CN113821549B - 一种基于云存储的区块链数据检索系统及方法 - Google Patents

一种基于云存储的区块链数据检索系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于云存储的区块链数据检索系统及方法，依据所述方法，对等节点将区块链账本日志存储到1个或多个云存储模块，并由云存储模块提供区块链数据检索与共识服务，云存储模块接收到检索请求后在本地执行数据检索算法，将检索结果发送到邻近的云存储模块，邻近的云存储模块在本地执行数据共识算法并反馈共识结果。任何一个云存储模块都具备数据检索与共识服务。检索者自定义接收或拒绝检索结果的条件。公开了一种基于云存储的区块链数据检索系统，在Hyperledger Fabric上实施区块链网络，新增设置云存储模块，采用JSON格式在云存储模块之间传输数据，云存储模块间采用gossip协议进行通信。

Description

一种基于云存储的区块链数据检索系统及方法
技术领域
本发明涉及计算机、数据存储与分布式计算技术领域，尤其涉及一种基于云存储的区块链数据检索系统及方法。
背景技术
当前的区块链数据通常采用链式存储结构，区块链网络的对等节点在本地冗余地存储整个区块链账本数据，利用大量冗余的账本数据在区块链网络中达成共识，抵抗对账本数据的篡改攻击。然而，区块链网络的规模越大、应用时间越长，区块链账本数据的存储量便越大，对等节点的存储成本非常高，存储压力随之增大。
为了缓解对等节点的区块链账本存储压力，各行业提出了多种方法，例如压缩存储区块数据、链上+链下存储方式等。还有一种是采用云存储与共享的方式降低对等结点的存储量，具体做法是，设置M个云存储模块，N个对等节点确认区块数据的合法性后，将区块数据及其数字签名存储到T(1≤T≤M)个云存储模块。已经证明，当N足够大时，总能找到合适的M(M<<N)，不会在区块链网络中引入新的安全威胁，同时将整个区块链网络的完整账本冗余量由N降低到M。该方法新增的附加存储量远小于1个完整账本的存储量，因此N越大时，该方法的账本存储优化性能越明显。
区块链数据的云存储与共享方法能安全、有效地降低区块链网络的账本存储量。由此而产生的问题是，在该存储结构的基础上，如何提供区块数据检索服务，同时保障检索结果的合法性，即数据共识服务。本发明针对这个问题，提出一种基于云存储的区块链数据检索方法，主要解决2个技术问题：在云存储模块中检索数据、在云存储模块之间对检索结果达成共识服务。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于云存储的区块链数据检索系统及方法。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
一种基于云存储的区块链数据检索系统，由区块链网络、云存储集群构成；
所述云存储集群，由若干个云存储模块构成，每个云存储模块包括账本日志、数据检索与共识服务模块、索引与缓存模块、账本同步模块。
一种基于云存储的区块链数据检索方法，包括：
检索者向云存储模块发出检索请求，受理检索请求的云存储模块在本地实施数据检索算法；
实施数据检索算法的云存储模块将检索结果通过gossip协议发送到其他邻居云存储模块，发出共识请求；
受理共识请求的云存储模块在本地实施数据共识算法，验证检索结果，并反馈共识应答；
受理检索请求的云存储模块收集共识应答，在检索请求有效时间范围内将检索结果反馈到检索者；
检索者综合验证检索结果，依据共识节点的数量、检索结果的一致性作出接收或拒绝检索结果的决策。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
本发明在Hyperledger Fabric上实施区块链网络，新增设置云存储模块，采用JSON格式在云存储模块之间传输数据，云存储模块间采用gossip协议进行通信。
附图说明
图1是基于云存储的区块链数据检索方法应用场景示意图；
图2是云存储模块的结构示意图；
图3是基于云存储的区块链数据检索方法示意图；
图4是数据检索服务的输出；
图5是索引与缓存的结构图；
图6是数据检索算法；
图7是数据共识算法。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
基于云存储的区块链数据检索系统，包括1个区块链网络和1个云存储集群，其中云存储集群由M个云存储模块构成，见图1所示。区块链网络的对等节点将区块及其数字签名存储到T(1≤T≤M)个云存储模块中。M个云存储模块之间构成一个P2P网络，主要采用gossip协议进行通信。
所述云存储模块，包括账本日志、索引与缓存、数据检索与共识服务、账本同步模块，见图2所示。
账本日志，包括完整的账本数据、区块Hash、以及对等节点的数字签名列表，并满足条件：任意1个区块对应1个及以上数量的数字签名。
