CN113660346B - 一种联盟链上区块广播的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种联盟链上区块广播的方法。区别于目前主流的Gossip协议和中继节点两种广播方式，本发明通过预交互的方式，将使得广播区块的通信量得到优化。当区块比较大的时候，本发明的通信性能将比Gossip通信协议有明显的优势，将进一步提升区块链系统的性能。另一方面，本发明参数n1和n2可以灵活设置、调整，以匹配不同的应用场景，保留了Gossip协议的特性，不会出现中继节点方案增加节点通信量的问题。最后，考虑到不同节点间的通信效率，本发明优化了节点列表的排列方式，与广播方法结合后，广播性能进一步提升。

Description

一种联盟链上区块广播的方法

技术领域

本发明涉及区块链通信领域，尤其涉及一种联盟链上区块广播的方法。

背景技术

在区块链通信方面，有两个主流通信方案。方案一是Gossip协议，该协议广泛应用于点对点通信的环境，消息传递类似于病毒传播过程。方案二则是利用中继节点，优化通信过程。此时，非中继节点只与中继节点交互，中继节点相互交互，以此达到全网信息互换。

在方案一中，Gossip协议本身节点定期随机选择周围节点发送消息，而收到消息的节点也会重复该步骤；不可避免的引起同一节点消息多次接收，增加消息处理压力。进一步的，如果消息大小偏大，节点都会把这个消息广播4-6次，通信带宽将被占用较长时间，不利于进行其他网络通信，造成节点自身甚至整个网络阻塞。

而方案二中，部署中继节点，网络性能将依赖中继节点的运行状态，牺牲了系统的健壮性和分布式特性。如果中继节点故障，将给整个系统带来不可估量的损失。同时Gossip协议中，节点数量的增加并不会明显增加其他节点的网络负荷，而部署中继节点的网络中，增加节点将大大增加中继节点的通信量。

同时在联盟链中，节点的分布可能根据实际业务场景分布，造成不同节点间通信效率不同。例如，部署在同一个机房的节点之间通信效率较高，跨区域的节点通信效率较低。另一方面，直接引入gossip协议同步区块将有大量的通信冗余。

发明内容

本发明的目的在于提供一种联盟链上区块广播的方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种联盟链上区块广播的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：节点通信列表动态更新；

S2：节点发送区块消息，具体包括：

S21：所述节点收到其他节点发送的区块，检查区块，确定是否进行后续流程；

S22：根据预设参数n1和n2，计算待发送区块目标节点集合；

S23：依据所述待发送目标节点集合，依次发送区块信息。

进一步，S1具体包括如下步骤：

S11：根据所有共识节点的信息，由网络管理者生成配置交易，将该交易打包进区块，在全网共识；

S12：解析共识后的区块中的数据，从通信配置信息中提取共识节点的通信信息，并将所述通信信息记录在内存中，形成节点通信列表；要求所有节点通过同样的配置信息可以计算出同样的通信列表；

S13：如果有新增共识节点或者减少共识节点，则重新生成相应的配置交易，重复S11和S12。

进一步，S12中所述节点通信列表计算的方法如下：

S121：将所有参与组织的组织名按照特定的顺序排列；

S122：同一组织内的节点按索引值的特定的顺序排列；

S123:依次将上述节点排列起来，形成新的节点列表；节点所在的位置，就是节点用于后续广播的编号。

进一步，S21具体包括如下步骤：

S211：检查接收区块的合法性；

S212：检查所述接收区块是否为最新区块：区块编号也称为区块的高度，查询本地数据，获取本地最新区块编号，所述接收区块的高度必须正好等于所述本地区块的高度+1才能通过检查；

S213：通过检查后，执行区块内交易，更新本地账本；在所述本地账本更新后，继续后续流程；否则，检查后为无效区块，结束广播流程。

进一步，S22具体包括如下步骤：

S221：预设参数n1和n2,其中n1表示固定节点的个数，n2表示随机节点的个数,n1和n2为网络预设的参数；

S222：根据通信节点列表，计算n1个固定节点的取值；总的通信节点为N，节点编号下标依次为0、1、…、N-1，所述节点的下标为x，所述下标即为列表中的编号，则n1个节点的下标分别为(x+1)mod N、(x+1+[N/n1])mod N、(x+1+2*[N/n1])mod N、…、(x+1+(n1-1)*[N/n1])mod N，其中[]表示取整数部分，mod表示两数相除后的余数；

