CN113923155A - 一种基于最短路径算法的联盟链通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于最短路径算法的联盟链通信方法及系统。联盟链中各节点定时向相邻节点发送探测消息，计算网络时延，更新邻居表；各节点定时向相邻节点发送包含自身邻居表的路由消息，交换邻居表信息，更新邻居表；各节点根据邻居表并基于最短路径算法计算自身到联盟链中其他所有节点的最短路径，更新自身路由表；节点发送普通消息时，从路由表中选择目的节点的最短路径发送。本发明设计的方法及系统可以自动寻找最短路径进行通信，且有部分节点宕机或通信链路不稳定时也能够保证链路可用性，冗余消息少，易扩展，通信质量稳定可靠。

Description

一种基于最短路径算法的联盟链通信方法及系统
技术领域
本发明属于区块链网络通信技术领域，尤其涉及一种基于最短路径算法的联盟链通信方法及系统。
背景技术
区块链通过点对点P2P(Peer-To-Peer)网络进行通信，P2P网络是一种分布式网络，网络中各节点之间不需要通过服务器进行中转，可以直接互相传输数据。一般情况下，区块链联盟链中各节点都是两两相互连通，构建全连接的P2P网络，但全连接网络中一旦节点数量上升，网络复杂度大，难以部署。而且通信网络存在部分通信链路服务质量差以及通信链路的服务质量时好时坏等问题。
最短路径算法用于计算两点之间的最短路径。Dijkstra算法应用了贪心算法模式，是目前公认的最好的求解最短路径的方法之一，Dijkstra算法解决的是有向图中单个源点到其他顶点的最短路径问题，其主要特点是每次迭代时选择的下一个顶点是标记点之外距离源点最近的顶点。Floyd（弗洛伊德）算法是一个经典的动态规划算法，也是解决任意两点间最短路径的一种算法，可以正确处理有向图或负权的最短路径问题。Bellman-Ford算法也可以处理有向图或负权的最短路径问题，但Bellman-Ford算法的时间复杂度是O(VE)，这要比Dijkstra算法慢。最短路径快速算法（Shortest Path Faster Algorithm(SPFA)），一般认为是队列优化的Bellman-Ford 算法，是一个用于求解有向带权图单源最短路径的算法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有区块链技术的不足，提供一种基于最短路径算法的联盟链通信方法及系统，用于建立可靠的联盟链网络，提高联盟链网络的通信链路可用性及稳定性，减轻节点部署复杂度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
根据本说明书的第一方面，提供一种基于最短路径算法的联盟链通信方法，该方法包括：
联盟链中各节点维护一个邻居表和一个路由表；
所述邻居表中包含索引-节点标识符对照表、全网的网络时延矩阵、时延更新时间表，所述索引-节点标识符对照表记录联盟链网络中各节点的标识符与表中索引的映射关系，所述网络时延矩阵是一个二维矩阵，记录联盟链网络中各节点之间的时延数据，所述时延更新时间表记录各节点更新网络时延矩阵中自身数据的时间戳；
所述路由表中记录基于最短路径算法，根据所述邻居表计算得到的本节点到联盟链中其他所有节点的最短路径；
联盟链中各节点定时向相邻节点发送探测消息，计算网络时延，更新自身邻居表的网络时延矩阵；
所述相邻节点为联盟链中与本节点建立直接连接的节点；
各节点定时向相邻节点发送包含自身邻居表的路由消息，交换邻居表信息，更新邻居表；
各节点定时更新自身路由表；
节点发送普通消息时，在消息载荷中加入目的节点信息，并根据目的节点从路由表中选择最短路径中的首个节点，向所述首个节点发送消息；
节点接收到普通消息后，先判断消息载荷中的目的节点，若是自身，则直接处理，若不是，则根据自身路由表选择最短路径进行消息转发。
进一步地，所述最短路径算法采用Dijkstra算法、Floyd算法、Bellman-Ford算法或SPFA算法。
进一步地，每次节点发送探测消息计算网络时延时，记录发送时间，并记录回复时间，时延为二者之差，且不直接采用时延数据，而是将时延数据分为不同级别，根据级别赋予时延数据分值。
