CN113674095A - 一种基于交易dag提高区块链吞吐量的方法 - Google Patents

一种基于交易dag提高区块链吞吐量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于交易DAG提高区块链吞吐量的方法，该方法将区块里的交易由链式结构改为交易DAG结构，区块之间仍为链式结构；在打包阶段，根据交易依赖关系构建交易DAG结构，生成基于交易DAG结构的区块；在执行阶段，在区块内部根据交易DAG结构获取并发执行的交易，为每个并发交易开启执行线程。本发明基于交易DAG结构，在保证交易执行结果正确性的前提下，能够大大降低维护开销，实现了交易并发执行，提高了区块链的吞吐量。

Description

一种基于交易DAG提高区块链吞吐量的方法
技术领域
本发明属于区块链技术领域，尤其涉及一种基于交易DAG提高区块链吞吐量的方法。
背景技术
在区块链中，共识算法需保证：1）交易排序结果的一致性；2）执行结果的一致性。目前区块链共识大多采用拜占庭容错（BFT,Byzantine Fault Tolerance）、PoW或者故障容错（CFT,Crash Fault Tolerance），这些共识算法经过共识后交易顺序即可确定，区块组织方式是链式结构，要保证交易的全序，这些区块链执行交易无法并行执行，现在处理器大多是多核架构，那么处理能力会受到很大制约，是区块链吞吐量（TPS, Transaction perSecond）的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于交易DAG提高区块链吞吐量的方法，本发明在共识算法的基础上通过流程设计，对区块内交易的组织结构进行DAG构造，在保证交易排序结果一致性以及执行结果一致性的同时，实现交易的并发执行，提高区块链的吞吐量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于交易DAG提高区块链吞吐量的方法，该方法包括：
在打包阶段，根据交易依赖关系构建交易DAG结构，生成基于交易DAG结构的区块；区块之间为链式结构；
在执行阶段，在区块内部根据交易DAG结构获取并发执行的交易，为每个并发交易开启执行线程。
进一步地，根据交易时间戳和交易互斥资源构建交易DAG结构的顶点和依赖边，顶点属性包括入度、出边和区块链交易信息，如果两个顶点的交易之间有依赖关系，则在两个顶点之间构建一条边。
进一步地，所述交易DAG结构中维护一个并发执行队列，如果某顶点的入度为0（无被依赖的前序任务），则将该顶点中的交易加入并发执行队列；在执行阶段，根据并发执行队列确定并发执行的交易，交易执行完成后，将执行完成交易的后续交易对应的顶点入度减1，并根据入度更新并发执行队列，递归执行并发执行队列的交易，直至执行完所有交易。
进一步地，基于交易DAG结构的交易执行流程具体为：
(1)用户发起交易到区块链节点；
(2)区块链节点接收交易，经过验签后放入本地交易池缓存交易；
(3)打包阶段：将交易池中的交易进行打包，根据交易依赖关系构建交易DAG结构，生成基于交易DAG结构的区块；
(4)将区块进行广播共识；
(5)执行阶段：在区块内部根据交易DAG结构获取并发执行的交易，为每个并发交易开启执行线程；
(6)区块链节点对交易执行结果进行验证，验证成功后，按链式顺序将区块上链，执行结果写入账本。
进一步地，所述交易DAG结构的构建过程具体为：在进行交易打包时，从区块链节点的本地交易池中按时间戳顺序取出交易，分析交易的互斥资源的占用关系，从而构造出一个基于交易DAG结构的区块。
进一步地，所述交易DAG结构中，交易的数据结构包括如下结构元素：交易源地址From、交易目的地址To、交易额度Value、时间戳Timestamp、签名信息Signature、身份信息Id、交易哈希值TransactionHash、随机值Nonce、其他信息Other；互斥资源为From、To两个元素，根据交易源地址和交易目的地址确定交易的依赖关系。
进一步地，所述交易DAG结构的设计如下：
(1)顶点结构，包括如下结构元素：顶点的入度In、顶点的出边Out、区块链交易信息Tx；
(2)交易DAG结构，包括如下结构元素：顶点列表VertexList、并发执行队列ConcurrencyQueue、顶点总数TotalVertex、已经执行顶点数HasExecuted。
进一步地，所述交易DAG结构的操作接口包括：
Init(TotalVertex)：初始化一个顶点总数为TotalVertex的DAG实例；
AddEdge(from,to)：在顶点from,to之间建立一条有向边；
GenDAG()：根据顶点和边构建一个交易DAG结构；
ExcuteTX()：并发执行入度为0的顶点中的交易；
GlearDAG()：清空交易DAG结构中的顶点和边信息，以及交易信息。