S223：将通信节点集合去掉S222中的节点和所述节点自身，再从剩余的节点中随机选取n2个节点；

S224：合并S222和S223中得到的节点，得到所述目标节点集合。

进一步，S221中将网络平均分为n1块，每一块网络的节点与其他块都不属于同一个组织。

进一步，S23具体包括如下步骤：

S231：向目标节点发送查询请求，询问目标节点区块高度；

S232：所述目标节点响应请求，向所述查询节点答复自身本地区块高度信息；

S233：所述接收节点响应，并检查所述目标节点区块高度是否为待广播区块的区块高度-1；

S234：S232中节点响应超时或者答复高度不对，则停止对该节点的广播；所述响应超时的参数由网络管理员根据经验设置；

S235：通过检查后，调用通信模块，发送区块给目标节点。

本发明的有益效果是：

1、对于成熟的gossip协议而言，广播目标节点一般为4-6，其为距离自己最近的节点。而在联盟链中，因为网络原因，可能无法有效的计算网络距离或者有更好的信息可以直接利用。本发明通过特定的节点列表计算方式，将通信效率高的节点都放在了列表相邻的地方。

2、本发明对比中继节点模式具有更优秀的容错性。以n1＝2，n2＝1为例，如果有故障或者恶意节点，n1＝2选择的另一个节点将继续网络广播。同时由于随机节点的加入，可以有效的提升消息扩散的速度。

3、取n1＝4或者6，n2＝0模拟gossip协议时，系统通信量降为原来通信量的1/4，同时使得相应baas平台的tps性能提升数倍。这是因为gossip协议不会因为对方区块高度合适或者收到过相应区块而终止广播。

4、广播目标节点采用n1+n2的模式，即固定点+随机点模式，保留了Gossip协议的特性，不会出现中继节点方案增加节点通信量的问题。且n1和n2的值可以动态配置，在应对不同场景时具有更好的灵活度。

附图说明

图1是本发明联盟链上区块广播的方法的流程图；

图2是本发明联盟链上区块广播的方法的广播示意图。

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

本发明联盟链上区块广播的方法具体包括如下步骤：

S1：节点通信列表动态更新；

S11：根据所有共识节点的信息，由网络管理者生成配置交易，将该交易打包进区块，在全网共识；

S12：解析共识后的区块中的数据，从通信配置信息中提取共识节点的通信信息，如节点id、ip、通信端口等，并将这些信息记录在内存中，形成节点通信列表；在本方案中，只要求所有节点通过同样的配置信息可以计算出同样的通信列表；

一种节点通信列表计算的方法如下：

S121：将所有参与组织的组织名按特定的顺序排列，例如字典序(升序、降序皆可)；

S122：同一组织内的节点按索引值的特定的顺序排列，例如如果索引值是整数，可按大小排列，如果是字符串，依旧可以按字典序排列；

S123:依次将上述节点排列起来，形成新的节点列表。节点所在的位置，就是节点用于后续广播的编号；

例如：

组织名	节点id	节点通信信息	编号
				Org1	1	节点1	0
	2	节点2	1
				Org2	5	节点5	2
	6	节点6	3
				……	……	……	……

按该方法比随机排列的优势如下：

a)节点相邻节点大概率是同一组织的节点，现实中同组织的节点一般部署在同一个中心或者局域网，相互通信效率高；

b)节点编号有较大跨度时，大概率是其他组织的节点，这样发送消息时可以大概率确定消息是在跨组织发送；

对比下完全随机排列：

可以看到，虽然节点索引或者节点信息是唯一值，但是我们在调用这个列表并基于编号去通信时，对通信对手的信息预判较为杂乱，不利于部署优化算法； S13：如果有新增共识节点或者减少共识节点，则重新生成相应的配置交易，重复S11和S12。

S2:节点发送区块消息；

S21:节点收到其他节点发送的区块，检查区块，确定是否进行后续流程:

S211：检查该区块的合法性,例如发起者身份等；

S212：检查该区块高度是否为最新区块；即查询本地数据，获取本地最新区块编号(该编号也称为区块高度)，该区块高度必须正好等于本地区块高度+1才能通过检查；

S213：通过检查后，执行区块内交易，更新本地账本(即本地数据库，用于记录历史区块、用户账户信息等)。在本地账本更新后，继续后续流程；否则，检查后为无效区块，结束广播流程；

S22:根据预设参数n1和n2，计算待发送区块目标节点集合,具体流程如下：

S221：预设参数n1和n2,其中n1表示固定节点的个数，n2表示随机节点的个数,n1和n2为网络预设的参数；一种优选方案，通过对组织规模的了解，可以将网络平均分为n1块，每一块网络的节点与其他块都不属于同一个组织；

