CN114579637A - 一种电网业务系统区块链高效检索方法 - Google Patents

Abstract

一种电网业务系统区块链高效检索方法,具体步骤为：步骤一：根据已有区块链的区块数据，创建区块链账户过滤器；步骤二：创建带交易信息的二叉树数据结构；步骤三：将步骤一和步骤二的内容存储为索引文件；步骤四：从已建立的索引文件中读入数据；步骤五：根据带交易信息的二叉树数据结构中的数据创建检索索引；步骤六：根据指定的地址，快速判断该地址是否在索引文件中，是则直接返回未检索到的结果，否则进入下一步；步骤七：根据带交易信息的二叉树数据结构创建的检索索引，快速找到该地址交易所在的区块位置，并从区块中获取交易信息；步骤八：将交易信息返回给检索者。

Description

一种电网业务系统区块链高效检索方法

技术领域

本发明涉及数据检索技术领域，具体为一种电网业务系统区块链高效检索方法。

背景技术

2008年，Satoshi Nakamoto推出比特币作为第一种加密货。比特币是第一个实施区块链技术的系统。它允许在没有可信第三方授权的情况下，从一方到另一方进行安全的在线现金交易。区块链用于实现直接的点对点电子支付，使相互不信任的节点能够可信支付，而无需权威的第三方。区块链安全是通过使用加密技术链接和保护数据块来实现的，区块链中包含的数据一旦记录就无法更改，这使得更改记录变得困难。区块链分类账交易经过审查并对所有参与者可见，从而降低了欺诈的可能。区块链是计算机科学机制和密码机制的混合体，如加密散列函数、数字签名、非对称密钥加密、脚本和持久化存。从本质上讲，区块链是一个分布式、冗余、链连接、账本共享数据库，其中网络中的每个节点都是容错的，可以实现点对点通信。区块链是一组连接起来的区块，是由许多包含信息的区块构成的链。在区块链中，账本分布在计算机网络上。系统是完全透明的，所有用户都可以看到在公共区块链上进行的交易和更改。因此，如果黑客试图更改或操纵分类账特定部分中的内容，它将自动失效，并且毫无用处。这使得黑客很难在那里做任何事情。对于这种防篡改功能，许多行业正在努力在其流程中采用区块链。

在电网业务系统应用中，安全性、隐私性和可行性需要解决一些关键问题。如：1、确保任何未经授权的实体无法获取任何信息；2、确保适当的密码机制；3、防止未经授权的实体修改信息；4、提供实体实施特定行动的证据，以便该实体无法否认其所做的事情；5、增加所有实体之间的信任、透明度等。现有技术中，主要使用RSA非对称加密算法、采用UTXO账户模型、P2P网络、工作量证明、JSON格式的区块等。由于在系统建立初期，并没有专门设计区块检索的索引结构，因此在日常使用中区块数据检索性能低下，经常成为业务性能的瓶颈。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种兼容性能好，检索效率高的电网业务系统区块链高效检索方法，具体技术方案如下：

一种电网业务系统区块链高效检索方法，具体步骤为：

步骤一：根据已有区块链的区块数据，创建区块链账户过滤器；

步骤二：创建带交易信息的二叉树数据结构；

步骤三：将步骤一和步骤二的内容存储为索引文件；

步骤四：从已建立的索引文件中读入数据；

步骤五：根据带交易信息的二叉树数据结构中的数据创建检索索引；

步骤六：根据指定的地址，快速判断该地址是否在索引文件中，是则直接返回未检索到的结果，否则进入下一步；

步骤七：根据带交易信息的二叉树数据结构创建的检索索引，快速找到该地址交易所在的区块位置，并从区块中获取交易信息；

步骤八：将交易信息返回给检索者。

作为优化：

所述步骤一具体为：创建一个m位比特数组BitArray，先将所有位初始化为0，然后选择k个不同的Hash函数，分别用第i，i∈[0，k-1]，Hash函数hash_i()对待处理地址字符串str进行处理，Hash计算输出的结果为字符串h_i＝hash_i(str)，i∈[0，k-1]，且iht(h_i)∈[0，m-1]；

