CN113905059B - 一种车联网的轻量型区块链的区块存储方法及模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车联网的轻量型区块链的区块存储方法，其包括以下步骤：S1：构建区块链存储架构模型生成区块、S2：采用区块编码算法，将区块编码成若干个编码块，并随机发送到网络中的各个节点去、S3：若干个编码块存储在RSU中、S4：将对应的编码合并成区块、S5：验证合并的区块的完整性和正确性。执区块存储方法的存储架构模型包括：区块链层、编码层、核心层、聚合层、验证层和边缘层。本发明提出了一个基于LT喷泉编码的新型区块编码方案。该方案能够使得节点在仅仅存储区块链的一部分的情况下，也能发挥完整节点的功能，从而不影响整个区块链网络的安全。

Description

一种车联网的轻量型区块链的区块存储方法及模型

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，具体涉及一种车联网的轻量型区块链的区块存储方法及模型。

背景技术

区块链网络中的每一个节点都保留了所有的区块信息，这将占用大量的存 储空间。以虚拟货币为例，已经生成了661743个区块，单个节点需要存储 294.58GB的区块数据，且这些数据仍会随着时间的推移逐步增长。区块链的这 一特性会导致以下两个问题：

每个节点都占用了大量的存储空间；

整个网络的扩展性受限，新节点在加入时需要从网络中同步大量的数据。

这些问题在车联网中进一步放大，因为在车联网中存在大量的存储和性能 受限的车载设备，这些设备根本无力浮在如此庞大规模的数据。而且车辆是持 续高速的移动，这给区块的同步带来了一定的困扰。如果要将车联网技术引入 到车联网中，那么首要考虑的问题就是如何优化区块存储，降低节点的存储压 力，以及如何让车辆在加入网络后可以快速的获得安全可靠的区块数据。本发 明便是针对车联网节点的高动态性，提出了一种与车联网的区块链存储优化方 案。

LT码(LubyTransformcodes)是第一种具有实用价值的喷泉码。它是由Luby 等人在2002年首次提出的，随后在编码领域引起了强烈的关注，为后续的Raptor 码的提出奠定了坚实的基础。LT是通过随机编码的方式进行编码的，所以它的 码率并不会受到限制，能够生成任意长度的编码数据，这也是采用其对区块进 行编码的原因。LT码还有许多其他的优点，它能够以更少的编码来恢复数据， 且它的编码和解码过程复杂度较低，这些特征都使得其适合用于我们的区块编 码方案。

在针对区块链的研究中已经有了许多相关的工作，如提出了一种虚拟货币 网络的变体，它的设计目的就是消除对完整区块链的需要，并显著减少对区块 的长期存储的需要。它是通过将区块链的功能分解为各个优化执行的特定任务 来实现的，在牺牲了一定的安全性的前提下，进一步的获得了更高级别的网络 可伸缩性，同时降低了区块的空间占用。

现有技术中也提出了基于虚拟货币分布式架构设计了一种新的机制，该机 制能够定期归纳历史区块，提取和整理其中的交易数据并剔除无用的交易信息， 实现区块的压缩。该方案在删除冗余信息的基础上，仍然保持了区块之间的hash 证明，并未降低太多的安全性。

现有技术中也提出了一种新颖的存储压缩共识算法，该算法能够确保区块 链在轻量级物联网设备中的存储占用。在轻量型设备没有足够的存储空间时， 该设备将通过共识算法来压缩整个区块链。

以上的方案都是专门针对区块链进行的优化，并未考虑到车联网这一特殊 的网络环境，因为车联网节点的高动态性，使得这些方案并不能完全适用于车 联网环境。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种仅仅存储区块链的一部分的情况下，也能发挥完整节点的功能，从而不影响整个区块链网络的安全的车联网的 轻量型区块链的区块存储方法及模型。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种车联网的轻量型区块链的区块存储方法，其包括以下步骤：

S1：构建区块链存储架构模型，在区块链存储架构模型中的区块链层中生 成区块；

S2：采用区块编码算法，区块链中的节点通过将共识产生的区块编码成若 干个编码块，并随机发送到网络中的各个节点去；

S3：通过车联网中的RSU构成区块链核心网络，将若干个编码块存储在 RSU中；

S4：OBU节点向RSU发送查询区块的请求，根据请求信息将对应的编码块 进行汇总和解码，并合并成区块；

S5：验证合并的区块的完整性和正确性。

进一步地，步骤S2包括：

S21：区块链层在共识时产生一个新的区块B_i，记录当前交易池中缓存的所 有交易，并通过智能合约构造一个编码矩阵G_i，用于对区块编码；

S22：将编码矩阵G_i和区块B_i一并发送给OBU节点或RSU节点；

S23：当OBU节点接收到该区块B_i时，先抛弃编码矩阵G_i，再验证此区块 B_i的有效性，若验证通过，则替换本地的区块缓存；否则验证失败；

S24：当RSU节点接收到该区块B_i时，直接校验区块B_i的有效性，若验证 通过，则使用编码矩阵G_i对区块B_i进行分片、编码及部分删除；否则验证失败。

进一步地，步骤S24包括：

S241：RSU节点将区块B_i根据编码矩阵G_i的维度大小切分为对应的k个分 片，并构造编码块；所述编码矩阵G_i的维度为n×k，其中k是智能合约中定义 的区块分割块数，k随着区块尺寸的变化而变化，n是编码后产生的编码块数， n随节点规模的减少而增大；