S222：根据通信节点列表，计算n1个固定节点的取值；假设总的通信节点为 N，节点编号下标依次为0、1、…、N-1，该节点的下标为x(所述下标，即为列表中的编号)，则n1个节点的下标分别为(x+1)mod N、(x+1+[N/n1])mod N、(x+1+2*[N/n1])mod N、…、(x+1+(n1-1)*[N/n1])mod N。其中[]表示取整数部分，mod表示两数相除后的余数；例如5除3余2，则5mod 3＝2。以N＝10， n1分别为1、3、4，x为0举例：

n1的取值	x的值	通信节点下标集合
			1	0	1
3	0	1,4,7
			4	0	1,3,5,7

S223：将通信节点集合去掉S222中的节点和节点自身，再从剩余的节点中随机选取n2个节点。随机选取，是为了保留gossip的特性；

可以看到n1＝0，n2＝6，就是gossip算法。而n1＝3，n2＝3，可以使算法趋于稳定，锚定消息跨组织发送的对象，即通过n1算出来的对象。还可以看到，集合就是从1开始的，也就是说也会先把消息发送至本组织其他节点；

S224：合并S222和S223中得到的节点，得到待收消息节点的集合。

S23：依据节点集合，依次发送区块信息。每次发送区块信息的流程如下：

S231：向目标节点发送查询请求，询问目标节点区块高度；

S232:目标节点响应请求，向查询节点答复自身本地区块高度信息；

S233：接收节点响应，并检查目标节点区块高度是否为待广播区块的区块高度-1；

S234：S232中节点响应超时或者答复高度不对，则停止对该节点的广播；

S235：通过检查后，调用通信模块，发送区块给目标节点。

该流程中所述响应超时的参数由网络管理员根据经验设置。

对于广播交易而言，查询请求的大小与交易本身的大小差别不大，没有预交互的必要。但是，区块的大小一般是查询请求或者是交易大小的几千甚至上万倍，通过预交互的方式，可以避免大量的通信冗余。

实施例：

在区块链网络中部署100个共识节点，分别为{id:1，ip:192.168.0.1， port:10001}、{id:2，ip:192.168.0.1，port:10002}、…、{id:100， ip:192.168.0.1，port:10100}。由于在服务器上部署，不同的节点通过端口区分。

此时，节点id＝10本地区块高度为10000，节点id＝11本地区块高度为10000，节点id＝30本地区块高度为9997，节点id＝61因为网络故障无法接收消息。超时参数为5分钟。

1)相应的配置交易为

{其他字段信息

共识节点：

{id:1，ip:192.168.0.1，port:10001}，

{id:2，ip:192.168.0.1，port:10002}，

。。。

{id:100，ip:192.168.0.1，port:10100}

其他字段信息}

2)预设参数n1＝2，n2＝1，以节点id＝10为例说明区块广播过程。

a)节点在本地区块高度为10000时，收到区块高度9999的区块block1：

节点收到区块高度9999的区块时，本地高度为10000,10000+1＝10001不等于9999，节点不处理该区块，也不进行后续流程。

b)节点收到区块高度为10001的区块block2

b1)检查区块的合法性，包括不限于是否经过共识，交易是否合法等等

b2)检查区块高度10001-1＝10000(本地高度)

b3)通过检查后，根据block2的信息更新本地账本

b4)计算广播目标节点。

b41)根据共识节点信息，N＝100,

b42)计算固定节点。本节点id＝10，则x＝9。由相应的计算方法，2个节点下标分别为9+1＝10和9+1+[100/2]＝60。

b43)从共识节点集合中剔除id为10、11和61的节点信息，再随机选取一个节点{id:30，ip:192.168.0.1，port:10030}。

b44)合并b42和b43中的节点，得到广播目标节点集合：{id:11， ip:192.168.0.1，port:10011}，{id:30，ip:192.168.0.1，port:10030}，和 {id:61，ip:192.168.0.1，port:10061}。

b5)依次向目标节点发送区块：

b51)向节点id＝11广播区块：

b511)向节点id＝11查询节点区块高度

b512)收到节点响应区块高度为10000，并且10000＝10001-1，满足广播条件。

b513)调用gRPC通信模块，向节点id＝11发送区块block2。

b52)向节点id＝30广播区块：

b521)向节点id＝30查询节点区块高度

b522)收到节点响应区块高度为9997，但是9997不等于该区块高度-1即10001-1，不满足广播条件。

b523)终止向节点id＝30发送区块block2。

b53)向节点id＝61广播区块：

b531)向节点id＝61查询节点区块高度

b532)5分钟后，仍然没有收到节点id＝61关于查询的相应信息，判断该节点超时，不满足广播条件。

b533)终止向节点id＝61发送区块block2。

b6)节点id＝11收到区块block2，继续类似b1)-b5)的流程，向其他节点发送区块。

可以看到，在b52)中可以避免发送对方无法处理的区块。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

1、对于成熟的gossip协议而言，广播目标节点一般为4-6，其为距离自己最近的节点。而在联盟链中，因为网络原因，可能无法有效的计算网络距离或者有更好的信息可以直接利用。本发明通过特定的节点列表计算方式，将通信效率高的节点都放在了列表相邻的地方。

