CN113626875A - 一种区块链分片赋能的知识图谱文件存储方法 - Google Patents

一种区块链分片赋能的知识图谱文件存储方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种区块链分片赋能的知识图谱文件存储方法，属于区块链应用技术领域。本方法将知识图谱文件存储到区块链中，解决了知识图谱构建文件的安全存储和追溯性问题。当知识图谱出现推理错误或文件安全问题时，可以根据需求从区块链获取相应过程文件，可以避免重复性的构建过程。本方法基于分片间通信确认机制，防止针对不同分片的双花攻击。通过随机验证函数、资产抵押以及改进的实用拜占庭容错机制，防止了节点的恶意行为，保证了分片中的交易安全。本方法采用优化分片方案来提升区块链系统的吞吐量，在多重约束条件下，基于动态规划算法给出最优的交易选择方案来最大化本分片的收益，实现高效合理的交易分片。

Description

一种区块链分片赋能的知识图谱文件存储方法
技术领域
本发明涉及一种区块链分片赋能的知识图谱文件存储方法，属于区块链应用技术领域。
背景技术
随着人工智能的蓬勃发展，知识图谱受到了广泛的关注。在知识图构建过程中，过程文件容易被恶意篡改和伪造，导致推理结果出现偏差。区块链具有透明性、防篡改、可追溯等特征，在构建知识图谱的过程中具有广阔前景。当出现推理错误或文件安全问题时，可以按照需求从区块链中获取相应的过程文件，避免知识图谱重建等重复性工作。
可扩展性，是阻碍区块链系统进一步广泛应用的关键因素，其核心是为了解决交易的吞吐量和交易的速度两个方面。为了改善区块链系统的可扩展性，目前从技术实现的角度基本分为三种：状态通道、有向无环图和分片。
侧链的基本思想是交易者之间通过状态通道进行通信，所有的交易发生在主链之外，仅将最终的状态广播到主链进行验证。比特币的闪电网络即以太坊的雷电网络是该技术的代表。该方法适用于高频的小额交易情形，不适用于参与者频繁变更的情况，其缺陷是需要参与者长期持续在线。
DAG(有向无环图)是一种具有顶点和有向边的图结构。将DAG作为区块链的底层数据结构时，没有区块的概念，其组成是一笔笔交易，新构建的每一笔交易需要链接到之前的多笔交易。用户发起一笔交易时首先需要找到网络里的两笔交易验证它们的合法性，然后将自己的交易与已验证的两笔交易绑定后广播到网络，之后该用户发起的交易会以相同的方式被验证。验证一笔交易的其他交易越多，则该交易的确定性越高，当达到一个临界值时则认为该交易被确定。从理论而言，交易量越大，该技术的验证速度越快，从而可以实现高并发。DAG的缺陷是交易时长不可控，容易出现后面的交易迟迟无法被验证的情况。
区块链分片是一种链上的可扩展性解决方案，按照技术可以划分为网络分片、交易分片和状态分片。网络分片是其他分片方案的基础，其核心思想是将整个区块链网络划分成多个分片，所有分片并行处理网络中的交易。交易分片主要涉及的问题是哪些交易应该按照特定的属性被分配到哪些碎片中被处理。状态分片的核心思想是不同分片存储区块链账本的不同部分，每个节点只负责存储和管理自己所在分片的数据，并不存储完整的区块链状态。
基于交易分片的优化至少存在两个关键性挑战。一是在分片中不合理的交易分配可能会导致巨大的通信开销，甚至会降低整个区块链系统性能。具体而言，频繁的跨分片通信会占用大量带宽，增加交易确认时间，最终降低区块链系统的吞吐量。二是分片中的交易安全威胁，例如双花攻击、分布式拒绝服务攻击等，因此需要确保每个分片中的大多数节点是诚实的。在账户/余额模型中，交易通常根据发送方地址被分片给某分片，使用此方法可以在不经过跨分片通信的情况下很容易地检测出双花交易，但是无法防御分布式拒绝服务攻击。当攻击者使用同一地址发起大量交易时，这些交易会被分配到同一分片，导致该分片资源迅速耗尽。
发明内容
本发明的目的是为了解决知识图谱安全高效存储的技术问题，提出一种安全、高效的区块链分片赋能的知识图谱文件存储方法。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案。
