CN114564676A - 一种提高区块链网络数据传输效率的方法 - Google Patents

一种提高区块链网络数据传输效率的方法 Download PDF

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    • Y02D30/50—Reducing energy consumption in communication networks in wire-line communication networks, e.g. low power modes or reduced link rate

Abstract

本发明涉及区块链技术领域，具体涉及一种提高区块链网络数据传输效率的方法，包括：约定传输二进制位长度为L，记为二进制数D；约定若干组一元多项式，设定自变量x长度，一元多项式编号记为y；记录自变量x和编号y占用长度；指定组编号；将待传输数据截取为若干个二进制数D；获得对应的自变量x和编号y的值；将组编号、自变量x和编号y的值发送给接收数据的节点；接收数据的节点获得自变量x和编号y的值；将自变量x代入编号y对应的一元多项式，获得二进制数D；发送数据的节点将补位长度发送给接收数据的节点。本发明的实质性效果是：使数据传输时需要传输的字节数减少，提高区块链网络数据传输的效率。

Description

一种提高区块链网络数据传输效率的方法
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，具体涉及一种提高区块链网络数据传输效率的方法。
背景技术
区块链是一种分布式共享账本，存储于其中的数据或信息，具有不可伪造、全程留痕、可以追溯、公开透明及集体维护等特征。基于这些特征，区块链技术奠定了坚实的“信任”基础，创造了可靠的“合作”机制。区块链网络采用点对点数据传输方式，区块链节点之间是平等的关系。为了维护区块链节点记录的账本统一性，区块链节点需要执行共识算法，在进行共识算法的过程中，区块链节点需要广播大量的数据。近年来随着区块链技术的应用的发展，区块链业务逐渐繁忙，导致区块链网络日益繁忙。甚至出现堵塞情况，严重影响了区块链用户的使用。因而需要研究提高区块链网络数据传输效率的方法。
如中国专利CN111447290A，公开日2020年6月12日，公开了区块链网络中的通信方法、业务数据传输方法。区块链网络包括P2P网络和中继网络。P2P网络中的区块链节点分别通过P2P网络和中继网络发送探测消息至其它区块链节点，根据探测消息的发送时间和响应消息的接收时间获得与P2P网络对应的第一服务质量数据和与中继网络对应的第二服务质量数据，根据第一服务质量数据和第二服务质量数据的比较结果记录链路优化信息。如此，区块链节点、中继节点可以根据链路优化信息选择服务质量更优的网络通信链路传输业务数据。其技术方案通过选择优化的通信链路提高数据交换效率，但效率提升效果不稳定，当通信链路负载均较高时，将得不到较佳的效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：目前缺乏有效提高区块链网络数据传输效率的技术方案。提出了一种提高区块链网络数据传输效率的方法，能够有效提高区块链网络传输数据的效率。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种提高区块链网络数据传输效率的方法，包括：约定单次传输二进制位长度为L，记为二进制数D；约定若干组一元多项式，设定每组一元多项式自变量x的长度，统计每组一元多项式的数量并将一元多项式编号，编号记为y；记录每组一元多项式自变量x和编号y占用的二进制位长度；为每个一元多项式组指定组编号，将自变量x长度和编号y长度关联组编号存储；发送数据的节点将待传输数据转换为二进制数据流，将二进制流补位后截取为若干个长度L的二进制数D；选定一元多项式，获得对应的自变量x和编号y的值，使一元多项式的结果等于二进制数D；将组编号、自变量x和编号y的值发送给接收数据的节点；接收数据的节点根据组编号获得对应的自变量x长度和编号y长度，进而获得自变量x和编号y的值；将自变量x代入编号y对应的一元多项式，获得二进制数D；全部二进制数D被传输后，发送数据的节点将补位长度发送给接收数据的节点，接收数据的节点去除补位长度后，获得完整的数据。