2、本发明对比中继节点模式具有更优秀的容错性。以n1＝2，n2＝1为例，如果有故障或者恶意节点，n1＝2选择的另一个节点将继续网络广播。同时由于随机节点的加入，可以有效的提升消息扩散的速度。

3、取n1＝4或者6，n2＝0模拟gossip协议时，系统通信量降为原来通信量的1/4，同时使得相应baas平台的tps性能提升数倍。这是因为gossip协议不会因为对方区块高度合适或者收到过相应区块而终止广播。

4、广播目标节点采用n1+n2的模式，即固定点+随机点模式，保留了Gossip协议的特性，不会出现中继节点方案增加节点通信量的问题。且n1和n2的值可以动态配置，在应对不同场景时具有更好的灵活度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。特别的，本方案保留了分布式架构，如果在本方案框架下引入通信中继节点，依旧属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种联盟链上区块广播的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：节点通信列表动态更新；S1具体包括如下步骤：

S11：根据所有共识节点的信息，由网络管理者生成配置交易，将该交易打包进区块，在全网共识；

S12：解析共识后的区块中的数据，从通信配置信息中提取共识节点的通信信息，并将所述通信信息记录在内存中，形成节点通信列表；要求所有节点通过同样的配置信息可以计算出同样的通信列表；

S13：如果有新增共识节点或者减少共识节点，则重新生成相应的配置交易，重复S11和S12；

S2：节点发送区块消息，具体包括：

S21：所述节点收到其他节点发送的区块，检查区块，确定是否进行后续流程；S21具体包括如下步骤：

S211：检查接收区块的合法性；

S212：检查所述接收区块是否为最新区块：区块编号也称为区块的高度，查询本地数据，获取本地最新区块编号，所述接收区块的高度必须正好等于所述本地最新区块的高度+1才能通过检查；

S213：通过检查后，执行区块内交易，更新本地账本；在所述本地账本更新后，继续后续流程；否则，检查后为无效区块，结束广播流程；

S22：根据预设参数n1和n2，计算待发送区块目标节点集合；S22具体包括如下步骤：

S221：预设参数n1和n2,其中n1表示固定节点的个数，n2表示随机节点的个数,n1和n2为网络预设的参数；

S222：根据节点通信列表，计算n1个固定节点的取值；总的通信节点为N，节点编号下标依次为0、1、…、N-1，所述节点的下标为x，所述下标即为列表中的编号，则n1个节点的下标分别为(x+1)mod N、(x+1+[N/n1])mod N、(x+1+2*[N/n1])mod N、…、(x+1+(n1-1)*[N/n1])mod N，其中[]表示取整数部分，mod表示两数相除后的余数；

S223：将通信节点集合去掉S222中的节点和所述节点自身，再从剩余的节点中随机选取n2个节点；

S224：合并S222和S223中得到的节点，得到所述目标节点集合；

S23：依据所述待发送目标节点集合，依次发送区块信息。

2.如权利要求1所述的联盟链上区块广播的方法，其特征在于，S12中所述节点通信列表计算的方法如下：

S121：将所有参与组织的组织名按照特定的顺序排列；

S122：同一组织内的节点按索引值的特定的顺序排列；

S123:依次将上述节点排列起来，形成新的节点列表；节点所在的位置，就是节点用于后续广播的编号。

3.如权利要求1所述的联盟链上区块广播的方法，其特征在于，S221中将网络平均分为n1块，每一块网络的节点与其他块都不属于同一个组织。

4.如权利要求1所述的联盟链上区块广播的方法，其特征在于，S23具体包括如下步骤：

S231：向目标节点发送查询请求，询问目标节点区块高度；

S232：所述目标节点响应请求，向所述查询节点答复自身本地区块高度信息；

S233：接收节点响应，并检查所述目标节点区块高度是否为待广播区块的区块高度-1；

S234：S232中节点响应超时或者答复高度不对，则停止对该节点的广播；所述响应超时的参数由网络管理员根据经验设置；

S235：通过检查后，调用通信模块，发送区块给目标节点。