S242：构造完编码块后，RSU存储每块编码块的hash值和编号；

S243：完成所有n块编码块的构造后，RSU节点根据自身的存储能力删除 多余的区块。

进一步地，步骤S4包括：

S41：OBU节点向RSU发送查询区块的请求；

S42：若需要RSU节点恢复区块B_i，则RSU节点根据自身的冗余情况向其 他节点请求缺失的编码块，恢复成完整的原始区块B_i；

S43：若需要OBU节点恢复区块B_i，则直接向最近的RSU请求区块B_i。

进一步地，步骤S42包括：

S421：RSU节点从本地缓存中查询对应区块B_i的编码块hash表；

S422：获取hash表后，RSU节点逐个检索hash表中的每项，若本地存在对 应的编码块，就直接校验编码块的正确性；若对应的编码块遭到删除，则通过 Gossip协议在网络中广播所需的编码块，直到某个RSU节点将正确的编码块发 送过来；

S423：RSU节点接收到足够恢复原始区块B_i的编码块后，再根据编码矩阵 G_i来重构区块B_i；

S424：遍历编码矩阵G_i，寻找度为1的编码块t_i，则原始区块B_i的分片b_i就对应的是编码块t_i，得到b_i＝t_i，即分片b_i已经被解码完成，然后再将分片b_i同所有与其相连的编码块进行异或运算；此时，对应的编码块中已经消去了分 片b_i的叠加，在编码矩阵G_i中也会将相应的位置置0，关联编码块的度下降1；

S425：重复步骤S424，逐步迭代恢复出所有原始区块B_i的分片；

S426：将所有的分片进行合并，即得到原始区块B_i。

进一步地，步骤S5包括：

S51：计算区块B_i与验证的目标区块B_t的距离δ；

S52：将距离δ与周期L取对数后向下取整，计算出区块B_i到目标区块B_t能够跳跃的最大步长step；

S53：若当前区块链的步长小于最大步长step，则需要向前遍历区块，使遍 历到的区块到目标区块B_t的跳跃步长等于最大步长step，执行下一步；否则， 直接执行下一步；

S53：从当前区块向目标区块B_t的方向遍历区块，跳跃到目标区块B_t，对目 标区块B_t的完整性和正确性进行验证。

进一步地，区块B_i对应的跳跃区块的计算方法为：

其中，i为区块的编号，w(i)为区块B_i与其跳跃到的区块的插值。

一种执行上述车联网的轻量型区块链的区块存储方法的存储架构模型，其 特征在于，包括：

区块链层：所述区块链层为针对区块链网络层次架构的一个映射，存储车 联网的区块，产生下一个区块，进入编码层进行处理；

编码层：对来自区块链层的区块进行处理，建立区块编码算法，将区块链 中的节点通过将共识产生的区块编码成若干个编码块，并随机发送到网络中的 各个节点去，实现区块的冗余存储；

核心层：由车联网中的RSU构成的区块链核心网络，每个RSU均存储着若 干的编码块；

聚合层：当边缘层的OBU节点在请求区块时，聚合层从核心层中将对应的 编码块进行汇总、解码和合并；

验证层：用于验证所有从核心层请求的区块的完整性和正确性；

边缘层：所述边缘层由若干的OBU节点成，OBU节点存储最新的区块， 向核心层的RSU发送请求，从区块链上查询信息。

本发明的有益效果为：本发明提出了一个基于LT喷泉编码的新型区块编码 方案。该方案能够使得节点在仅仅存储区块链的一部分的情况下，也能发挥完 整节点的功能，从而不影响整个区块链网络的安全。本发明主要具有以下有益 效果：

安全性：本发明能够确保区块链网络能够以安全的方式进行扩展，新加入 网络的节点能够从任意节点获取到网络中所有的历史区块，且所有的区块都是 正确无误的。

去中心化：本发明是去中心化的，区块的恢复并不依赖于任何特定的节点， 而是网络中全部节点的任一定规模的任意非空子集即可完成区块的恢复。

恢复成本：本发明将恢复成本控制在一定的范围内，因为恢复区块的过程 中需要从其他节点拉取对应的编码块，需要通信的节点越多，带来的额外消耗 越多。

附图说明

图1为区块编码交互图。

图2为度为3时的第i块编码的示例图。

图3为区块恢复示意图。

图4为区块跳跃原理图。

图5为区块跳跃示例图。

图6为轻量型区块存储架构模型图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理 解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的 普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精 神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保 护之列。

本发明的方案主要分为三个步骤，分别为区块编码，区块恢复，以及区块 校验。三者相辅相成，共同构建出一套适用于车联网的安全轻量的区块链区块 存储方法。通过本发明的方案，区块被分片编码存储在RSU中，在需要区块恢 复时，只需要向多个RSU请求编码块进行恢复即可。如果存在恶意节点传输错 误的编码块，也能在区块恢复过程中被检测到，此外针对不存储区块数据的车 辆节点，本发明根据区块链的链式结构提出了一种新型的快速校验方式，能够 在保障安全的情况下，尽可能的降低车辆节点的存储负担。