进一步地，将时延数据分为优秀、良好、普通、不及格、断开五个不同级别，时延数据越低，分值越小，级别、时延数据与分值的对应关系如下：
(1)优秀：0~100ms，分值：50；
(2)良好：100ms~300ms，分值：200；
(3)普通：300ms~500ms，分值：400；
(4)不及格：500ms~1000ms，分值：750；
(5)断开：>1000ms，分值：10000。
进一步地，各节点定时向时延数据满足要求的相邻节点发送包含自身邻居表的路由消息。
进一步地，节点接收到相邻节点的路由消息后，按照所述路由消息中邻居表的索引，分别比较接收到的邻居表和自身邻居表的时延更新时间和网络时延，若接收到的邻居表中对应索引的时延更新时间大于自身邻居表中对应索引的时延更新时间，且对应索引的网络时延不同，则更新自身邻居表的网络时延矩阵和时延更新时间表，并同时触发更新自身路由表，最终每个节点都会维护一个包含联盟链所有节点信息的邻居表。
进一步地，联盟链中各节点定时基于最短路径算法，根据邻居表计算自身到联盟链中其他所有节点的最短路径作为最优路径，更新自身路由表，其中计算最短路径时，若不同路径距离相同，则随机选择一条作为最短路径，若目的节点与自身直连且时延数据满足要求，直接将到所述目的节点的路径作为最短路径。
进一步地，节点发送普通消息时，所述消息载荷中还包含存活时间TTL，每次中继转发TTL减一，如果经过多次中继转发TTL等于零时消息还是未到达目的节点，则TTL耗尽，抛弃该消息。
根据本说明书的第二方面，提供一种基于最短路径算法的联盟链通信系统，该系统包括：
邻居表维护模块，用于联盟链中各节点维护自身邻居表，所述邻居表中包含索引-节点标识符对照表、全网的网络时延矩阵、时延更新时间表，所述索引-节点标识符对照表记录联盟链网络中各节点的标识符与表中索引的映射关系，所述网络时延矩阵是一个二维矩阵，记录联盟链网络中各节点之间的时延数据，所述时延更新时间表记录各节点更新网络时延矩阵中自身数据的时间戳；
路由表维护模块，用于联盟链中各节点维护自身路由表，所述路由表中记录基于最短路径算法，根据所述邻居表计算得到的本节点到联盟链中其他所有节点的最短路径；
消息通信模块，与所述邻居表维护模块和所述路由表维护模块相连，用于生成、发送、接收消息，包含探测消息、路由消息以及普通消息；
其中，发送探测消息时，所述消息通信模块先从邻居表维护模块获取所有相邻节点，定时向所述相邻节点发送探测消息，并记录消息发送时间，待接收到回复消息后，计算网络时延；
发送路由消息时，所述消息通信模块先从邻居表维护模块获取邻居表，根据自身邻居表信息生成路由消息，定时向相邻节点发送路由消息；所述消息通信模块接收到路由消息时，将所述路由消息交给所述邻居表维护模块，所述邻居表维护模块判断时延更新时间和网络时延是否有变化，若有变化则更新自身邻居表；
发送普通消息时，所述消息通信模块根据消息载荷中的目的节点信息和路由表维护模块，从路由表中选择最短路径中的首个节点，向所述首个节点发送消息；所述消息通信模块接收到普通消息后，根据消息载荷中的目的节点判断是直接处理消息还是调用所述路由表维护模块中继转发消息。
进一步地，所述路由表维护模块定时基于最短路径算法，根据所述邻居表更新自身路由表；所述邻居表维护模块判断时延更新时间和网络时延有变化，更新自身邻居表的同时，触发更新自身路由表。
本发明的有益效果是：本发明提出的基于最短路径算法的联盟链通信方法及系统，可以让消息沿最短路径传播，且有部分节点宕机或通信链路不稳定时也能够保证链路可用性，冗余消息少，易扩展，通信质量稳定可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的基于最短路径算法的联盟链通信方法流程图；
图2是本发明实施例提供的基于最短路径算法的联盟链通信系统结构图。
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。
本发明提供一种基于最短路径算法的联盟链高效通信方法。
联盟链中各节点维护一个邻居表，邻居表中包含：
(1)索引-节点标识符对照表，记录联盟链网络中各节点的标识符与表中索引的映射关系，可以根据索引找到节点标识符；索引-节点标识符对照表的结构示例如表1所示：