记录过程：

对于地址字符串str，分别计算h₀，h₁，...，h_k-1，h_i＝hash_i(str)，i∈[0，k-1]；根据计算结果将BitArray的第int(h_i)位设为1，i∈[0，k-1]；

检测过程：

对于地址字符串str，分别计算h₀，h₁，...，h_k-1，h_i＝hash_i(str)，i∈[0，k-1]；根据计算结果检查BitArray的第int(h_i)位是否1，i∈[0，k-1]；

若全部位都是1，则地址字符串str已经记录；

若不是全部位都是1，则可以肯定地址字符串str一定没有被记录过。

作为优化：所述步骤二具体为：

带交易信息的二叉树数据结构建立在平衡二叉树的基础之上，每个结点最多有两棵子树，不存在度大于2的结点，任意节点的子树的高度差都小于等于1，任何一个节点的左子树或者右子树也都是平衡二叉树；

平衡二叉树的子树有左右之分，其子树的次序不能颠倒，即使树中某结点只有一棵子树，也要区分它是左子树还是右子树，若它的左子树不为空，则左子树上所有节点的值均小于它的根节点的值；若它的右子树不为空，则右子树上所有节点的值均大于它的根节点的值；

平衡二叉树的第i(i≥1)层上最多有2^i-1个节点，平衡二叉树中如果深度为k(k≥1)，那么最多有2^k-1个节点，n₀＝n₂+1，n₀表示度为0的节点数，n₂表示度为2的节点数。

作为优化：所述步骤五具体为：

首先根据已有的交易地址，使用不同的Hash算法分别进行三次计算，并对计算结果做模16计算，将各次Hash计算的结果转换为整型树intHash，将数组的值BABF[intHash]设置为1，根据指定的地址遍历区块，找到与该地址相关的交易信息，建立该地址及其交易信息的BTTI数据结构，对每个地址处理完成后，得到一组地址的BABF和BTTI数据结构，在此基础上生成JSON格式的索引结构，并存储为文本文件。

作为优化：所述步骤六具体为：

根据要检索的地址，读入已存储的索引文件，根据读入的JSON数据，恢复出BABF数据结构，根据该交易地址，使用三种Hash算法分别进行三次计算，并对计算结果做模16计算，将各次Hash计算的结果转换为整型树intHash，判断数组的值BABF[intHash]设是否为1，若不为1则返回未检索到结果，如果为1，则根据JSON文件恢复BTT工数据结构，并使用二叉树查找法进行检索，若检索成功则输出结果，并进入下一个要检索地址的处理。

本发明的有益效果为：相对于传统区块检索方式，电网业务系统区块链高效检索方法能够极大地提高电网区块链业务系统数据的检索速度。特别设计了两个子数据结构区块链账户过滤器和带交易信息的二叉树数据结构，可以很快检测出给定的交易地址是否存在这交易信息。如果不存在交易信息，则可以不用再进行下一步的检索操作，二是直接跳过，检索性能比传统的遍历检索法大大提高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明区块链账户过滤器数据结构示意图。

图3为本发明带交易信息的二叉树数据结构示意图。

图4为本发明带交易信息的二叉树数据结构中的数据创建检索索引流程示意图；

图5为本发明步骤六的流程示意图；

图6为本发明检索性能对比图；

图7为本发明整体性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示：一种电网业务系统区块链高效检索方法，具体步骤为：

步骤一：根据已有区块链的区块数据，创建区块链账户过滤器BABF；BABF用于判断在TIS索引中，是否包含某个交易地址。如果没有包含，则可以不用进行检索，直接跳过。这样可以节省检索的时

BABF结构：

为了快速判断一个区块链账户是否有过交易记录，本申请使用基于Bloom过滤器的BABF数据结构来处理，如图2所示，创建一个m位比特数组BitArray，先将所有位初始化为0，然后选择k个不同的Hash函数。分别用第i，i∈[0，k-1]，个Hash函数hash_i()对待处理地址字符串str进行处理，Hash计算输出的结果为字符串hi＝hash_i(str)，i∈[0，k-1]，且int(h_i)∈[0，m-1]。