一种区块链分片赋能的知识图谱文件存储方法。
首先，说明相关概念：
定义1：知识图谱过程文件
指知识图谱构建过程中的产出的文件成果。
定义2：区块链账本
指用于存储知识图谱文件的基础设施。本质上是集合了点对点传输、共识机制、密码算法的分布式数据库。
定义3：分片
是解决区块链可扩展性的一种链上解决方案，区块链节点被划分为若干独立的网络分区，事务分别交由不同的分片并行处理，以提高整个系统的吞吐量。
定义4：领导者节点
是指在每个分片中通过资产抵押机制选举出一个领导者节点，该节点负责进行交易选择，区块生成以及验证来自其他分片的区块。
定义5：跟随者节点
是指在每个分片中除领导者节点之外的其他节点，跟随者节点负责参与所在分片的共识过程。
定义6：可验证随机函数
是指一种将输入映射为可验证的伪随机输出的加密方案，在本方案中被用于网络分片时节点划分，从而防止恶意节点占领某分片。
定义7：共识机制
是指在区块链网络中通过特殊节点的投票在短期内完成对交易的验证和确认。
步骤1：生成区块链交易。
从数据库导出知识图谱构建时的过程文件并进行哈希加密，用户使用生成的哈希值构建一笔交易并发送到区块链网络；
步骤2.：进行区块链网络分片。
整个区块链网络中的节点划分为N个子网，同时验证交易，从而提高系统的并行处理能力。
步骤3：选举领导者节点。
每个分片中选出领导者节点来完成特殊任务，包括评估交易、选择交易、生成区块、验证区块等。
步骤4：交易分配及执行。
交易被分配到不同的分片中执行，每个分片独立执行共识。步骤4具体包括如下子步骤：
步骤4.1：领导者节点评估交易的开销，包括计算成本、存储空间和通信开销，根据开销及收益来决定是否处理该交易。
步骤4.2：领导者节点对收集的交易进行排序，并将其存储在交易列表中，将该列表广播给本分片的所有跟随者节点。
步骤4.3：在收到交易列表后，跟随着节点验证并模拟执行这些交易，根据模拟执行结果，计算新生成块的哈希摘要广播给分片中其他节点。
步骤5：进行分片间通信。
由于交易被动态分配到不同的分片进行共识，因此，需要在分片之间进行通信来防止双花。当一个分片产生一个区块时，它需要广播给其他网络分片的领导者节点，领导者节点将其放入缓冲区，检查区块结构的合法性，遍历区块中所有交易来检查交易的合法性，根据交易分配表来检测是否存在双花现象。
步骤6：其他分片的领导者节点对有效的区块进行签名确认，将确认消息发送给生成该区块所在分片的领导者节点；
步骤7：生成块的分片的领导者节点收到来自其他分片的领导者节点的消息，若其他分片的领导者节点返回冲突消息，则其他分片被通知删除缓冲区中的无效区块，若都为确认消息，则通知节点将该区块添加到账本中。
有益效果
本发明方法，与现有技术相比，具有如下优点：
1.所述方法具有良好的可靠性，具体为：将知识图谱文件存储到区块链中，解决了知识图谱构建文件的安全存储和追溯性问题。区块链的不可篡改特性防止过程文件被篡改或伪造。当知识图谱出现推理错误或文件安全问题时，可以根据需求从区块链获取相应过程文件，可以避免重复性的构建过程。
2.所述方法具有良好的安全性，具体为：基于分片间通信确认机制，防止针对不同分片的双花攻击。此外，通过随机验证函数、资产抵押以及改进的实用拜占庭容错机制，防止了节点的恶意行为，保证了分片中的交易安全。
3.所述方法具有良好的性能，具体为：优化分片方案来提升区块链系统的吞吐量，在多重约束条件下，基于动态规划算法给出最优的交易选择方案来最大化本分片的收益，实现高效合理的交易分片。相对比于遗传算法，本方法时间开销少，能够降低业务的响应时间，效率更高。相比于贪心算法，随着问题规模的增长，本方法的性能稳定，总能获得最优解。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明方法具体实施过程做进一步详细说明。
实施例