表1 索引-节点标识符对照表
Figure 210232DEST_PATH_IMAGE002
(2)网络时延矩阵，是一个二维矩阵，记录联盟链网络中各节点之间的时延数据，定义节点索引为i和j，网络时延矩阵表示为matrix，matrix[i][j]表示节点i与节点j之间的时延数据；网络时延矩阵的结构示例如表2所示：
表2 网络时延矩阵
Figure 330635DEST_PATH_IMAGE004
(3)时延更新时间表，记录各节点更新网络时延矩阵中自身数据的时间戳，只有自身直连的节点时延数据发生变化时才更新自身的时延更新时间表，时延更新时间表表示为times，则节点i的网络时延矩阵更新时间为times[i]；时延更新时间表的结构示例如表3所示：
表3 时延更新时间表
Figure 703847DEST_PATH_IMAGE006
联盟链中各节点维护一个路由表，路由表中记录基于最短路径算法，根据邻居表计算得到的本节点到联盟链中其他所有节点的最短路径。
本实施例中最短路径算法选用Dijkstra算法，该算法主要计算从源点到其他所有点的最短路径，适用于节点数量不多的场景，而联盟链内部节点数量有限，且网络中不存在负权路径，该算法较为适合。但本发明不限于Dijkstra算法，还可以采用Floyd算法、Bellman-Ford算法或SPFA算法等计算最短路径。
联盟中各节点定时向相邻节点广播发送探测消息和路由消息，维护自身邻居表，并通过Dijkstra算法，根据邻居表计算自身到联盟链中其他所有节点的最短路径，维护自身路由表。
在本实施例中，源节点A将普通消息发送至目的节点C，节点A与节点C不是相邻节点，源节点A将目的节点C放入消息载荷中，从路由表中选择到节点C的最短路径，将消息发送给最短路径的首个节点B，节点B收到消息后，根据消息载荷中内容判断自身是否是目的节点，若非目的节点，则从自身路由表中选择到目的节点的最短路径进行中继转发，直到目的节点C收到消息。
定义自身索引为i，其他节点索引为j，网络时延矩阵为matrix，时延更新时间表为times，本实施例基于最短路径算法的联盟链通信方法，参照图1，步骤如下：
步骤101，联盟链中各节点定时向相邻节点发送探测消息，计算网络时延，更新自身邻居表的网络时延矩阵；
步骤102，各节点定时向相邻节点发送包含自身邻居表的路由消息，交换邻居表信息，更新邻居表；
步骤103，各节点定时基于最短路径算法，根据邻居表计算自身到联盟链中其他所有节点的最短路径，更新自身路由表；
步骤104，节点发送普通消息时，在消息载荷中加入目的节点信息，并根据目的节点从路由表中选择最短路径中的首个节点，向所述首个节点发送消息；
步骤105，节点接收到普通消息后，先判断消息载荷中的目的节点，若是自身，则直接处理，若不是，则根据自身路由表选择最短路径进行消息转发。
其中，步骤101中计算网络时延时，不直接采用时延数据，而是将时延数据分为不同级别，根据级别赋予时延数据分值，例如将时延数据分为优秀、良好、普通、不及格、断开这五个级别，时延数据越低，分值越小，级别、时延数据与分值的对应关系可参考如下形式：
(1)优秀：0~100ms，分值：50；
(2)良好：100ms~300ms，分值：200；
(3)普通：300ms~500ms，分值：400；
(4)不及格：500ms~1000ms，分值：750；
(5)断开：>1000ms，分值：10000。
例如节点i向节点j发送探测消息，计算网络时延，根据时延级别赋予分值x，原分值y=matrix[i][j]，若x不等于y，则更新网络时延矩阵，matrix[i][j]=x，并更新时延更新时间表times[i]为当前时间戳，并重新计算最短路径。
其中，步骤102中各节点定时向时延数据满足要求（例如时延级别在普通及以上）的相邻节点发送包含自身邻居表的路由消息；相邻节点接收到路由消息后，比较时延更新时间以及时延数据，若有变化才更新自身邻居表。节点i收到节点j发送的邻居表，除自身索引i以外，分别比较其他各索引下的时延更新时间和时延数据，例如比较索引j，自身时延更新时间表为times1，接收到的时延更新时间表为times2，若times1[j]<times2[j]，且matrix1[j]不等于matrix2[j]，则更新自身时延更新时间表times1[j]和网络时延矩阵matrix1[j]，并重新计算最短路径。