本方案的车联网的轻量型区块链的区块存储方法包括以下步骤：

S1：构建区块链存储架构模型，在区块链存储架构模型中的区块链层中生 成区块；

S2：采用区块编码算法，区块链中的节点通过将共识产生的区块编码成若 干个编码块，并随机发送到网络中的各个节点去；包括：

S21：区块链层在共识时产生一个新的区块B_i，记录当前交易池中缓存的所 有交易，并通过智能合约构造一个编码矩阵G_i，用于对区块编码；

S22：将编码矩阵G_i和区块B_i一并发送给OBU节点或RSU节点；

S23：当OBU节点接收到该区块B_i时，先抛弃编码矩阵G_i，再验证此区块 B_i的有效性，若验证通过，则替换本地的区块缓存；否则验证失败；

S24：当RSU节点接收到该区块B_i时，直接校验区块B_i的有效性，若验证 通过，则使用编码矩阵G_i对区块B_i进行分片、编码及部分删除；包括：

S241：RSU节点将区块B_i根据编码矩阵G_i的维度大小切分为对应的k个分 片，并构造编码块；所述编码矩阵G_i的维度为n×k，其中k是智能合约中定义 的区块分割块数，k随着区块尺寸的变化而变化，n是编码后产生的编码块数， n随节点规模的减少而增大；

S242：构造完编码块后，RSU存储每块编码块的hash值和编号；

S243：完成所有n块编码块的构造后，RSU节点根据自身的存储能力删除 多余的区块。

S3：通过车联网中的RSU构成区块链核心网络，将若干个编码块存储在 RSU中。

在传统的区块链网络中，区块的产生是全网节点共识的结果。如虚拟货币 采用的POW(PowofWork)共识，节点通过算力去计算下一个哈希值的方式竞 争下一个区块的产生权，最先计算出符合要求值的节点能够产生下一个区块， 而其他节点在验证该区块的正确性后就在本地存储该区块，并开始参与下一轮 的区块竞争中去。这种产生和存储区块的方式，不仅严重浪费了计算机的算力 资源，也造成了区块的极大冗余，造成了存储空间的严重浪费。

在车联网中，传统的区块存储方式并不能完全适用，因为车联网的规模过 于巨大，网络中存在数以千万计的车辆节点，如果所有的节点都存储完整的区 块数据，那么带来的存储开销是不可想象的。

因此，本发明在由RSU构成的核心层中采用LT码对区块进行压缩存储， 这样能够使得数据冗余的级别由O(n)下降到一个预先指定的冗余份数，远小于 网络的节点规模n。相对与传统的分片冗余存储方案，由于LT码存在纠错的功 能，避免了传统的分片方式，一旦网络中整体缺失了某一个分片就会导致整个 原始数据无法恢复的问题。因为纠错编码是将多个区块分片叠加生成的编码块， 各个编码块相互之间存在一定的联系，因此网络中只要存在一定数目的不同编 码块就可以保证原始区块的恢复。在这一极端情况下，仍然能够从网络中的非 故障节点通过纠错编码的方式恢复原始区块。交互流程如图1所示，具体流程 如下：

1、区块链层在共识时将会产生一个新的区块，用于记录当前交易池中缓存 的所有交易。在区块产生后会通过智能合约来构造一个编码矩阵用于区块编码。

2、当OBU节点接收到该区块时，它会调用智能合约的区块校验接口，通 过快速区块校验的方式验证此区块的有效性。如果验证通过，那么它将替换本 地的区块缓存。

3、当RSU节点接收到该区块时，它将直接校验区块的有效性。如果新区 块是合法的，它会使用与区块同时接收的编码矩阵执行区块的分片、编码、部 分删除等步骤。

在区块链网络中共识过程开始的时候就会触发区块编码算法，在本发明的 架构中，区块链共识不仅仅产生一个新的区块B_i，与此同时它会根据产生的新 区块大小和网络中节点规模来动态的确定一个编码矩阵G_i。编码矩阵G_i是专属 于区块B_i的编码矩阵，每个区块B_i的编码矩阵G_i都互不相同。G_i是一个n×k 维的矩阵，其中k是智能合约中定义的区块分割块数，当区块过大时，k的值就 会随之增大，防止编码块过大影响编码的速度。n是编码后产生的编码块数，当 节点规模过小时，它就会适当增大，以保证网络中有足够的编码块冗余，避免 因为部分节点故障导致区块无法恢复。编码矩阵是通过预先定义在智能合约中的度分布函数F(d)来构造的，构造过程类似于LT码中的生成矩阵构造过程，如 图2所示，度为3时的第i块编码示例图。

在完成编码矩阵G_i的构造后，就标志着共识过程的完成。此时会将新的区 块和编码矩阵通过P2P的方式广播到所有的节点。

如果是OBU节点作为接收方，它会直接抛弃编码矩阵，因为它作为轻量型 节点并不参与区块的存储过程。它只需要校验区块的正确性并替换到本地缓存 即可。这一步是为了保证即使区块链并没有完整的存储在所有的节点上，但所 有的节点都拥有最新的区块来锚定整个区块链。

如果是RSU节点作为接收方，那么它会将区块根据编码矩阵的维度大小切 分为对应的k个分片，随后它通过如图2的方式来构造编码块。在构造完当前 编码块后，RSU会存储编码块的hash值和编号，用于恢复区块时从其他节点请 求的编码块做校验。在完成所有的n块编码块的构造后，RSU会根据自身存储 能力来删除部分区块。因为编码后的区块尺寸是大于原有区块的，所以删除相 当一部分编码块才能够实现区块存储的轻量化，同时由于所有的RSU的编码方 式都是统一的，因此可以从其他节点请求缺失的编码块来完成区块的恢复。