作为优选，为每个一元多项式组指定组编号的方法包括：获得二进制数D的中位值d,设定二进制数D的分布概率为以d为数学期望值，方差为σ^2的正态分布；将分布概率区间(0,η)划分为若干个概率区间，η为正态分布的最高概率值；获得每个概率区间对应的二进制数D的取值范围；每组一元多项式对应一个概率区间，使得同组的一元多项式的值域覆盖概率区间对应的二进制数D的取值范围；将概率区间降序排列，一元多项式组对应的概率区间排序即为一元多项式组的排序；按照排序为一元多项式组指定霍夫曼编码，即为组编号。
作为优选，设定标识符，将标识符排列在一元多项式组排序的首位参与霍夫曼编码，所述标识符表示组编号与上一次相同。
作为优选，发送数据的节点一次发送多个二进制数D，具体包括：获得每个二进制数D对应的组编号、自变量x和编号y；将多个二进制数D的组编号、自变量x和编号y拼接后发送给接收数据的节点。
作为优选，为每个一元多项式组生成一元多项式的方法包括：获得每个概率区间对应的二进制数D的取值范围，将取值范围内的二进制数D分为若干组；按照分布概率降序排列二进制数D，获得二进制数D的组内排序；将二进制数D的组内排序作为自变量x的值，二进制数D的值作为函数值，获得若干组样本数据；使用一元多项式拟合每组样本数据，使拟合误差为0。
作为优选，使用样本数据建立一元多项式f(x)的方法包括：样本数据记为(xi,fi)，i∈[1,k]，k为样本数据数量；建立k个单项，每个单项对应一个样本数据，建立通用特征式，所述通用特征式为自变量减每个样本数据xi值后相乘的乘式；为每个单项建立单项特征式，单项特征式为通用特征式除以自变量减单项对应样本数据xi值后再乘自变量所得的乘式；计算每个单项的单项特征式的取值，将自变量的值设为单项对应样本数据交xi值，代入单项特征式，再乘样本数据的取值fi与自变量xi的比值，得出单项特征值；使用单项对应样本数据的取值fi除以单项特征值，作为单项特征式的项系数，构成单项表达式；k个单项的单项表达式求和即完成一元多项式f(x)的建立。
本发明的实质性效果是：通过替换算法使数据传输时需要传输的字节数减少，从而有效且稳定的提高区块链网络数据传输的效率；通过结合分布概率设置一元多项式组，使用较短的组编号，能够进一步缩短需要传输的数据长度；提供快速建立一元多项式的方案，能够完成对应概率区间对应取值范围的一元多项式组的建立。
附图说明
图1为实施例一提高区块链网络数据传输效率方法示意图。
图2为实施例一指定组编号方法示意图。
图3为实施例一生成一元多项式方法示意图。
图4为实施例一使用样本数据建立一元多项式方法示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。
实施例一：
一种提高区块链网络数据传输效率的方法，请参阅附图1，包括：步骤A01）约定单次传输二进制位长度为L，记为二进制数D；步骤A02）约定若干组一元多项式，设定每组一元多项式自变量x的长度，统计每组一元多项式的数量并将一元多项式编号，编号记为y；步骤A03）记录每组一元多项式自变量x和编号y占用的二进制位长度；步骤A04）为每个一元多项式组指定组编号，将自变量x长度和编号y长度关联组编号存储；步骤A05）发送数据的节点将待传输数据转换为二进制数据流，将二进制流补位后截取为若干个长度L的二进制数D；步骤A06）选定一元多项式，获得对应的自变量x和编号y的值，使一元多项式的结果等于二进制数D；步骤A07）将组编号、自变量x和编号y的值发送给接收数据的节点；步骤A08）接收数据的节点根据组编号获得对应的自变量x长度和编号y长度，进而获得自变量x和编号y的值；步骤A09）将自变量x代入编号y对应的一元多项式，获得二进制数D；步骤A10）全部二进制数D被传输后，发送数据的节点将补位长度发送给接收数据的节点，接收数据的节点去除补位长度后，获得完整的数据。
