CN113676355A - 一种区块链多层级组网方法、设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种区块链多层级组网方法、设备及存储介质，本方法包括：将区块链网络划分为核心层、扩展层、分支层，核心节点通过拜占庭容错算法共识，并通过选举得到当前共识轮次主节点，扩展节点可选配置共识算法，分支节点采用权威证明共识算法进行共识，本地主要参与数据同步与交易转发。扩展节点按照固定间隔向核心节点上报状态数据，核心节点进行共识同步。分支层子网络对应的权威节点按照固定间隔采集分支层子网络的状态数据，并上报至扩展层网络，其他分支层子网络从扩展层节点进行状态同步，扩展节点可通过核心节点进行跨链操作，分支节点可通过权威节点进行跨链代理操作。本发明通过分层组网的方式大大提升区块链网络的可扩展性与效率。

Description

一种区块链多层级组网方法、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及计算机网络领域，尤其涉及一种区块链多层级组网方法、设备及存储介质。
背景技术
区块链系统是一种去中心化、多节点参与分布式共享账本系统，系统中的所有节点均需参与投票和共识，在共识过程当中，需要实现对应的分布式共识协议以达到所有节点的数据一致性。上述过程一方面需要耗费比较大的网络带宽资源，另一方面在进行网络组网时，大量的网络节点需要打通网络，尤其是拜占庭容错算法要求将网络构建成为全连接网络，在上述条件下，单个节点的连接方式的变化会影响整体网络的连接，组网成本高昂，维护难度大。
发明内容
本发明提供一种区块链多层级组网方法、设备及存储介质，通过将网络按照分层组网的形式进行组织，降低大型区块链网络的组网成本，同时提升网络共识效率。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
根据本发明的第一方面，提供一种区块链多层级组网方法，所述方法包括组网过程中的如下关键内容：
区块链网络划分为核心层、扩展层、分支层，处于不同层级的节点分别被称为核心节点、扩展节点、分支节点；
核心层网络配置为拜占庭容错算法进行共识，并通过选举得到当前共识轮次主节点；
扩展节点可配置为故障容错算法或拜占庭容错算法进行共识，扩展节点可选接入至少一个所述核心节点；
接入所述核心节点的所述扩展节点，将按照固定间隔上报当前扩展层区块链状态；
核心层提供区块链预置智能合约，支持扩展层固定间隔调用并上报状态数据；
扩展节点上报的状态数据，将由核心节点验证后共识广播至核心层全网；
分支节点配置为权威证明共识算法进行共识，数个连通的分支节点组成分支层子网络，所述分支层子网络中至少有一个分支节点接入至少一个扩展节点，接有分支节点的扩展节点被作为该分支节点所属分支层子网络的权威节点，将进行数据验证与区块打包动作；
分支节点将会把交易指令转发至扩展层的权威节点进行处理。
进一步地，所述核心节点进行对等通信，所有状态数据均通过共识算法进行同步；所述拜占庭容错算法可以为实用拜占庭容错算法(PBFT)或是鲁棒拜占庭容错算法(RBFT)。
进一步地，所述核心层网络采用数字证书控制的准入机制，区块链节点通过统一的核心层CA中心签发准入证书才可成为核心节点。
进一步地，所述扩展层网络采用节点认证加数字证书控制的准入机制，在核心节点同意新增扩展节点之后，再由统一的核心层CA中心或另寻扩展层CA中心签发对应数字证书实现身份认证。
进一步地，数个连通的扩展节点组成扩展层子网络，所述扩展层子网络中至少有一个扩展节点接入至少一个核心节点，某扩展层子网络可以通过直接接入核心节点取得其他扩展层子网络上报的状态数据；
扩展节点上报的状态数据包括上报间隔内提交的区块头信息、状态树根信息、交易树信息、回执树信息以及所属扩展层子网络集群信息。
进一步地，不同扩展层子网络的扩展节点可以通过核心节点进行跨链操作，核心节点将充当中继角色；扩展节点通过核心节点查询其他扩展层子网络连接状态，跨链操作时，目的链地址以"核心节点标识-扩展层子网络标识"的命名方式进行组织，从而核心层网络可将跨链交易快速路由至目标扩展层子网络。
进一步地，不同分支层子网络的分支节点可以通过扩展节点进行跨链操作，扩展节点将充当中继角色；分支节点通过扩展层权威节点代理跨链操作，扩展层权威节点可直接将分支节点提交的跨链交易在共识后，交由目标分支层子网络对应的权威节点进行处理，无需继续提交至目标分支层子网络内部的分支节点，目标分支层子网络内部的分支节点最后将获取其所属分支层子网络对应的权威节点的处理结果数据。
进一步地，所述分支层网络采用gossip网络协议同步数据，保证最终数据一致。
根据本发明的第二方面，提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述区块链多层级组网方法的步骤。
根据本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述区块链多层级组网方法的步骤。
本发明的有益效果是：本发明提供的区块链多层级组网方法，通过划分不同层级的网络节点，并根据不同层级节点应用不同的共识算法，通过避免区块链的全连接，结合权威证明和gossip网络协议实现分支节点的数据最终一致性，实现降低节点的组网难度，减少网络的通讯数据量，降低区块链的组网维护成本，通过分层处理提升逐层网络的处理效率。