S4：OBU节点向RSU发送查询区块的请求，根据请求信息将对应的编码块 进行汇总和解码，并合并成区块；包括：

S41：OBU节点向RSU发送查询区块的请求；

S42：若需要RSU节点恢复区块B_i，则RSU节点根据自身的冗余情况向其 他节点请求缺失的编码块，恢复成完整的原始区块B_i；包括：

S421：RSU节点从本地缓存中查询对应区块B_i的编码块hash表；

S422：获取hash表后，RSU节点逐个检索hash表中的每项，若本地存在对 应的编码块，就直接校验编码块的正确性；若对应的编码块遭到删除，则通过 Gossip协议在网络中广播所需的编码块，直到某个RSU节点将正确的编码块发 送过来；

S423：RSU节点接收到足够恢复原始区块B_i的编码块后，再根据编码矩阵G_i来重构区块B_i；

S424：遍历编码矩阵G_i，寻找度为1的编码块t_i，则原始区块B_i的分片b_i就对应的是编码块t_i，得到b_i＝t_i，即分片b_i已经被解码完成，然后再将分片b_i同所有与其相连的编码块进行异或运算；此时，对应的编码块中已经消去了分 片b_i的叠加，在编码矩阵G_i中也会将相应的位置置0，关联编码块的度下降1；

S425：重复步骤S424，逐步迭代恢复出所有原始区块B_i的分片；

S426：将所有的分片进行合并，即得到原始区块B_i。

S43：若需要OBU节点恢复区块B_i，则直接向最近的RSU请求区块；

区块的恢复是区块压缩的逆过程，当车联网中的某个节点需要从区块链上 查询数据或验证区块的有效性时，都需要从网络中恢复指定的区块。在前文的 区块编码算法中，区块压缩的原理是利用LT码的编码过程，通过编码矩阵来构 造编码块作为冗余。而区块恢复则对应着LT码中的解码过程，即通过多个编码 块来恢复原始区块。

如果是RSU节点需要恢复区块，比如OBU请求，交易验证，数据查询等 场合，那么它会根据自身编码块的冗余情况向其他节点请求缺失的编码块。

如果是OBU节点需要恢复区块，它需要借助OBU节点进行区块的恢复。 待收到由RSU发送的完整区块后，OBU节点只需对区块的正确性进行校验即 可。这极大的减轻了OBU节点的工作量，且OBU节点并不需要存储任何多余 的块数据，减轻其存储压力。这使得本发明的方案能够完全适用于轻量型节点 众多的车联网。

在算法的开始，首先会判断自身的节点类型：

如果是OBU节点，那么它将通过接口向最近的RSU请求区块，再对RSU 返回的区块进行校验即可。

如果节点类型是RSU，它会从本地缓存中查询对应区块的编码块hash表， 每个RSU节点都会缓存每个区块的编码块hash表，这是为了保证所有的编码块 的准确性，防止来自其他恶意节点的错误编码块的干扰。在获取hash表后，RSU 节点会逐个检索表项，如果本地存在对应的编码块，它就直接校验正确性，

如果是编码过程中遭到删除的编码块，它会通过Gossip协议在网络中广播 所需的编码块，直到某个RSU节点将正确的编码块发送过来。由于LT码的纠 错特性，即使网络中缺失了某个编码块，仍然是能够正确的恢复区块的。

在RSU接收到足够恢复原始区块的编码块后，它就会根据之前的编码矩阵 G_i来重构区块。G_i同hash表一样是每个节点都存储的，这是通过去中心化的方 式来避免因为编码矩阵错误而导致的区块恢复失败。

算法会遍历编码矩阵G_i寻找度为1的编码块t_i，这表明对应的原始区块分 片就是编码块t_i，并未与其他的分片进行异或运算。此时即可得到b_i＝t_i，即编码 器b_i已经被解码完成，之后将编码器b_i同所有与其相连的编码块进行异或运算， 与之前加密时进行的异或运算进行抵消。此时，对应的编码块中已经消去了b_i的叠加，在编码矩阵G_i中也会将相应的位置置0，使关联编码块的度下降1。

这样逐步迭代即可恢复出所有原始区块的分片。最后合并所有的分片即可 得到原始的区块。区块自身支持自校验，通过存储在块头的梅克尔树根即可校 验区块体中存储的所有交易，保证原始区块的正确性。

下面本文将通过一个简单的示例，讲述具体的区块恢复过程。如图4所示， 本方案展示了通过7个编码块来恢复5个区块分片的过程。在7个编码块中， 有2个灰色的编码块t₃和t₅代表的是错误的编码块。编码块和分片之间的连线 代表的是编码矩阵的映射。

在第一次迭代中，RSU需要找到一个度为1的编码块，即只有一条连线的 编码块，在图中是t₄，此时可以根据t₄，得到编码块b₁。在确定编码块b₁后， 通过当前的编码矩阵映射，可以找到与b₁相连的编码块，即虚线所指向的t₃和 t₆。将二者分别与b₁进行异或运算，消去连线。进入下一轮迭代。

在第二次迭代中，RSU首先找到第一个度为1的编码块t₃，但t₃并不能通 过hash校验。RSU继续寻找度为1的编码块，直到发现t₆。此时可以用t₆解码 b₃，通过当前编码矩阵的映射，可以将b₃同t₂和t₅做异或操作，从t₂和t₅中消 去b₃的叠加。在更新二者以后进入下一轮迭代。