在步骤A07）中，本实施例进行以下判断，判断组编号、自变量x和编号y占用长度是否超过长度L，若超过长度L则直接发送二进制数D。当组编号、自变量x和编号y恰好等于长度L时，也直接发送二进制数D。即当接收数据的节点收到的长度正好为L时，则直接接收，若收到的长度不等于L，则按照组编号、自变量x和编号y计算相应的二进制数D的值。
本实施例中约定单次传输二进制长度L为16位，即2个字节。二进制数D的取值范围为：0x0000至0xFFFF，总共16的4次方个取值情况。因而需要使用多组一元多项式表示16的4次方个数值。约定自变量x的长度为半个字节，即4位。自变量x具有16个值，因此每个一元多项式能够表示16个值。表示全部二进制数D，需要16的3次方个一元多项式，因此表达编号y需要使用1.5个字节长度。加上自变量x占用的0.5字节，一共需要2个字节，与二进制数D占用字节数相同。本实施例考虑到区块链的区块中，存在大量的哈希值。不同于常见的文本、数目等数据，哈希值是由散列函数获得的，几乎是完全随机的。哈希值本身不表达任何语义。本实施例考虑到二进制数D取值的分布概率，对取值概率小的值使用较长的字节数表示，对取值概率高的值使用较短的字节数表示，从而能够在大部分情况下，使用较短的数据替换二进制数D，减少区块数据占用的字节长度，从而减少需要在网络上传输的数据长度，达到提高数据传输效率的效果。值得注意的是，本实施例认为二进制数D符合以d为数学期望值，方差为σ^2的正态分布，并非是要求二进制数D真实符合正态分布，而是利用正态分布的概率计算式，确定二进制数D的排序序号。当标准差σ足够大时，正态分布在一定区间内，基本接近均匀分布。从而能够利用正态分布概率计算式，确定二进制数D的排序。
为每个一元多项式组指定组编号的方法，请参阅附图2，包括：步骤B01）获得二进制数D的中位值d,设定二进制数D的分布概率为以d为数学期望值，方差为σ^2的正态分布；步骤B02）将分布概率区间(0,η)划分为若干个概率区间，η为正态分布的最高概率值；步骤B03）获得每个概率区间对应的二进制数D的取值范围；步骤B04）每组一元多项式对应一个概率区间，使得同组的一元多项式的值域覆盖概率区间对应的二进制数D的取值范围；步骤B05）将概率区间降序排列，一元多项式组对应的概率区间排序即为一元多项式组的排序；步骤B06）按照排序为一元多项式组指定霍夫曼编码，即为组编号。
比如，将二进制数D分为16组，每组具有0x1000个数值。对应的第1组范围为：(0x74FF,0x84FF]，第2组(0x6FFF,0x74FF]∪(0x84FF,0x89FF]，第3组(0x6AFF,0x6FFF]∪(0x89FF,0x8EFF]，第4组(0x65FF,0x6AFF]∪(0x8EFF,0xFEFF]，第5组(0x60FF,0x65FF]∪(0x93FF,0xFFEF]，第6组(0x5BFF,0x60FF]∪(0x93FF,0x98FF]等。前6组一元多项式组的霍夫曼编码分别为0,1,10,110,1110,11110。第1组的数值共有0x1000个，表示全部0x1000个数值需要0x100个一元多项式，一元多项式的编号范围为[0x00,0xFF]，使用2个字节既可以表示。因此表示第1组的数值需要的总字节数为：霍夫曼编码的组编号0占用1位，加上自变量x占用4位，编号y占用8位，总共需要13位比特位。第2组的数值共有0x1000个，同样自变量x占用4位，编号y占用8位。霍夫曼编码的组编号 1占用1位，则表示第2组的数值需要的总字节数也为13位。相对于二进制数D占用的16比特位，当二进制数D落入第1组或第2组时，压缩率为18.75%。
设定标识符，将标识符排列在一元多项式组排序的首位参与霍夫曼编码，标识符表示组编号与上一次相同。本实施例设定标识符的霍夫曼编码为0，则第1组的组编号对应的霍夫曼编码为1，第2组的组编号对应的霍夫曼编码为10。当上一次发送的二进制数D同样也是第2组时，本次发送时，将组编号设置为0即可。
发送数据的节点一次发送多个二进制数D，具体包括：获得每个二进制数D对应的组编号、自变量x和编号y；将多个二进制数D的组编号、自变量x和编号y拼接后发送给接收数据的节点。通过识别组编号，获得应用的自变量x和编号y的长度，截取二进制流即可获得对应的自变量x和编号y的值。当连续两个二进制数D属于同一组时，组编号设置为0即可。