进一步地，基于交易DAG结构的区块结构包括如下结构元素：区块父哈希ParentHash、区块哈希头HeadHash、区块序号Number、区块写入时间戳WriteTime、区块生成时间戳Timestamp、区块中执行交易平均用时AvgTime、区块中交易总数TxCounts、默克尔树根哈希MerkleRoot、交易DAG结构TXDAG。
进一步地，所述区块的操作接口包括：
GenDAGBlock()：用于生成基于交易DAG结构的区块；
BroadCastBlock()：广播区块；
ExecuteBlock()：执行区块；
VerifyBlock()：验证区块；
WriteBlock()：写入区块。
本发明的有益效果是：本发明将区块里的交易由链式结构改为DAG结构，区块之间还是链式结构，这种结构设计在保证交易执行结果正确性的前提下，同时能够大大降低维护开销，实现了交易并发执行，提高了区块链的吞吐量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于交易DAG结构的交易执行流程图；
图2为本发明实施例提供的交易DAG结构的构建流程图；
图3为本发明实施例提供的交易并发执行流程图；
图4为本发明实施例提供的方法实现整体架构图。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提出一种基于交易DAG提高区块链吞吐量的方法，本发明将区块里的交易由链式结构改为DAG结构，区块之间仍为链式结构，这种结构设计不仅使得交易可以并发执行提高性能，还使得区块链结构容易维护。
DAG即一个无环的有向图，称做有向无环图（Directed Acyclic Graph）。将区块里的交易由链式结构改为DAG结构，主要的挑战有：1、保证交易的有序性；2、保证交易执行结果的一致性。为此本发明在一批交易中，需要先识别出每笔交易需要占用的互斥资源，再根据交易在区块中的顺序及互斥资源的占用关系构造出一个交易依赖DAG图，也就是说能够保证交易的全序，并发执行不影响执行结果。那么凡是入度为0的交易均可以并行执行。区块链共识完成后进入交易执行阶段，交易执行阶段实现并发处理，大大提高了区块链的处理能力。在并发执行交易的同时，因为根据交易的互斥关系构造DAG结构，所以不影响交易执行结果的一致性，达到了与区块里交易链式结构一样的执行结果。因此本发明基于交易DAG结构，在保证交易执行结果正确性的前提下，能够大大降低维护开销，实现了交易并发执行，提高了区块链的吞吐量。
图1为本发明一个实施例提供的基于交易DAG结构的交易执行流程图，交易流执行流程具体如下：
(1)用户发起交易到区块链节点；
(2)区块链节点接收交易，经过验签后放入本地交易池缓存交易；
(3)打包阶段：将交易池中的交易进行打包，根据交易依赖关系构建交易DAG结构，生成基于交易DAG结构的区块；
(4)将区块进行广播共识；
(5)执行阶段：在区块内部根据交易DAG结构获取并发执行的交易，为每个并发交易开启执行线程；
(6)区块链节点对交易执行结果进行验证，验证成功后，按链式顺序将区块上链，执行结果写入账本。
在一个实施例中，在进行交易打包时，从区块链节点的本地交易池中按时间戳顺序取出交易，分析该交易的互斥资源的占用关系，从而构造出一个基于交易DAG结构的区块。
在交易DAG结构中，交易的数据结构如下所示：
结构元素 说明
From 交易源地址
To 交易目的地址
Value 交易额度
Timestamp 时间戳
Signature 签名信息
Id 身份信息
TransactionHash 交易哈希值
Nonce 随机值
Other 其他信息
互斥资源为From、To两个元素，即根据交易源地址和交易目的地址来确定交易的依赖关系。
交易DAG结构的设计如下：
(1)顶点结构：
结构元素 说明
In 顶点的入度
Out 顶点的出边
Tx 区块链交易信息
如果两个顶点的交易之间有依赖关系，则在两个顶点之间构建一条边。
(2)交易DAG结构：
结构元素 说明
VertexList 顶点列表
ConcurrencyQueue 并发执行队列，用于存储入度为0的顶点
TotalVertex 顶点总数
HasExecuted 已经执行顶点数
(3)DAG操作接口：
Init(TotalVertex)：初始化一个顶点总数为TotalVertex的DAG实例；
AddEdge(from,to)：在顶点from,to之间建立一条有向边；
GenDAG()：根据顶点和边构建一个交易DAG结构；
ExcuteTX()：并发执行入度为0的顶点中的交易；
GlearDAG()：清空交易DAG结构中的顶点和边信息，以及交易信息。
基于交易DAG结构的区块设计如下：
(1)区块结构：
结构元素 说明
ParentHash 区块父哈希
HeadHash 区块哈希头