在第三轮迭代中，同时存在两个度为1的编码块，即图中的t₂和t₅。但t₅在图中是灰色的，表示它并不是一个正确的编码块。同第二次迭代中不同的是， 这次算法会先遍历到编码块t₂，通过t₂的解码b₂，b₂在后续的消边过程中检测到 t₅的异常，并将其删除以避免后续的影响。

在后续的迭代中，随着编码矩阵的逐步稀疏，会使得解码过程越发简单。 最终成功将所有的区块分片都正确的恢复回来。即使恢复过程存在一定干扰， 区块恢复算法依然能够底层LT码的纠错特性成功恢复。

S5：验证合并的区块的完整性和正确性；包括：

S51：计算区块B_i与验证的目标区块B_t的距离δ；

S52：将距离δ与周期L取对数后向下取整，计算出区块B_i到目标区块B_t能够跳跃的最大步长step；

S53：若当前区块链的步长小于最大步长step，则需要向前遍历区块，使遍 历到的区块到目标区块B_t的跳跃步长等于最大步长step，执行下一步；否则， 直接执行下一步；

S53：从当前区块向目标区块B_t的方向遍历区块，跳跃到目标区块B_t，对目 标区块B_t的完整性和正确性进行验证。

区块B_i对应的跳跃区块的计算方法为：

其中，i为区块的编号，w(i)为区块B_i与其跳跃到的区块的插值。

在本发明的区块存储方案中，区块仅仅分片存储在由RSU构成的核心网络 中的，而作为轻型节点的OBU除了存储作为区块链全局锚定的最新区块外，并 不存储多余的区块数据。这使得OBU并不具有对整个区块链的校验能力，必须 要借助于RSU才能检验区块的正确性。

在这种模式中，中间人攻击很容易伪造恶意区块对OBU发动攻击，而OBU 并不具备对应的分辨能力。如果按照传统模式进行区块校验，OBU需要将目标 区块和最新区块之间的所有区块都从网络拉取下来，这有违轻量型节点的设计 初衷。因此，本发明设计了一种新型的区块校验方式，该方式支持跳跃式的区 块校验，这能够让OBU节点以更快更高效的方式校验区块，且并不会额外带来 过多的网络开销和存储占用。

传统的区块链中是通过在新的区块中保存上一区块的hash值来锚定区块 的，这使得区块的校验只能从最新的区块进行线性回溯，复杂度是O(n)。在本 发明的方案中，当前区块并不仅仅保存前一个区块hash值，它还会根据自身的 块号B_i计算出一个跳跃区块号并保存对应区块的hash值。这样一个区块就可以 同时校验两个区块了，一个是它的前置区块，另一个是它的跳跃区块。每个区 块记录的跳跃区块都不相同，这就使得在区块校验时可以以跳跃的方式进行， 仅仅校验跳跃路径上的区块。通过设定合理的跳跃步长，能够使得区块校验的 时间复杂度大幅下降，而消耗的额外空间几乎可以忽略不计。

首先本发明在根据区块链的长度定义了一个周期L。将每个区块与其跳跃区 块的插值定义为跨度w。将当前区块的跳跃区块号定义为skip。在同一个周期内 的区块各自有着不同的跨度，不同的周期内的区块通过跨度构成一条条向前的 跳跃路径。如果跨度超过了创世区块，那么本发明将其跳跃区块号置为它的前 一个同跨度区块。

下面本防范将通过一个简单的示例，来介绍其工作原理：如图4和图5所 示，现在构建一个周期L＝4的区块链，即区块链中每4个连续的区块为一个周 期。这表示整个区块链中总共存在4种跨度的区块{4，16，64，256}。图4中 通过不同的颜色表示不同的区块跨度，每个区块中有两个数字，第一个数字代 表的是当前区块属于哪个跨度的第几条链，第二个数字则是当前区块的块号。 如图4中的区块<4，16>，表示的是跨度为256的跳跃链的第4条链，排在它前 边的3条跳跃链分别是以{4，8，12}号区块开始的。创世区块是所有跳跃链的 链头。图4的第一排表示的是跨度为256的多个跳跃链的链头依次指向了前一 个同跨度的链头。从图4中可以观察到，跨度较小的跳跃链可以填补跨度较大 的跳跃链之间的缝隙，所以可以通过前移一个区块的方式实现更为细致的跳跃。

在介绍了跳跃链的具体原理后，本文将通过一个示例来介绍其在区块链网 络中是如何实现快速校验区块链的。如图4和图5所示，现在假设OBU节点缓 存的最新区块号是112，不考虑本地缓存被恶意篡改的情况。OBU节点需要查 询记录在区块号为12的区块上的数据。

在本方案中，它首先会尝试以尽可能大的跨度来接近12，但不能越过12， 因为跳跃链只支持向前验证并不能向后验证区块。112的自身的跨度是256，已 经越过了创世区块，所以它的跳跃区块是108号区块。而它的前置区块是111 号区块，它的跨度是64，通过111号区块可以验证47号区块。因此选择从112 号区块前移到111号区块，再跳跃到47号区块。