请参阅附图3，为每个一元多项式组生成一元多项式的方法包括：步骤C01）获得每个概率区间对应的二进制数D的取值范围，将取值范围内的二进制数D分为若干组；步骤C02）按照分布概率降序排列二进制数D，获得二进制数D的组内排序；步骤C03）将二进制数D的组内排序作为自变量x的值，二进制数D的值作为函数值，获得若干组样本数据；步骤C04）使用一元多项式拟合每组样本数据，使拟合误差为0。
使用样本数据建立一元多项式f(x)的方法请参阅附图4，包括：步骤D01）样本数据记为(xi,fi)，i∈[1,k]，k为样本数据数量；步骤D02）建立k个单项，每个单项对应一个样本数据，建立通用特征式，通用特征式为自变量减每个样本数据xi值后相乘的乘式；步骤D03）为每个单项建立单项特征式，单项特征式为通用特征式除以自变量减单项对应样本数据xi值后再乘自变量所得的乘式；步骤D04）计算每个单项的单项特征式的取值，将自变量的值设为单项对应样本数据交xi值，代入单项特征式，再乘样本数据的取值fi与自变量xi的比值，得出单项特征值；步骤D05）使用单项对应样本数据的取值fi除以单项特征值，作为单项特征式的项系数，构成单项表达式；步骤D06）k个单项的单项表达式求和即完成一元多项式f(x)的建立。本实施例中样本数据为：(0x0A,0x139E80)、(0x21,0x67A6D)、(0x30,0x4BB40)和(0x9E,0x3E1A70)，则通用特征式为：(x-0x0A)*(x-0x21)*(x-0x30)*(x-0x9E)。
建立4个单项，每个单项对应一个样本数据。对于第一个样本数据(0x0A,0x139E80)，其单项特征式为：(x-0x21)*(x-0x30)*(x-0x9E)，单项特征值为(0x0A-0x21)*(0x0A-0x30)*(0x0A-0x9E)=-0x23*-0x38*-0x148=-0x9CF40。对于第二个样本数据(0x21,0x67A6D)，其单项特征式为：(x-0x0A) *(x-0x30)*(x-0x9E)，单项特征值为(x-0x0A) *(x-0x30)*(x-0x9E)=(0x21-0x0A) *(0x21-0x30)*(0x21-0x9E)=0x17*-0x15*-0x125=0x228CF。对于第三个样本数据(0x30,0x4BB40)，其单项特征式为：(x-0x0A)*(x-0x21)*(x-0x9E)，单项特征值为(0x30-0x0A)*(0x30-0x21)*(0x30-0x9E)=0x26*0xF*-0x110=-0x25DA0。对于第四个样本数据(0x9E,0x3E1A70)，其单项特征式为：(x-0x0A)*(x-0x21)*(x-0x30)，第四个样本数据(0x9E,0x3E1A70)的单项特征值为：(0x9E-0x0A)*(0x9E-0x21)*(0x9E-0x30)=0x94*0x7D*0x6E=0x1F0D38。
进而获得4个单项的单项表达式，将单项表达式求和获得：
f(x)=((0x139E80/0x0A)/-0x9CF40)*x*(x-0x21)*(x-0x30)*(x-0x9E)
+((0x67A6D/0x21)/0x228CF)*x*(x-0x0A)*(x-0x30)*(x-0x9E)
+((0x4BB40/0x30)/-0x25DA0)*x*(x-0x0A)*(x-0x21)*(x-0x9E)
+((0x3E1A70/0x9E)/0x1F0D38)*x*(x-0x0A)*(x-0x21)*(x-0x30)
=-(0x139E80/0x621880)*(x^4-0xEF*x^3+0x3474*x^2-0x184D4*x)
+(0x67A6D/0x4742AF)(x^4-0xD8*x^3+0x25AC*x^2-0x12840*x)
-(0x4BB40/0x718E00)(x^4-0xC9*x^3+0x1BD4*x^2-0xCBAC*x)
+(0x3E1A70/(0x132A2890))(x^4-0x5B*x^3+0x5A0*x^2-0x189C*x)。完成一元多项式f(x)的建立。为了提高计算准确度，一元多项式的系数应直接以分数的形式存储。
