块链存证系统架构中单链扩展性受限及通量较低、事务处理模式单一以及可扩展性差等系列问题。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变形，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于同构多链架构的区块链存证方法，其特征在于，包括：

按存证分类构建具有多条相同架构的子链的区块链系统；每条该子链拥有全局唯一的网络标识，只处理本子链内的事务，且于本子链内完成共识过程；

根据用户的存证请求，获取存证数据；

将该存证数据进行分片后存储于分布式存储系统，生成该存证数据的索引信息并存入该存证数据所属存证分类对应的子链中，该索引信息包括该存证数据的存证完整性校验值和存证存储地址索引；

根据该用户的检索请求，从该区块链系统中进行检索，获取目标索引信息，并根据该目标索引信息中的存证存储地址索引，从该分布式存储系统中恢复目标存证数据；

将该目标存证数据的哈希值与该目标索引信息中的存证完整性校验值进行比较，若相同，则将该目标存证数据返回给该用户。

2.如权利要求1所述的区块链存证方法，其特征在于，该存证数据切分出的数据分片，满足仅从单一的数据分片无法获取该存证数据的关键数据。

3.如权利要求2所述的区块链存证方法，其特征在于，对该存证数据进行切分后，将切分出的所有数据分片的哈希值形成的Merkel树存储于该分布式存储系统的哈希表中。

4.如权利要求3所述的区块链存证方法，其特征在于，恢复该目标存证数据的过程包括：根据该目标索引信息中的存证存储地址索引在该分布式存储系统中找出所有数据分片，并根据该分布式存储系统的哈希表中对应的Merkel树，将所有该数据分片聚合为该目标存证数据。

5.一种基于同构多链架构的区块链存证系统，其特征在于，包括：

系统构建模块，用于按存证分类构建具有多条相同架构的子链的区块链系统；每条该子链拥有全局唯一的网络标识，只处理本子链内的事务，且于本子链内完成共识过程；

存证获取模块，用于根据用户的存证请求，获取存证数据；

存证存储模块，用于将该存证数据进行分片后存储于分布式存储系统，生成该存证数据的索引信息并存入该存证数据所属存证分类对应的子链中，该索引信息包括该存证数据的存证完整性校验值和存证存储地址索引；

存证检索模块，用于根据该用户的检索请求，从该区块链系统中检索目标索引信息，并根据该目标索引信息中的存证存储地址索引，从该分布式存储系统中恢复目标存证数据；

存证校验模块，用于将该目标存证数据的哈希值与该目标索引信息中的存证完整性校验值进行比较，若相同，则将该目标存证数据返回给该用户。

6.如权利要求5所述的区块链存证系统，其特征在于，该存证存储模块包括：

数据切分模块，用于将该存证数据切分出多个数据分片，该数据分片满足仅从单一的数据分片无法获取该存证数据的关键数据。

7.如权利要求6所述的区块链存证系统，其特征在于，该存证存储模块还包括：

存储索引模块，用于对该存证数据进行切分后，将切分出的所有数据分片的哈希值形成的Merkel树存储于该分布式存储系统的哈希表中。

8.如权利要求7所述的区块链存证系统，其特征在于，该存证检索模块还包括：

存证聚合模块，用于根据该目标索引信息中的存证存储地址索引在该分布式存储系统中找出所有数据分片，并根据该分布式存储系统的哈希表中对应的Merkel树，将所有该数据分片聚合为该目标存证数据。

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，其特征在于，当该计算机可执行指令被处理器执行时，实现如权利要求1~4任一项所述的基于同构多链架构的区块链存证方法。

10.一种数据处理装置，包括如权利要求9所述的计算机可读存储介质，当该数据处理装置的处理器调取并执行该计算机可读存储介质中的计算机可执行指令时，执行基于同构多链架构的区块链存证存储及检索。