此时，再往前跳跃就到了43号区块，因此需要向前遍历到46号区块，它 的跨度是16，通过它可以校验30号，14号区块。此时又需要往前遍历来避免 跳到10号区块。通过遍历请求13号区块即可验证目标12号区块。通过本文的 方案仅仅需要请求6个多余的区块来辅助校验目标区块，而传统的线性校验方 式需要请求100块多余的区块来辅助校验。如果按照传统的线性校验，它需要 请求12到112之间的所有区块，如果按照区块大小为1M的话，这将占用接近 100M的存储空间。由此可见本文的方案能够极大的削减轻量型节点在区块校验 时所需的额外辅助区块，且这个优势会随着链长度的增加而逐步凸显。

本方案通过当前区块B_i跳跃验证目标区块B_t的。首先会计算B_i和B_t之间的 距离δ，并将δ同周期L取对数后向下取整，通过这种方式来计算出当前位置 能够跳跃的最大步长step。

如果当前区块的步长小于估算的step，那么证明需要向前遍历区块到达跳跃 步长等于step的区块。如图5中47号区块的跳越距离w＝4，而计算出的

([...]为向下取整)所以它需要向前遍历直到找到跳跃距离 是16的区块。而46的跳跃距离正好是16，所以在此开始以步长16进行跳跃直 到14号区块。14号区块的跳跃区块经过计算是10号，已经越过目标区块12了， 所以需要重新开始迭代计算路径。此时由于当前区块已经靠近目标区块，所以 step已经衰减到1，因此会直接逐个前移到目标区块。

在跳跃链中，本方案通过将链头彼此串联的方式对某些特定的跳跃进行了 一定的优化。比如构造从区块20到区块12的跳跃链，如果没有链头串联，那 么链头都会指向传世区块。按照这样的方式来计算，构造出的跳跃链应该是{20， 19，18，17，13，12}，需要拉取4个额外的验证区块。而通过链头串联的方式， 区块20可以跳跃到前一个同跨度的链头，即区块16。区块16使用同样的方式 可以直接跳跃到区块12，到达目标区块。通过这种方式构造的跳跃链为{20，16， 12}。相比另一种方式可以进一步的削减需要的验证区块数目。

整个区块校验过程中存在的大量的跳跃过程，能够极大的压缩校验目标区 块所需要消耗的时间和存储辅助验证区块所带来的存储消耗。通过OBU中缓存 的最新区块中的前置hash和跳跃区块的hash能够保证迭代验证跳跃链上的每个 区块的正确性，直到校验目标区块。如果在验证过程中，存在恶意结点向OBU 发送恶意的辅助验证区块，这可能会在目标区块是正确的情况下导致验证失败。 作为防御措施，OBU在校验跳跃链时，如果发现有无法验证通过的辅助验证区 块，它会向新的RSU节点拉取对应的辅助验证区块，这样就可以避免恶意节点 故意发送错误区块干扰正常的校验过程。

如图6所示，执行上述车联网的轻量型区块链的区块存储方法的存储架构 模型包括：

区块链层：所述区块链层为针对区块链网络层次架构的一个映射，存储车 联网的区块，产生下一个区块，进入编码层进行处理；在这一层存储这车联网 区块，来决定下一个区块如何产生，在区块产生之后就进入编码进行处理。

编码层：对来自区块链层的区块进行处理，建立区块编码算法，将区块链 中的节点通过将共识产生的区块编码成若干个编码块，并随机发送到网络中的 各个节点去，实现区块的冗余存储；在该层中，本发明在LT编码的基础上设计 了一种针对区块链的区块编码算法，区块链中的节点通过将共识产生的区块编 码成多个更小的编码块并将其随机发送到网络中的多个节点去，实现区块的冗 余存储。

核心层：由车联网中的RSU构成的区块链核心网络，每个RSU均存储着若 干的编码块；相对于OBU，RSU拥有更加强大的性能，更良好的网络通信，且 位置固定便于规划，天然适合作为网路中的核心节点。在本发明中，在由RSU 构成的核心网络中，每个RSU都存储着一定量的编码块，这样既能够保障整个 区块链网络的冗余度，足够保障其中存储的数据安全，另一方面也极大的减轻 了整个网络的存储压力，做到了区块存储的轻量化。

聚合层：当边缘层的OBU节点在请求区块时，聚合层从核心层中将对应的 编码块进行汇总、解码和合并；该层支持一定的核心节点故障，即使没有取得 目标区块的所有编码块，仍然能够通过解码算法来恢复目标区块。

验证层：用于验证所有从核心层请求的区块的完整性和正确性；该层中提 出了一种新颖的区块验证方式，能够通过有限的区块来快速验证整个区块链任 意区块的正确性。所有位于边缘层中的OBU从核心层请求的区块都要通过这种 方式验证区块的完整性和正确性。该方式也是针对区块链网络中冗余度下降导 致的安全性下降而采取的额外安全措施。

边缘层：所述边缘层由若干的OBU节点成，OBU节点存储最新的区块， 向核心层的RSU发送请求，从区块链上查询信息。该层是由海量的OBU节点 所组成的，由于节点自身性能和存储空间的限制，并不能作为一个完整的区块 链节点参与到网络中。在架构中，位于边缘层的OBU节点仅仅存储最新的区块， 这在维护整个网络安全的基础上，仅仅占用很少一部分的存储空间。当需要从 区块链上查询信息时，只需要向位于核心层的RSU发送请求即可。