本实施例的有益技术效果是：通过替换算法使数据传输时需要传输的字节数减少，从而有效且稳定的提高区块链网络数据传输的效率；通过结合分布概率设置一元多项式组，使用较短的组编号，能够进一步缩短需要传输的数据长度；提供快速建立一元多项式的方案，能够完成对应概率区间对应取值范围的一元多项式组的建立。
以上的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (6)

1.一种提高区块链网络数据传输效率的方法，其特征在于，包括：
约定传输二进制位长度为L，记为二进制数D；
约定若干组一元多项式，设定每组一元多项式自变量x的长度，统计每组一元多项式的数量并将一元多项式编号，编号记为y；
记录每组一元多项式自变量x和编号y占用的二进制位长度；
为每个一元多项式组指定组编号，将自变量x长度和编号y长度关联组编号存储；
发送数据的节点将待传输数据转换为二进制数据流，将二进制流补位后截取为若干个长度L的二进制数D；
选定一元多项式，获得对应的自变量x和编号y的值，使一元多项式的结果等于二进制数D；
将组编号、自变量x和编号y的值发送给接收数据的节点；
接收数据的节点根据组编号获得对应的自变量x长度和编号y长度，进而获得自变量x和编号y的值；
将自变量x代入编号y对应的一元多项式，获得二进制数D；
全部二进制数D被传输后，发送数据的节点将补位长度发送给接收数据的节点，接收数据的节点去除补位长度后，获得完整的数据。
2.根据权利要求1所述的一种提高区块链网络数据传输效率的方法，其特征在于，
为每个一元多项式组指定组编号的方法包括：
获得二进制数D的中位值d,设定二进制数D的分布概率为以d为数学期望值，方差为σ^2的正态分布；
将分布概率区间(0,η)划分为若干个概率区间，η为正态分布的最高概率值；
获得每个概率区间对应的二进制数D的取值范围；
每组一元多项式对应一个概率区间，使得同组的一元多项式的值域覆盖概率区间对应的二进制数D的取值范围；
将概率区间降序排列，一元多项式组对应的概率区间排序即为一元多项式组的排序；
按照排序为一元多项式组指定霍夫曼编码，即为组编号。
3.根据权利要求2所述的一种提高区块链网络数据传输效率的方法，其特征在于，
设定标识符，将标识符排列在一元多项式组排序的首位参与霍夫曼编码，所述标识符表示组编号与上一次相同。
4.根据权利要求2或3所述的一种提高区块链网络数据传输效率的方法，其特征在于，
发送数据的节点一次发送多个二进制数D，具体包括：
获得每个二进制数D对应的组编号、自变量x和编号y；
将多个二进制数D的组编号、自变量x和编号y拼接后发送给接收数据的节点。
5.根据权利要求2或3所述的一种提高区块链网络数据传输效率的方法，其特征在于，
为每个一元多项式组生成一元多项式的方法包括：
获得每个概率区间对应的二进制数D的取值范围，将取值范围内的二进制数D分为若干组；
按照分布概率降序排列二进制数D，获得二进制数D的组内排序；
将二进制数D的组内排序作为自变量x的值，二进制数D的值作为函数值，获得若干组样本数据；
使用一元多项式拟合每组样本数据，使拟合误差为0。
6.根据权利要求5所述的一种提高区块链网络数据传输效率的方法，其特征在于，
使用样本数据建立一元多项式f(x)的方法包括：
样本数据记为(xi,fi)，i∈[1,k]，k为样本数据数量；
建立k个单项，每个单项对应一个样本数据，建立通用特征式，所述通用特征式为自变量减每个样本数据xi值后相乘的乘式；
为每个单项建立单项特征式，单项特征式为通用特征式除以自变量减单项对应样本数据xi值后再乘自变量所得的乘式；
计算每个单项的单项特征式的取值，将自变量的值设为单项对应样本数据交xi值，代入单项特征式，再乘样本数据的取值fi与自变量xi的比值，得出单项特征值；
使用单项对应样本数据的取值fi除以单项特征值，作为单项特征式的项系数，构成单项表达式；
k个单项的单项表达式求和即完成一元多项式f(x)的建立。
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