Number 区块序号
WriteTime 区块写入时间戳
Timestamp 区块生成时间戳
AvgTime 区块中执行交易平均用时
TxCounts 区块中交易总数
MerkleRoot 默克尔树根哈希，用于交易验证
TXDAG 交易DAG结构
(2)区块操作接口：
GenDAGBlock()：用于生成基于交易DAG结构的区块；
BroadCastBlock()：广播区块；
ExecuteBlock()：执行区块；
VerifyBlock()：验证区块；
WriteBlock()：写入区块。
根据交易的源地址和目的地址分析出该区块链内交易的相互依赖关系，例如交易a:A到B与交易b:A到C有依赖关系，与交易c:D到E则无依赖关系，然后根据交易依赖关系构建交易DAG结构，并生成基于交易DAG结构的区块。
在一个实施例中，交易DAG结构的构建流程如图2所示，包括以下步骤：
(1)从交易池中读取打包交易列表；
(2)根据交易总数初始化DAG实例；
(3)构建交易DAG结构的顶点和边信息；
(4)根据时间戳按照顺序读出所有交易，并分析该交易是否可并行交易，如果可以并行，检查是否有之前的交易与该交易有依赖，如果有，则在相应交易间构造依赖边；若该交易不可并行，则其必须在前序的所有交易都执行完后才能执行，因此在该交易与其所有前序交易间建立一条依赖边；图2中，txld表示该打包交易列表中的第txld个交易，total表示该打包交易列表中的总交易数；
(5)直至打包交易列表中所有交易均分析完成，此时构建出该打包交易列表中所有交易的交易DAG结构；
(6)生成基于交易DAG结构的区块。
在一个实施例中，交易DAG结构中维护一个并发执行队列，如果某顶点的入度为0（无被依赖的前序任务），则将该顶点中的交易加入并发执行队列；执行阶段的并发执行流程如图3所示，包括以下步骤：
(1)区块链节点接收共识后的区块；
(2)从区块中读取交易DAG结构中的交易；
(3)读取交易DAG结构中的并发执行队列，根据并发执行队列中可以并发执行的交易数量，初始化执行线程，并开始执行交易，执行成功后将该交易的后续交易对应的顶点入度减1，并根据入度更新并发执行队列，递归执行并发执行队列中的交易，直至执行完所有交易。
在一个实施例中，本发明方法的实现架构主要包括接口层、事件总线、网络模块、共识模块、执行模块和账本，参见图4。
其中，共识过程如下：用户发送交易到某区块链节点，节点接收交易后首先缓存到本地交易池中，随后转发给其他共识节点，共识模块承担着缓存交易与打包、构建基于交易DAG结构的区块的作用。本实施例中，共识模块保证了两方面的一致性：1）交易排序结果的一致性；2）交易执行结果的一致性；主节点需要对收到的交易进行排序、打包、构建基于交易DAG结构的区块、并发执行等，并将执行完的区块连同执行结果一起广播给所有从节点，所有共识节点需要对主节点对交易进行DAG构建的结果及执行结果达成一致后才能同意该区块最终写入区块链。
区块执行过程如下：
1.共识模块完成交易打包，基于交易DAG结构的区块构建后，会将该区块封装成一个执行事件通过事件总线抛送给执行模块；
2.执行模块接收执行事件后，将事件添加到执行队列；
3.执行模块唤醒后台执行线程，执行线程将事件取走，对交易DAG结构中的交易进行并发执行，通过并发执行队列获取交易，然后开启新的线程进行执行，每条交易执行过程又分为以下步骤：
1)检查用户签名；
2)解析交易参数；
3)创建交易执行环境；
4)创建交易执行上下文；
5)检查执行权限；
6)将执行信息传递给合约执行引擎进行执行；
7)若执行失败，将交易内容及失败原因封装成非法交易日志；若执行成功，将执行结果与交易内容封装成交易回执；
8)将交易内容、回执内容传递给交易哈希计算工具、回执内容计算工具；
4.所有交易执行完毕后，调用账本对象的提交函数，将期间所有账本的改动刷新到数据库Batch对象中，并对账本进行哈希重计算，生成账本哈希标识；
5.调用交易哈希计算工具、回执内容计算工具进行哈希计算，得到批量交易的哈希标识、批量回执的哈希标识；
6.将账本哈希标识、交易哈希标识、回执哈希标识作为输入进行哈希计算，所得结果为执行该事件的结果标识；
7.调用共识模块的recvLocal函数，将结果标识传递给共识模块；
8.将执行结果封装成BlockResult结构体进行缓存。
区块提交过程如下：
1.共识模块完成节点共识后，将经过共识的区块号、时间戳等信息封装成区块提交事件，经由事件总线传递给执行模块；
2.执行模块接收区块提交事件后，将事件添加到提交队列；
3.执行模块唤醒后台提交事件处理线程，处理线程将事件取走，进行区块提交动作；区块提交动作又可以细分为以下步骤：
1)事件合法性检查；
2)取出区块；
3)从缓存中取出存放账本改动的Batch对象，将更新区块动作加入Batch对象中；
4)更新区块链chain结构；