本发明提出了一个基于LT喷泉编码的新型区块编码方案。该方案能够使得 节点在仅仅存储区块链的一部分的情况下，也能发挥完整节点的功能，从而不 影响整个区块链网络的安全。本发明主要具有以下有益效果：

存储性能：在本发明的区块存储方案设计中，为了适应车联网网络规模巨 大，设备性能差异大的特点，节点不再存储原始的区块数据。而是更改为，在 由RSU节点构成的核心网络中，节点只存储对原始区块分片编码后的编码块数 据。现假设网络中RSU节点数目为x，区块链中区块数为N，每个区块的分片 为k个，编码块数目为n，每个编码块被删除的概率为λ。在由OBU节点构成 的边缘网络中节点仅仅缓存最新的区块，现假设OBU节点数目为y。由此可以 计算整个网络的区块压缩比β为：

从上式可以看到，区块压缩比β主要与网络的规模和区块链的区块数有关， 也与编码块的删除概率λ和编码块的数目n有关。公式反映了随着网络规模的 扩大，尤其是OBU节点占比的增大会将区块压缩比无限逼近于1/N，此时整个 区块链网络的冗余度已经由O(N)变成了O(1)，表明区块链的增长并不会导致整 个网络空间的存储消耗的线性增长，而是稳定在一个恒定得知，这对整个网络 的可扩展性和可维护性是一个巨大的飞跃。

从公式中也可以观察到λ的增长也会进一步降低区块的占用，但过高的删 除概率可能会在较恶劣的网络环境下导致区块恢复的失败，因此需要设置合适 的区块删除概率。同时λ的大小也与会影响网络通信的负载量，因为过高的删 除概率会使得RSU节点上存储更少的编码块，从概率的角度来说，平均一个RSU 节点存储的编码块数量为n(1-λ)，该值的大小必须小于原始的区块分片数k，不 然只会导致占用更多的存储空间，导致负优化。由此可以得到节点恢复区块需 要从网络中下载k-(1-λ)n个编码块。从这里可以看出，过高的删除概率会使得 节点在恢复区块时从其他节点拉取更多的编码块，这会消耗更多网络的通信资 源，因此节点需要根据自身的存储情况和网络通信状况设置合适的区块删除概 率。

区块校验效率：在本发明的方案中，通过在区块头中额外添加一个用于存 储历史区块hash的字段可以实现区块的跳跃验证。以这种方式可以快速实现最 新区块到目标区块的验证，结合前文的区块压缩存储方案，能够极大的提升区 块校验的速度，尽可能的降低了校验区块过程中需要的临时辅助验证区块的数 量。下面将对区块校验的效率进行详细的分析。根据前文的描述，可以将通过 整个跳跃校验过程分解为如下子状态：

(1)：找到能够尽可能跳跃最大距离的跳跃链；

(2)：在跳跃链上持续的跳跃；

(3)：前移到达目标区块。

在此我们仅仅考虑最坏情况下的跳跃分析。在这种情况下状态(1)所需要 的区块数应该是L-1，因为最坏情况下，区块需要前移到跨度比他大L倍的区 块，而这个区块刚好距离它L-1，如果再前移就到了下一个周期。针对状态(2)的分析建立在一个不定长度的链上，现假设可以在该链上以能够达到的最大跨 度LH跳跃k次，由此可以计算出在最坏情况下，它持续的跳跃所需要的区块数 n′为：

当跳跃到(3)这一子状态时，最坏情况下需要前移L-1个区块。比这大的 距离都可以通过更快速的方式直达，因为链中最小的跨度是L。所以综合起来， 在最坏情况下，跳跃链到达目标区块的所需要的辅助区块数为：

n＝L-1+k+1+H(L-1)+L-1

＝(H+2)L+k-H-1

下面我们将计算按照传统校验方式所需的区块数：

由此可以得到两者之间的比值为：

当H的取值为0时，上式就会退化为：

因为此时最大的跨度只有1，跟原始校验方式一样，所以效率并没有提升。 而当k趋向于无穷大时公式就会转化为：

从上面的公式可以看出，当链足够长时，跳跃链的性能相对于传统区块链 有着L^L倍的提升。因此指定一个合适的周期有助于在区块足够长之后带来足够 的索引优化，有效降低区块校验的复杂度，减少不必要的中间辅助验证区块数 量，降低整体网络负载。

安全性：在本发明的区块存储方案中，虽然仅仅由RSU节点存储区块的一 部分编码分片，但在整个车联网来看，由RSU节点构成的核心网可以视为完整 的存储了整个区块链的所有数据，且依赖于LT码强大的纠错特性，在网络规模 足够大的情况下，恢复区块的成功率几乎是100％，因此并不存在区块无法恢复 的问题。

即使遭受攻击，本文的方案相对于传统的区块存储方式依然有着更强的抵 抗能力。因为传统的区块链中存储的交易信息并未被加密处理，这就会导致针 对性的恶意攻击增多。在本方案中，所有的区块都被进行了分片处理，且所有 的分片被进一步的进行了纠错编码处理，最终节点上存储的编码块并不可读。 如果想要定向的篡改某些交易信息，需要将网络中存储目标交易的区块的编码 块获取到，恢复原始区块，篡改目标交易后，再将区块分片后替换所有的节点 上存储的对应编码块，几乎不存在这种可能。即使上述攻击成功了，在后续的 区块校验环节篡改的区块依然会被识别出来。因为其对应的hash值已经改变了， 而OBU节点存储的有最新的区块数据来锚定整个区块链。这一操作能够保证全 网所有的节点都参与了区块链的锚定，即使OBU节点并未存储整个区块链，它 仍然能够通过请求区块的方式，从本地可信的区块校验到目标区块。通过这些 机制，即使车联网中的节点并未存储完整的区块数据，仍然能够保障整个区块 链网络的安全性，且降低了节点对区块存储的负担。