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的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中区块链分层组网示意图。
图2是本发明一实施例中区块链按组织组网结构示意图。
图3是本发明一实施例的区块链多层级组网步骤图。
图4是本发明一实施例实施对应的计算机设备内部结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的区块链多层级组网方法，可应用在如图1所示的应用环境中，如图1所示，区块链核心节点通过点对点通信的方式连接到其他节点，如图中101所示，采用拜占庭容错算法进行共识，并通过选举得到当前共识轮次主节点，核心节点之间投票权重相同，主要由多个机构共同参与组建。通常来讲，核心节点代表网络的主要参与方，以大型组织或是政府机构组成。如图中102所示为扩展节点，扩展节点通常为大型组织或是政府机构的二级单位，这些单位之间通常需要进行业务合作，通过扩展节点组成联盟链即扩展层子网络可以扩展上述单位的合作能力。如图中103所示为分支节点，分支节点对共识要求不高，这些节点通常由二级单位的下属单位或组织维护，因此分支节点需要完成相互之间的数据同步，并通过权威节点进行数据的确认，因此在分支节点之间，需采用权威证明共识的方式进行数据一致性的保证。
在一实施例中，如图2所示，提供一种多组织多层级组网结构示意图，图中包括三个大型组织org1,org2,org3，每个大型组织运营一到多个核心节点，在组织内部可以包括一个由至少三个扩展节点组成的扩展层子网络，如图中202所示，在组织内部可以包括多个由至少一个分支节点组成的分支层子网络，如图中203所示。
在一实施例中，如图3所示，提供一种区块链多层级组网方法，以该方法应用在图1中的应用环境为例进行说明，所述方法包括S301至S305：
S301为核心层网络组网，核心层网络组网方式与传统联盟链组网相同，区块链节点通过统一的核心层CA中心授权实现准入，并需要存量的网络节点同意才可以完成节点加入过程。
在核心层网络中，节点的加入退出均需要进行投票，加入节点需要通过完整的集群确认周期，即，待加入节点发送请求至介绍节点，介绍节点发起新节点新增流程，存量节点需进行一轮投票，完成之后，同意新节点加入，将状态信息返回至新节点，并更新全网节点数量；删除节点则需要由待删除节点主动发起退出请求，该请求将发送至所有存量节点，存量节点发起一轮投票，同意后完成退出流程。
S302为扩展节点连接核心节点，主要通过专线打通的方式进行连接，数量至少为一个核心节点，为保证数据可信，扩展节点与核心节点之间需建立安全信道。本实施例主要采用TLS方式建立安全信道。
S303为扩展层网络组网，扩展层网络可以采用多种组网模式，依照所在组织结构的组织形式，若组织形式较为松散，可以采用拜占庭容错算法进行组网，整体更加可信，若是以集团分支的形式组网，则可以采用故障容错算法进行组网，通信效率较高，共识性能较优。
S304为分支节点连接扩展节点，在连接方式层面，可以采用S302中的方式，也可以依照内部安全要求连接即可。
S305为分支层网络组网，该过程主要以权威证明共识算法进行组网，该算法有较高的效率，分支节点缺乏运维能力，其加入退出应当对主干网络没有较大影响，在组网方式层面，可以采用转发或是专线连接。
在本实施例中，不同扩展层子网络的扩展层节点可以通过核心节点进行跨链操作，核心节点将充当中继角色；扩展节点通过核心节点查询其他扩展层子网络连接状态，跨链操作时，目的链地址以"核心节点标识-扩展层子网络标识"的命名方式进行组织，从而核心层网络可将跨链交易快速路由至目标扩展层子网络。
不同分支层子网络的分支节点可以通过扩展节点进行跨链操作，扩展节点将充当中继角色；分支节点通过扩展层权威节点代理跨链操作，扩展层权威节点可直接将分支节点提交的跨链交易在共识后，交由目标分支层子网络对应的权威节点进行处理，无需继续提交至目标分支层子网络内部的分支节点，目标分支层子网络内部的分支节点最后将获取其所属分支层子网络对应的权威节点的处理结果数据。
在分支节点发起的交易请求，将会转发到扩展节点进行验证并处理，在数据确认并提交之后，以gossip网络协议的方式再传播到所有分支节点进行提交，属于特定分支层子网络的数据，将最终只扩散到该分支层子网络的分支节点，一方面可保障数据隐私，另一方面，降低全网集群数据同步以及存储压力，降低成本。
在本实施例中的一些可选的实现方式中，在S303-1中，扩展层网络需要向核心层网络上报当前区块链的状态数据，本过程具体为：
按照固定间隔上报区块链状态，扩展节点需定期上报当前扩展层区块链状态至核心节点，上报间隔可以是固定区块间隔或是固定时间间隔，通常上报间隔为10个区块或是24小时上报。
在本实施例中的一些可选的实现方式中，在S305-1中，由于分支节点并不具备区块链确认能力，因此分支层子网络的区块链状态由该分支层子网络对应的权威节点采集并按照固定间隔上报至扩展层网络。由于本机制存在数据集中性问题，因此上报节点一般多于一个。