5)将非法交易抛还给发出节点进行持久化；
6)删除失效的缓存内容。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于交易DAG提高区块链吞吐量的方法，其特征在于，包括：
在打包阶段，根据交易依赖关系构建交易DAG结构，生成基于交易DAG结构的区块；区块之间为链式结构；
在执行阶段，在区块内部根据交易DAG结构获取并发执行的交易，为每个并发交易开启执行线程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据交易时间戳和交易互斥资源构建交易DAG结构的顶点和依赖边，顶点属性包括入度、出边和区块链交易信息，如果两个顶点的交易之间有依赖关系，则在两个顶点之间构建一条边。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交易DAG结构中维护一个并发执行队列，如果某顶点的入度为0，则将该顶点中的交易加入并发执行队列；在执行阶段，根据并发执行队列确定并发执行的交易，交易执行完成后，将执行完成交易的后续交易对应的顶点入度减1，并根据入度更新并发执行队列，递归执行并发执行队列的交易，直至执行完所有交易。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于交易DAG结构的交易执行流程具体为：
(1)用户发起交易到区块链节点；
(2)区块链节点接收交易，经过验签后放入本地交易池缓存交易；
(3)打包阶段：将交易池中的交易进行打包，根据交易依赖关系构建交易DAG结构，生成基于交易DAG结构的区块；
(4)将区块进行广播共识；
(5)执行阶段：在区块内部根据交易DAG结构获取并发执行的交易，为每个并发交易开启执行线程；
(6)区块链节点对交易执行结果进行验证，验证成功后，按链式顺序将区块上链，执行结果写入账本。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交易DAG结构的构建过程具体为：在进行交易打包时，从区块链节点的本地交易池中按时间戳顺序取出交易，分析交易的互斥资源的占用关系，从而构造出一个基于交易DAG结构的区块。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交易DAG结构中，交易的数据结构包括如下结构元素：交易源地址From、交易目的地址To、交易额度Value、时间戳Timestamp、签名信息Signature、身份信息Id、交易哈希值TransactionHash、随机值Nonce、其他信息Other；互斥资源为From、To两个元素，根据交易源地址和交易目的地址确定交易的依赖关系。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交易DAG结构的设计如下：
(1)顶点结构，包括如下结构元素：顶点的入度In、顶点的出边Out、区块链交易信息Tx；
(2)交易DAG结构，包括如下结构元素：顶点列表VertexList、并发执行队列ConcurrencyQueue、顶点总数TotalVertex、已经执行顶点数HasExecuted。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述交易DAG结构的操作接口包括：
Init(TotalVertex)：初始化一个顶点总数为TotalVertex的DAG实例；
AddEdge(from,to)：在顶点from,to之间建立一条有向边；
GenDAG()：根据顶点和边构建一个交易DAG结构；
ExcuteTX()：并发执行入度为0的顶点中的交易；
GlearDAG()：清空交易DAG结构中的顶点和边信息，以及交易信息。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于交易DAG结构的区块结构包括如下结构元素：区块父哈希ParentHash、区块哈希头HeadHash、区块序号Number、区块写入时间戳WriteTime、区块生成时间戳Timestamp、区块中执行交易平均用时AvgTime、区块中交易总数TxCounts、默克尔树根哈希MerkleRoot、交易DAG结构TXDAG。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述区块的操作接口包括：
GenDAGBlock()：用于生成基于交易DAG结构的区块；
BroadCastBlock()：广播区块；
ExecuteBlock()：执行区块；
VerifyBlock()：验证区块；
WriteBlock()：写入区块。
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