数据检索与共识服务，包括数据检索服务与数据共识服务。数据检索服务是指云存储模块在索引与缓存、账本日志中搜索符合检索条件的区块并返回检索结果；数据共识服务是指云存储模块验证检索结果的合法性，并返回共识结果。
索引与缓存，依据DAPP、智能合约、特定关键字、历史检索记录等建立分类分级索引与缓存，用于提高数据检索的响应速度，缩短检索时间。
账本同步模块，实现对等节点与云存储模块之间区块同步，即，对等节点将最新确认的区块及其数字签名发送到云存储模块；云存储模块验证对等节点的数字签名后，将区块及其数字签名同步到云存储模块的账本日志。
一种基于云存储的区块链数据检索方法，包括数据检索算法和数据共识算法。数据检索算法依据检索条件在索引与缓存、账本日志中搜索满足检索条件的区块，返回检索结果，数据共识算法是指确认检索结果的一致性，见图3所示。基于云存储的区块链数据检索方法描述如下。
(1)检索者向1个或多个云存储模块发出检索请求，受理检索请求的云存储模块在本地实施数据检索算法；
(2)实施数据检索算法的云存储模块将检索结果通过gossip协议发送到其他邻居云存储模块，发出共识请求；
(3)受理共识请求的云存储模块在本地实施数据共识算法，验证检索结果，并反馈共识应答；
(4)受理检索请求的云存储模块收集共识应答，在检索请求有效时间范围内将检索结果反馈到检索者；
(5)检索者综合验证检索结果，依据条件(如共识节点的数量、检索结果的一致性等)作出接收或拒绝检索结果的决策。
算法1：数据检索算法
输入：检索关键字，有效时间范围
输出：检索结果，见图4所示。满足检索条件的区块存在0个或多个，区块1…区块n表示命中检索条件的区块。检索结果中，每个命中的区块包括1个节点数字签名列表，该列表包括在云存储模块上对该区块签名的对等节点信息，其中最主要的信息有对等节点的数字签名。
步骤：(1)检索者同时向1个或多个云存储模块发出检索请求，包括检索关键字和有效时间范围；
(2)云存储模块首先依据检索条件在“索引与缓存”中查找匹配的历史检索条件。“索引与缓存”结构见图5所示，起始区块号为检索结果已经查询过的区块检索范围，检索结果存储为一棵二叉树。如果当前检索条件与“索引与缓存”中的一个历史检索条件匹配，则转入(3)，否则置beginbk＝0并转入(4)；
(3)云存储模块从本地账本日志中获取当前最新区块号lastbk、从历史检索条件的“起始区块号”获取最大区块号maxbk，并作对比。当laskbk＝maxbk时，转入(5)，否则置beginbk＝maxbk+1转入(4)；
(4)在云存储模块的本地账本日志中依据检索条件进行查询，查询区块号范围为[beginbk,lastbk]。转入(6)。
(5)更新历史检索条件的检索时间为当前时间，转入(7)；
(6)如果beginbk＝0，则构造一个新的检索条件及检索结果，新增到“索引与缓存”中；否则更新历史检索条件的检索时间、起始区块号、检索结果二叉树，并转入(7)。
(7)按图4所示的结构整理出检索结果，通过gossip协议向邻近云存储模块发出共识请求。
(8)临时检索的终止时间，或者云存储模块收到足够多的共识应答时，整理检索结果，并向检索者反馈检索结果。
数据检索算法见图6所示。
算法2：数据共识算法
输入：数据检索结果
输出：接收检索结果并返回附加的对等节点签名，或者拒绝检索结果步骤：(1)接收来自数据检索算法的输出：数据检索结果
(2)对检索结果中的每个区块，根据区块号、区块Hash以及检索条件，如果遍历成功，则转入(3)，否则转入(5)；
(3)在本地账本日志中核实区块内容与检索条件的匹配性；
(4)如果对比匹配，在检索结果中附加本地账本日志中对应区块的对等结点数字签名，并转入(2)；如果对比不匹配，则转入(6)；
(5)更新本地的“索引与缓存”，共识一致性置为“接收”，转入(7)；
(6)共识一致性置为“拒绝”，转入(7)；
(7)返回共识结果，算法结束。
数据共识算法见图7所示。
如图3所示，检索者接收到1个或多个云存储模块的检索结果后，对检索结果中的每个区块，检查对等节点数字签名的数量，仅当全部区块的数字签名满足指定条件时(例如每个区块的数字签名数量不少于区块链网络中对等结点数量的1/3)，接收最终的检索结果，否则拒绝检索结果，基于云存储的区块链数据检索方法结束。
依据上述方法，对等节点将区块链账本日志存储到1个或多个云存储模块，并由云存储模块提供区块链数据检索与共识服务，云存储模块接收到检索请求后在本地执行数据检索算法，将检索结果发送到邻近的云存储模块，邻近的云存储模块在本地执行数据共识算法并反馈共识结果。任何一个云存储模块都具备数据检索与共识服务。检索者自定义接收或拒绝检索结果的条件。
以超级账本(Hyperledger Fabric)为例，说明本发明内容在超级账本区块链网络上的具体实施方式。
在Fabric区块链网络中，设置1个Orderer组织，包括5个Orderer节点；设置5个对等结点组织，每个对等结点组织包括10个Peer节点；设置1个云存储集群，包括20个云存储模块。另外，每个Peer节点将区块及其数字签名存储到任意3个云存储模块中。对应本发明的参数设置为：N＝50、M＝20、T＝3。