记录过程：

对于地址字符串str，分别计算h₀，h₁，...，h_k-1，h_i＝hash_i(str)，i∈[0，k-1]。根据计算结果将BitArray的第int(h_i)位设为1，i∈[0，k-1]。

检查过程：

对于地址字符串str，分别计算h₀，h₁，...，h_k-1，h_i＝hash_i(str)，i∈[0，k-1]。根据计算结果检查BitArray的第int(h_i)位是否1，i∈[0，k-1]。

若全部位都是1，则地址字符串str已经记录。

若不是全部位都是1，则可以肯定地址字符串str一定没有被记录过。

本实施例中，BABF的数组长度为m＝16比特，采用的Hash函数个数为k＝3。

如图3所示：步骤二：创建带交易信息的二叉树数据结构BTTI，BTTI用于为交易建立索引，通过为涉及的交易地址建立改进后的平衡二叉树，可以节省检索某个地址关联交易所需的时间。BTTI建立在平衡二叉树的基础之上。每个结点最多有两棵子树，不存在度大于2的结点。任意节点的子树的高度差都小于等于1。任何一个节点的左子树或者右子树也都是平衡二叉树。

平衡二叉树的子树有左右之分，其子树的次序不能颠倒。即使树中某结点只有一棵子树，也要区分它是左子树还是右子树。若它的左子树不为空，则左子树上所有节点的值均小于它的根节点的值；若它的右子树不为空，则右子树上所有节点的值均大于它的根节点的值。

平衡二叉树的第i(i≥1)层上最多有2^i-1个节点。平衡二叉树中如果深度为k(k≥1)，那么最多有2^k-1个节点。n₀＝n₂+1，n₀表示度为0的节点数，n₂表示度为2的节点数。

本实施例限制了BTTI结构中的节点数量，一个BTTI树的所有节点数量上限设置为1024。每一个节点前一部分存放的是交易地址，第二部分存放的是与该地址相关的交易信息。

步骤三：将步骤一和步骤二的内容存储为索引文件；

步骤四：从已建立的索引文件中读入数据；

步骤五：根据带交易信息的二叉树数据结构中的数据创建检索索引；

如图4所示，首先根据已有的交易地址，使用不同的Hash算法分别进行三次计算，并对计算结果做模16计算，步3-5。步6将各次Hash计算的结果转换为整型树intHash，将数组的值BABF[intHash]设置为1。步7根据指定的地址遍历区块，找到与该地址相关的交易信息。步8建立该地址及其交易信息的BTTI数据结构。对每个地址处理完成后，得到一组地址的BABF和BTTI数据结构。再次基础上生成JSON格式的索引结构，步9，并存储为文本文件，步10。

步骤六：根据指定的地址，快速判断该地址是否在索引文件中，是则直接返回未检索到的结果，否则进入下一步；

如图5所示，根据要检索的地址，步2，读入已存储的索引文件，步3。根据读入的JSON数据，恢复出BABF数据结构，步4。根据该交易地址，使用三种Hash算法分别进行三次计算，并对计算结果做模16计算，步5-7。步8将各次Hash计算的结果转换为整型树intHash，判断数组的值BABF[intHash]设是否为1。若不为1则返回未检索到结果，步9。如果为1，则根据JSON文件恢复BTTI数据结构，步10，并使用二叉树查找法进行检索，若检索成功则输出结果，步11，并进入下一个要检索地址的处理，步12。