如图1所示，具体地，本实施例详细阐述了在区块链分片赋能的知识图谱安全高效存储场景下的交易分配，其系统性能由交易分配方案的效果和时间体现。
本实施例描述了采用本发明所述方法对上述区块链系统中的针对知识图谱过程文件构建的交易进行分配处理，包括如下过程：
步骤1：在一个知识图谱项目构建过程中会产生很多中间文件，用户从知识图谱数据库中导出相关过程文件，对文件进哈希加密，利用加密后的哈希值及自身签名构建一笔交易发送到区块链网络中。文件一旦发生更改并重新保存，相同方式前后计算的哈希值就会发生变化，而文件重命名、压缩、解压、复制等操作则不会改变哈希值。在具体实施时，可以采用SHA256、MD5等算法。此阶段对应发明内容中的步骤1。
步骤2：区块链网络分片。整个区块链网络中的节点被划分为N个子网，同时验证交易，从而提高系统的并行处理能力。
在网络分片时，需要保证每个网络分片中的恶意节点数量足够少，即保证节点分配的随机性。采用随机验证函数来随机选择节点加入分片，防止恶意节点占领一个分片。每个节点生成一对密钥(SK，PK)，其中SK表示私钥，PK表示公钥。
节点通过result＝VRF_HASH(SK，info)生成一个随机数，具体含义为：求值函数VRF_HASH根据私钥SK和一个全网公开的原始随机数info(可设置为上一个区块号、提案节点产生的区块头部信息等)，计算生成随机数result。根据预先设置的网络分片数量，灵活选取截断的result结果的位数(保证网络分片数量大于result截取值即可)，进而将该节点分配给对应的网络分片。
同时，节点通过proof＝VRF_PROVE(SK，info)计算零知识证明，具体含义为：计算证明函数VRF_PROVE根据私钥SK和全网公开的原始随机数info(可设置为上一个区块号、提案节点产生的区块头部信息等)计算随机数和证明的拼接得到结果为proof。
由于proof是通过info生成的，且通过proof可以计算出result，从而推导出info和result是对应匹配的。因此，节点将result和proof都递交给验证者，验证者通过验证函数计算result和info是否匹配，进而能够检验该节点是否被正确地分配到对应网络分区。
网络中其它节点通过公钥和证明来检验计算结果的正确性。此阶段对应发明内容中的步骤2。
步骤3：选举领导者节点。领导者节点需要抵押一部分资产，如果发现其作恶则被没收，同时在网络中维护一个分片路由表，以记录每个分片的领导者路由信息。此阶段对应发明内容中的步骤3。
步骤4：交易分配及执行。交易被分配到不同的分片中执行，每个分片独立地执行共识，此阶段对应发明内容中的步骤4，具体实施包括如下子步骤：
步骤4.1：当检测到一笔交易时，领导者节点评估交易的开销，包括消耗的计算资源，处理该交易所需的存储空间，共识所需要的通信开销，与处理该交易所能获得的收益，将每笔交易的评估信息存储到交易信息列表中。
步骤4.2：领导者节点对收集到的交易进行排序，并根据动态规划算法决定最佳交易选择方案，之后将决定本分片处理的交易信息列表广播到跟随者节点。
具体地，不同交易所需的计算资源、存储空间和通信成本各不相同，处理交易的收益也有所差别。分片资源有一定限制，交易的分配关系到分片的收益和整个系统的性能。
本实施例中的方法涉及的字符如表1：
表1本实施例中方法涉及字符说明
Figure BDA0003150066280000061
本发明提出一种由领导者节点寻找最优的交易分配方案，最大化本分片的收益。基于动态规划的交易分配方法如下：
Figure BDA0003150066280000062
Figure BDA0003150066280000071
上述算法的一个输入是交易列表TL，TL中的交易包含四个属性，即处理交易所需的计算资源、交易存储所占用的空间、验证交易通信所需的通信成本、交易提供的处理费用。另一个输入是分片的资源约束，包括计算资源上限Cc、存储资源上限Sc、通信资源上限Tc。输出为F-Table和P-Table，其中，F-Table存储分片获得的最大利润，P-Table存储最优交易选择计划。