Claims (4)

1.一种车联网的轻量型区块链的区块存储方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：构建区块链存储架构模型，在区块链存储架构模型中的区块链层中生成区块；

S2：采用区块编码算法，区块链中的节点通过将共识产生的区块编码成若干个编码块，并随机发送到网络中的各个节点去；

步骤S2包括：

S21：区块链层在共识时产生一个新的区块B_i，记录当前交易池中缓存的所有交易，并通过智能合约构造一个编码矩阵G_i，用于对区块编码；

S22：将编码矩阵G_i和区块B_i一并发送给OBU节点或RSU节点；

S23：当OBU节点接收到该区块B_i时，先抛弃编码矩阵G_i，再验证此区块B_i的有效性，若验证通过，则替换本地的区块缓存；否则验证失败；

S24：当RSU节点接收到该区块B_i时，直接校验区块B_i的有效性，若验证通过，则使用编码矩阵G_i对区块B_i进行分片、编码及部分删除；否则验证失败；

步骤S24包括：

S241：RSU节点将区块B_i根据编码矩阵G_i的维度大小切分为对应的k个分片，并构造编码块；所述编码矩阵G_i的维度为n×k，其中k是智能合约中定义的区块分割块数，k随着区块尺寸的变化而变化，n是编码后产生的编码块数，n随节点规模的减少而增大；

S242：构造完编码块后，RSU存储每块编码块的hash值和编号；

S243：完成所有n块编码块的构造后，RSU节点根据自身的存储能力删除多余的区块；

S3：通过车联网中的RSU构成区块链核心网络，将若干个编码块存储在RSU中；

S4：OBU节点向RSU发送查询区块的请求，根据请求信息将对应的编码块进行汇总和解码，并合并成区块；

步骤S4包括：

S41：OBU节点向RSU发送查询区块的请求；

S42：若需要RSU节点恢复区块B_i，则RSU节点根据自身的冗余情况向其他节点请求缺失的编码块，恢复成完整的原始区块B_i；

步骤S42包括：

S421：RSU节点从本地缓存中查询对应区块B_i的编码块hash表；

S422：获取hash表后，RSU节点逐个检索hash表中的每项，若本地存在对应的编码块，就直接校验编码块的正确性；若对应的编码块遭到删除，则通过Gossip协议在网络中广播所需的编码块，直到某个RSU节点将正确的编码块发送过来；

S423：RSU节点接收到足够恢复原始区块B_i的编码块后，再根据编码矩阵G_i来重构区块B_i；

S424：遍历编码矩阵G_i，寻找度为1的编码块t_i，则原始区块B_i的分片b_i就对应的是编码块t_i，得到b_i＝t_i，即分片b_i已经被解码完成，然后再将分片b_i同所有与其相连的编码块进行异或运算；此时，对应的编码块中已经消去了分片b_i的叠加，在编码矩阵G_i中也会将相应的位置置0，关联编码块的度下降1；

S425：重复步骤S424，逐步迭代恢复出所有原始区块B_i的分片；

S426：将所有的分片进行合并，即得到原始区块B_i；

S43：若需要OBU节点恢复区块B_i，则直接向最近的RSU请求区块B_i；

S5：验证合并的区块的完整性和正确性。

2.根据权利要求1所述的车联网的轻量型区块链的区块存储方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

S51：计算区块B_i与验证的目标区块B_t的距离δ；

S52：将距离δ与周期L取对数后向下取整，计算出区块B_i到目标区块B_t能够跳跃的最大步长step；

S53：若当前区块链的步长小于最大步长step，则需要向前遍历区块，使遍历到的区块到目标区块B_t的跳跃步长等于最大步长step，执行下一步；否则，直接执行下一步；

S53：从当前区块向目标区块B_t的方向遍历区块，跳跃到目标区块B_t，对目标区块B_t的完整性和正确性进行验证。

3.根据权利要求2所述的车联网的轻量型区块链的区块存储方法，其特征在于，所述区块B_i对应的跳跃区块的计算方法为：

其中，i为区块的编号，w(i)为区块B_i与其跳跃到的区块的插值。

4.根据权利要求1所述的车联网的轻量型区块链的区块存储方法，其特征在于，所述区块链存储架构模型包括：

区块链层：所述区块链层为针对区块链网络层次架构的一个映射，存储车联网的区块，产生下一个区块，进入编码层进行处理；

编码层：对来自区块链层的区块进行处理，建立区块编码算法，将区块链中的节点通过将共识产生的区块编码成若干个编码块，并随机发送到网络中的各个节点去，实现区块的冗余存储；

核心层：由车联网中的RSU构成的区块链核心网络，每个RSU均存储着若干的编码块；

聚合层：当边缘层的OBU节点在请求区块时，聚合层从核心层中将对应的编码块进行汇总、解码和合并；

验证层：用于验证所有从核心层请求的区块的完整性和正确性；

边缘层：所述边缘层由若干的OBU节点成，OBU节点存储最新的区块，向核心层的RSU发送请求，从区块链上查询信息。

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