其中，步骤103中计算最短路径时，若不同路径距离相同，则随机选择一条作为最短路径，若目的节点与自身直连且时延数据满足要求（例如时延级别在普通及以上），直接将其作为最短路径。
其中，步骤104中节点发送普通消息时，消息载荷中还包含存活时间TTL，每次中继转发TTL减一，如果经过多次中继转发TTL等于零时消息还是未到达目的节点，则TTL耗尽，抛弃该消息。
本发明还提供一种基于最短路径算法的联盟链高效通信系统，参照图2， 本实施例中基于最短路径算法的联盟链通信系统包括：
邻居表维护模块201，用于联盟链中各节点维护自身邻居表，邻居表中包含索引-节点标识符对照表、全网的网络时延矩阵、时延更新时间表，索引-节点标识符对照表记录联盟链网络中各节点的标识符与表中索引的映射关系，网络时延矩阵记录联盟链网络中各节点之间的时延数据，时延更新时间表记录各节点更新网络时延矩阵中自身数据的时间戳；
路由表维护模块202，用于联盟链中各节点维护自身路由表，路由表中记录基于最短路径算法，根据邻居表计算得到的本节点到联盟链中其他所有节点的最短路径；
消息通信模块203，与邻居表维护模块201和路由表维护模块202相连，用于生成、发送、接收消息，包含探测消息、路由消息以及普通消息；
其中，消息通信模块203发送探测消息时，先从邻居表维护模块201获取所有相邻节点，定时向相邻节点发送探测消息，并记录消息发送时间，待接收到回复消息后，计算网络时延；
消息通信模块203发送路由消息时，先从邻居表维护模块201获取邻居表，根据自身邻居表信息生成路由消息，定时向时延数据满足要求（例如时延级别在普通及以上）的相邻节点发送路由消息；
消息通信模块203接收到路由消息时，将路由消息交给邻居表维护模块201，邻居表维护模块201判断时延更新时间和网络时延是否有变化，若有变化才更新自身邻居表，并同时触发更新自身路由表；
消息通信模块203发送普通消息时，根据目的节点信息和路由表维护模块202，从路由表中选择最短路径中的首个节点，向首个节点发送消息；
消息通信模块203接收到普通消息后，根据消息载荷中的目的节点判断自身是否为目的节点，若是则直接处理消息，若不是，则根据路由表维护模块202中的自身路由表选择最短路径进行消息转发。
由上述实施例可见，本发明提供的基于最短路径算法的联盟链通信方法及系统，在联盟链组网时，通过发送探测消息和基于最短路径算法计算最短路径，在通信链路不稳定或者有部分节点宕机时也能够保证链路可用性和稳定性，每个节点都选择最短路径发送消息，冗余消息少，通信质量稳定可靠。
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)

1.一种基于最短路径算法的联盟链通信方法，其特征在于，包括：
联盟链中各节点维护一个邻居表和一个路由表；
所述邻居表中包含索引-节点标识符对照表、网络时延矩阵、时延更新时间表，所述索引-节点标识符对照表记录网络中各节点的标识符与表中索引的映射关系，所述网络时延矩阵记录网络中各节点之间的时延数据，所述时延更新时间表记录各节点更新网络时延矩阵中自身数据的时间戳；
所述路由表中记录基于最短路径算法，根据所述邻居表计算得到的本节点到联盟链中其他所有节点的最短路径；
联盟链中各节点定时向相邻节点发送探测消息计算网络时延，更新自身邻居表的网络时延矩阵；
各节点定时向相邻节点发送包含自身邻居表的路由消息，交换邻居表信息，更新邻居表；
各节点定时更新自身路由表；
节点发送普通消息时，在消息载荷中加入目的节点信息，并根据目的节点从路由表中选择最短路径中的首个节点，向所述首个节点发送消息；