首先，对F-Table和P-Table进行初始化。
然后，在列表TL中遍历事务，当考虑第i个事务(选择或不选择)的策略时，转化为只涉及第一个(i-1)事务的问题。使用一组临时变量，包括cal、sto、com和fee，来保存(i-1)处的事务属性。
由于F[i][j][k][l]与F[i-1][j][k][l]和F[i-1][j-cal][k-sto][l-com]相关，因此，使用三维数组F[Cc][Sc][Tc]来保存以前(i-1)的交易状态。
之后，逆序遍历Cc、Sc、Tc。将选择第i笔交易时的利润与未选择的利润进行比较，取二者之间大的值。如果事务被选中，则在P-Table中相应标记执行循环，直到TL中的所有事务都处理完毕，得到最优的事务选择计划。
步骤4.3：在收到交易列表后，跟随着节点验证并模拟执行这些交易，根据模拟执行结果，计算新生成块的哈希摘要广播给分片中其他节点。
设网络分片中有f个拜占庭节点，若一个节点从其他2f个节点收到相同的摘要信息时，该节点会广播一个提交消息，当一个节点收到(2f+1)个提交消息时，则将新产生的块(未被其他分片验证)暂时放入缓冲区。
步骤5：分片间通信。
由于交易被动态分配到不同的分片进行共识，因此需要在分片之间进行通信来防止双花，一个分片产生一个区块时，它需要广播给其他网络分片的领导者节点，领导者节点将其放入缓冲区，检查区块结构的合法性，遍历区块中所有交易来检查交易的合法性，根据交易分配表来检测是否存在双花现象。此阶段对应发明内容中的步骤5。
步骤6：其他分片的领导者节点对有效的区块进行签名确认，将确认消息发送给生成该区块所在分片的领导者节点。此阶段对应发明内容中的步骤6。
步骤7：生成块的分片的领导者节点收到来自其他分片的领导者节点的消息，若其他分片的领导者节点返回冲突消息，则其他分片会被通知删除缓冲区中的无效区块，若都为确认消息，则通知节点将该区块添加到账本中。
当一个区块被验证为有效时，生成该区块的领导者节点向其他分片的领导者节点发送(shard_id,block_id,ack,sig)消息，其中，shard_id是分片号，block_id是区块号，ack是确认标志，sig是所在分片的领导者签名。收到确认消息的领导者节点通知本分片中跟随着节点将对应区块添加到账本中。此阶段对应发明内容中的步骤7。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种区块链分片赋能的知识图谱文件存储方法，首先，说明相关概念：
定义1：知识图谱过程文件
指知识图谱构建过程中的产出的文件成果；
定义2：区块链账本
指用于存储知识图谱文件的基础设施；
定义3：分片
是解决区块链可扩展性的一种链上解决方案，区块链节点被划分为若干独立的网络分区，事务分别交由不同的分片并行处理，以提高整个系统的吞吐量；
定义4：领导者节点
是指在每个分片中通过资产抵押机制选举出一个领导者节点，该节点负责进行交易选择，区块生成以及验证来自其他分片的区块；
定义5：跟随者节点
是指在每个分片中除领导者节点之外的其他节点，跟随者节点负责参与所在分片的共识过程；
定义6：可验证随机函数
是指一种将输入映射为可验证的伪随机输出的加密方案，在本方法中被用于网络分片时节点划分，从而防止恶意节点占领某分片；
定义7：共识机制
是指在区块链网络中通过特殊节点的投票在短期内完成对交易的验证和确认；
其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：生成区块链交易；
从数据库导出知识图谱构建时的过程文件并进行哈希加密，用户使用生成的哈希值构建一笔交易并发送到区块链网络；
步骤2.：进行区块链网络分片；
整个区块链网络中的节点划分为N个子网，同时验证交易；
步骤3：选举领导者节点；
每个分片中选出领导者节点来完成特殊任务，包括评估交易、选择交易、生成区块、验证区块；
步骤4：交易分配及执行；