按照图2所示结构实施云存储模块，将“索引与缓存”存储在高速缓冲存储器中，将账本日志存储在外部存储器中，以进程的方式实施“数据检索与共识服务”和“账本同步”。采用JSON格式实施图4所示的检索条件和检索结果。云存储模块之间采用gossip协议进行通信，随机构成一个通信网络。为防止“索引与缓存”消耗过多的存储资源，为每个检索条件及检索结果设定一个时间戳，当存储资源受限时首先删除最早时间戳的检索条件及其检索结果。
在实施本发明内容时，为了保障云存储模块之间的通信安全，云存储模块之间交换数据时附加各自的数字签名，即采用非对称密码算法对检索结果、共识结果进行数字签名。
检索者在检索客户端实施区块链数据检索请求，并接收检索结果。接收或者拒绝检索结果，由检索者在检索客户端上自定义接收或拒绝的条件。云存储模块仅向检索者提供数据检索与数据共识服务。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种基于云存储的区块链数据检索系统，其特征在于，所述系统由区块链网络、云存储集群构成；
所述云存储集群，由若干个云存储模块构成，每个云存储模块包括账本日志、数据检索与共识服务模块、索引与缓存模块、账本同步模块；
所述云存储模块提供数据检索算法，在本地的索引与缓存模块、账本日志中搜索满足条件的区块，并构造检索结果；将检索结果发送到邻近的云存储模块；
云存储模块提供数据共识算法，在本地账本日志中逐一核实检索结果；共识一致则返回附加的对等结点数字签名及接收状态，否则返回拒绝状态；
云存储模块将最终检索结果返回到检索者，由检索者自定义确定接收或拒绝检索结果；
所述云存储模块，包括账本日志、索引与缓存、数据检索与共识服务、账本同步模块；
账本日志，包括完整的账本数据、区块Hash、以及对等节点的数字签名列表，并满足条件：任意1个区块对应1个及以上数量的数字签名；
所述索引与缓存模块由<检索条件、检索结果>构成1个链条，检索结果按DAPP、智能合约、区块号分级构成1棵二叉树型结构；并依据DAPP、智能合约、特定关键字、历史检索记录建立分类分级索引与缓存，用于提高数据检索的响应速度，缩短检索时间；
对等节点将区块链账本日志存储到1个或多个云存储模块，并由云存储模块提供区块链数据检索与共识服务，云存储模块接收到检索请求后在本地执行数据检索算法，将检索结果发送到邻近的云存储模块，邻近的云存储模块在本地执行数据共识算法并反馈共识结果；任何一个云存储模块都具备数据检索与共识服务。
2.如权利要求1所述的基于云存储的区块链数据检索系统，其特征在于，所述账本同步模块，用于实现对等节点与云存储模块之间区块同步。
3.如权利要求1所述的基于云存储的区块链数据检索系统，其特征在于，所述云存储模块采用JSON格式交换数据，采用gossip协议进行通信，索引与缓存设置在高速缓冲存储器，账本日志存储在外部存储器；
存储资源受限时首先从索引与缓存模块中删除最早时间戳的检索条件及其结果。
4.如权利要求1所述的基于云存储的区块链数据检索系统，其特征在于，云存储模块间交换数据时附加各自的数字签名。
5.一种基于云存储的区块链数据检索方法，其特征在于，所述检索方法包括：
检索者向云存储模块发出检索请求，受理检索请求的云存储模块在本地实施数据检索算法；
实施数据检索算法的云存储模块采用gossip协议进行通信，将检索结果通过gossip协议发送到其他邻居云存储模块，发出共识请求，随机构成一个通信网络；
受理共识请求的云存储模块在本地实施数据共识算法，验证检索结果，并反馈共识应答；
受理检索请求的云存储模块收集共识应答，在检索请求有效时间范围内将检索结果反馈到检索者；
检索者综合验证检索结果，依据共识节点的数量、检索结果的一致性作出接收或拒绝检索结果的决策
所述方法包括数据检索算法和数据共识算法；
数据检索算法依据检索条件在索引与缓存、账本日志中搜索满足检索条件的区块，返回检索结果；
数据共识算法通过检索结果，确认检索结果是否一致；
所述数据共识算法包括：
输入：数据检索结果
输出：接收检索结果并返回附加的对等节点签名，或者拒绝检索结果步骤：(1)接收来自数据检索算法的输出：数据检索结果
(2)对检索结果中的每个区块，根据区块号、区块Hash以及检索条件，如果遍历成功，则转入(3)，否则转入(5)；
(3)在本地账本日志中核实区块内容与检索条件的匹配性；
(4)如果对比匹配，在检索结果中附加本地账本日志中对应区块的对等结点数字签名，并转入(2)；如果对比不匹配，则转入(6)；
(5)更新本地的“索引与缓存”，共识一致性置为“接收”，转入(7)；
(6)共识一致性置为“拒绝”，转入(7)；
(7)返回共识结果，算法结束。
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