其中上述步骤/模块/单元中的“第一”和“第二”的意义仅在于将不同的模块/单元加以区分，并不用于限定哪个模块/单元的优先级更高或者其它的限定意义。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块，本申请中所出现的模块的划分，仅仅是一种逻辑上的划分，实际应用中实现时可以有另外的划分方式。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图4所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储区块链多层级组网方法中的状态以及配置，该方法应用于区块链中的任一节点中涉及到的数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现如图3所示的区块链多层级组网方法。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例中区块链多层级组网方法的步骤，例如图3所示的步骤S301至步骤S305及该方法的其它扩展和相关步骤的延伸。
所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述计算机装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机装置的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述计算机装置的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、视频数据等)等。
所述存储器可以集成在所述处理器中，也可以与所述处理器分开设置。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中区块链多层级组网方法的步骤，例如图3所示的步骤S301至步骤S305及该方法的其它扩展和相关步骤的延伸。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种区块链多层级组网方法，其特征在于，区块链网络划分为核心层、扩展层、分支层，处于不同层级的节点分别被称为核心节点、扩展节点、分支节点，所述方法包括：
核心层网络配置为拜占庭容错算法进行共识，并通过选举得到当前共识轮次主节点；
扩展节点可配置为故障容错算法或拜占庭容错算法进行共识，扩展节点可选接入至少一个所述核心节点；
接入所述核心节点的所述扩展节点，将按照固定间隔上报当前扩展层区块链状态；
核心层提供区块链预置智能合约，支持扩展层固定间隔调用并上报状态数据；
扩展节点上报的状态数据，将由核心节点验证后共识广播至核心层全网；
分支节点配置为权威证明共识算法进行共识，数个连通的分支节点组成分支层子网络，所述分支层子网络中至少有一个分支节点接入至少一个扩展节点，接有分支节点的扩展节点被作为该分支节点所属分支层子网络的权威节点，将进行数据验证与区块打包动作；
分支节点将会把交易指令转发至扩展层的权威节点进行处理。
2.根据权利要求1所述的区块链多层级组网方法，其特征在于，所述核心节点进行对等通信，所有状态数据均通过共识算法进行同步；所述拜占庭容错算法为实用拜占庭容错算法或是鲁棒拜占庭容错算法。
3.根据权利要求1所述的区块链多层级组网方法，其特征在于，所述核心层网络采用数字证书控制的准入机制，区块链节点通过统一的核心层CA中心签发准入证书才能够成为核心节点。
4.根据权利要求1所述的区块链多层级组网方法，其特征在于，所述扩展层网络采用节点认证加数字证书控制的准入机制，在核心节点同意新增扩展节点之后，再由统一的核心层CA中心或另寻扩展层CA中心签发对应数字证书实现身份认证。
5.根据权利要求1所述的区块链多层级组网方法，其特征在于，
数个连通的扩展节点组成扩展层子网络，所述扩展层子网络中至少有一个扩展节点接入至少一个核心节点，某扩展层子网络可以通过直接接入核心节点取得其他扩展层子网络上报的状态数据；
扩展节点上报的状态数据包括上报间隔内提交的区块头信息、状态树根信息、交易树信息、回执树信息以及所属扩展层子网络集群信息。
6.根据权利要求5所述的区块链多层级组网方法，其特征在于，不同扩展层子网络的扩展节点可以通过核心节点进行跨链操作，核心节点将充当中继角色；扩展节点通过核心节点查询其他扩展层子网络连接状态，跨链操作时，目的链地址以"核心节点标识-扩展层子网络标识"的命名方式进行组织，从而核心层网络可将跨链交易快速路由至目标扩展层子网络。
7.根据权利要求1所述的区块链多层级组网方法，其特征在于，不同分支层子网络的分支节点可以通过扩展节点进行跨链操作，扩展节点将充当中继角色；分支节点通过扩展层权威节点代理跨链操作，扩展层权威节点可直接将分支节点提交的跨链交易在共识后，交由目标分支层子网络对应的权威节点进行处理，无需继续提交至目标分支层子网络内部的分支节点，目标分支层子网络内部的分支节点最后将获取其所属分支层子网络对应的权威节点的处理结果数据。
8.根据权要求1所述的区块链多层级组网方法，其特征在于，所述分支层网络采用gossip网络协议同步数据，保证最终数据一致。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如权利要求1-7中任一项所述区块链多层级组网方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述区块链多层级组网方法的步骤。
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