交易被分配到不同的分片中执行，每个分片独立执行共识，包括如下子步骤：
步骤4.1：领导者节点评估交易的开销，包括计算成本、存储空间和通信开销，根据开销及收益来决定是否处理该交易；
步骤4.2：领导者节点对收集的交易进行排序，并将其存储在交易列表中，将该列表广播给本分片的所有跟随者节点；
步骤4.3：在收到交易列表后，跟随着节点验证并模拟执行这些交易，根据模拟执行结果，计算新生成块的哈希摘要广播给分片中其它节点；
步骤5：进行分片间通信；
当一个分片产生一个区块时，它需要广播给其他网络分片的领导者节点，领导者节点将其放入缓冲区，检查区块结构的合法性，遍历区块中所有交易来检查交易的合法性，根据交易分配表来检测是否存在双花现象；
步骤6：其他分片的领导者节点对有效的区块进行签名确认，将确认消息发送给生成该区块所在分片的领导者节点；
步骤7：生成块的分片的领导者节点收到来自其他分片的领导者节点的消息，若其他分片的领导者节点返回冲突消息，则其他分片被通知删除缓冲区中的无效区块，若都为确认消息，则通知节点将该区块添加到账本中。
2.如权利要求1所述的一种区块链分片赋能的知识图谱文件存储方法，其特征在于，步骤2进行区块链网络分片时，采用随机验证函数来随机选择节点加入分片，防止恶意节点占领一个分片，每个节点生成一对密钥(SK，PK)，其中SK表示私钥，PK表示公钥；
节点通过result＝VRF_HASH(SK，info)生成一个随机数，具体含义为：求值函数VRF_HASH根据私钥SK和一个全网公开的原始随机数info，计算生成随机数result；根据预先设置的网络分片数量，选取截断的result结果的位数，保证网络分片数量大于result截取值，进而将该节点分配给对应的网络分片；
同时，节点通过proof＝VRF_PROVE(SK，info)计算零知识证明，具体含义为：计算证明函数VRF_PROVE根据私钥SK和全网公开的原始随机数info计算随机数和证明的拼接得到结果为proof；
节点将result和proof都递交给验证者，验证者通过验证函数计算result和info是否匹配，进而能够检验该节点是否被正确地分配到对应网络分区。
3.如权利要求1所述的一种区块链分片赋能的知识图谱文件存储方法，其特征在于，步骤4.2中，基于动态规划的交易分配方法如下：
设一个输入是交易列表TL，TL中的交易包含四个属性，即处理交易所需的计算资源、交易存储所占用的空间、验证交易通信所需的通信成本、交易提供的处理费用；另一个输入是分片的资源约束，包括计算资源上限Cc、存储资源上限Sc、通信资源上限Tc；
输出包括分片可获得最大收益表F-Table和最佳选择规划表P-Table，其中，F-Table存储分片获得的最大利润，P-Table存储最优交易选择计划；
首先，对F-Table和P-Table进行初始化；
然后，在列表TL中遍历事务，当考虑第i个事务的策略时，转化为只涉及第一个(i-1)事务的问题；使用一组临时变量，包括cal、sto、com和fee，来保存(i-1)处的事务属性；使用三维数组F[Cc][Sc][Tc]来保存以前(i-1)的交易状态；
之后，逆序遍历Cc、Sc、Tc，将选择第i笔交易时的利润与未选择的利润进行比较，取二者之间大的值；如果事务被选中，则在P-Table中相应标记执行循环，直到TL中的所有事务都处理完毕，得到最优的事务选择计划。
4.如权利要求1所述的一种区块链分片赋能的知识图谱文件存储方法，其特征在于，步骤7中，当一个区块被验证为有效时，生成该区块的领导者节点向其它分片的领导者节点发送(shard_id,block_id,ack,sig)消息，其中，shard_id是分片号，block_id是区块号，ack是确认标志，sig是所在分片的领导者签名；
收到确认消息的领导者节点通知本分片中跟随着节点将对应区块添加到账本中。
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