节点接收到普通消息后，先判断消息载荷中的目的节点，若是自身，则直接处理，若不是，则根据自身路由表选择最短路径进行消息转发。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最短路径算法采用Dijkstra算法、Floyd算法、Bellman-Ford算法或SPFA算法。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每次节点发送探测消息计算网络时延时，将时延数据分为不同级别，根据级别赋予时延数据分值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将时延数据分为优秀、良好、普通、不及格、断开五个不同级别，时延数据、级别与分值的对应关系如下：对于0~100ms时延数据，级别为优秀，分值为50；对于100ms~300ms时延数据，级别为良好，分值为200；对于300ms~500ms时延数据，级别为普通，分值为400；对于500ms~1000ms时延数据，级别为不及格，分值为750；对于大于1000ms时延数据，级别为断开，分值为10000。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，各节点定时向时延数据满足要求的相邻节点发送包含自身邻居表的路由消息。
6.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，节点接收到相邻节点的路由消息后，按照所述路由消息中邻居表的索引，分别比较接收到的邻居表和自身邻居表的时延更新时间和网络时延，若接收到的邻居表中对应索引的时延更新时间大于自身邻居表中对应索引的时延更新时间，且对应索引的网络时延不同，则更新自身邻居表的网络时延矩阵和时延更新时间表，并同时触发更新自身路由表。
7.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，联盟链中各节点定时基于最短路径算法，根据邻居表计算自身到联盟链中其他所有节点的最短路径，更新自身路由表，计算最短路径时，若不同路径距离相同，则随机选择一条作为最短路径，若目的节点与自身直连且时延数据满足要求，直接将到所述目的节点的路径作为最短路径。
8.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，节点发送普通消息时，所述消息载荷中还包含存活时间TTL，每次中继转发TTL减一，如果经过多次中继转发TTL等于零时消息未到达目的节点，则TTL耗尽，抛弃该消息。
9.一种基于最短路径算法的联盟链通信系统，其特征在于，包括：
邻居表维护模块，用于联盟链中各节点维护自身邻居表，所述邻居表中包含索引-节点标识符对照表、网络时延矩阵、时延更新时间表，所述索引-节点标识符对照表记录网络中各节点的标识符与表中索引的映射关系，所述网络时延矩阵记录网络中各节点之间的时延数据，所述时延更新时间表记录各节点更新网络时延矩阵中自身数据的时间戳；
路由表维护模块，用于联盟链中各节点维护自身路由表，所述路由表中记录基于最短路径算法，根据所述邻居表计算得到的本节点到联盟链中其他所有节点的最短路径；
消息通信模块，与所述邻居表维护模块和所述路由表维护模块相连，用于生成、发送、接收消息，包含探测消息、路由消息以及普通消息；
其中，发送探测消息时，所述消息通信模块先从所述邻居表维护模块获取所有相邻节点，定时向所述相邻节点发送探测消息计算网络时延；
发送路由消息时，所述消息通信模块先从所述邻居表维护模块获取邻居表，根据邻居表生成路由消息，定时向相邻节点发送路由消息；所述消息通信模块接收到路由消息时，将所述路由消息交给所述邻居表维护模块，所述邻居表维护模块判断时延更新时间和网络时延是否有变化，若有变化则更新邻居表；
发送普通消息时，所述消息通信模块根据消息载荷中的目的节点信息和所述路由表维护模块，从路由表中选择最短路径中的首个节点，向所述首个节点发送消息；所述消息通信模块接收到普通消息后，根据消息载荷中的目的节点判断是直接处理消息还是调用所述路由表维护模块中继转发消息。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述路由表维护模块定时基于最短路径算法，根据所述邻居表更新自身路由表；所述邻居表维护模块判断时延更新时间和网络时延有变化，更新自身邻居表的同时，触发更新自身路由表。
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