步骤七：根据带交易信息的二叉树数据结构创建的检索索引，快速找到该地址交易所在的区块位置，并从区块中获取交易信息；

步骤八：将交易信息返回给检索者。

仿真和结果分析：

仿真环境设置，仿真的硬件环境为，处理器：Intel(R)Core(TM)i7-7700CPU@3.60GHz 3.60GHz；内存：24GB；显卡：Radeon RX Vega 56，8G；硬盘：Fanxiang S101 256GB，Samsung SSD 840 EVO 120GB；WDC WD10EZEX 1T。软件环境为：Windows 10专业版，19042.1415；Python 3.7.6；VisualStudioCode 1.63.2。在仿真中，使用的有交易的账户地址为2000个，另外随机产生[10，350]个没有交易的账户地址。使用了3919个电网区块链中的区块。仿真的程序和相关数据都存储在机械硬盘上。

对比方法：

为了提供对比基准，本文提供了区块遍历的检索方法(STBF，Search byTraversing Block Files)。STBF也是电网区块链、比特币区块链[14]等采用的数据检索方法。STBF的实现方法比较简单，根据交易的账户地址，以此读取区块里边的数据。如果区块包含该账户的交易信息，则把交易信息提取出来，之后继续检索下一个区块。直到所有的区块检索完毕。

检索结果和分析：

数据检索的仿真结果如图6所示。图6的横坐标为所检索的账户地址的数量。纵坐标为检索的所用时间，单位为秒。

分别对STBF和EDRM-PGB检索方法，在账户地址具有交易信息和没有交易信息的情况进行了实验。从图6中可以看出，对于STBF和EDRM-PGB检索方法，如果所检索的交易地址在区块中具有交易信息，则需要的检索时间，比没有交易信息的地址，要稍多一些。这是因为，在存在交易信息的情况下，需要对交易信息进行提取，提取的过程需要耗费一定的时间。但该多耗费的时间，与整个检索时间比起来，并不明显。从图6中也可见，在相同情况下，EDRM-PGB检索所需的时间，比STBF检索所需的时间，要明显少很多。这是因为EDRM-PGB为检索建立了索引，在检索时使用了基于平衡二叉树的检索方法，明显降低了检索的次数。同时，引入了基于Bloom过滤器的BABF，可以很快检测出给定的交易地址是否存在这交易信息。如果不存在交易信息，则可以不用再进行下一步的检索操作，二是直接跳过。以上两个原因，使得EDRM-PGB的检索性能比传统的遍历检索法大大提高。

整体性能

如图7所示：EDRM-PGB检索的性能明显高于STBF检索的性能。但还忽略了一个不利因素。这个因素是建立EDRM-PGB索引是要花费时间的。因此，还要在总体性能上进行对比，即把EDRM-PGB建立索引的额时间考虑进去。图7给出了总体的性能对比图。从图中6可以看出EDRM-PGB建立索引所需的时间，比EDRM-PGB检索的时间要长得多。因此在总性能中，EDRM-PGB总体耗时中，建立索引的时间占主要部分。对于针对具有交易信息的地址的检索，和没有交易信息的地址的检索，都是如此。从图7也可以明显看出，在各种检索条件下，EDRM-PGB检索方法所用时间，比STBF检索方法所用时间都小得多。这也证明了EDRM-PGB检索方法的高效性。用于电网区块链业务系统能够极大的提高性能。

Claims (5)

1.一种电网业务系统区块链高效检索方法,其特征在于，具体步骤为：

步骤一：根据已有区块链的区块数据，创建区块链账户过滤器；

步骤二：创建带交易信息的二叉树数据结构；

步骤三：将步骤一和步骤二的内容存储为索引文件；

步骤四：从已建立的索引文件中读入数据；

步骤五：根据带交易信息的二叉树数据结构中的数据创建检索索引；

步骤六：根据指定的地址，快速判断该地址是否在索引文件中，是则直接返回未检索到的结果，否则进入下一步；

步骤七：根据带交易信息的二叉树数据结构创建的检索索引，快速找到该地址交易所在的区块位置，并从区块中获取交易信息；

步骤八：将交易信息返回给检索者。

2.根据权利要求1所述电网业务系统区块链高效检索方法，其特征在于：

所述步骤一具体为：创建一个m位比特数组BitArray，先将所有位初始化为0，然后选择k个不同的Hash函数，分别用第i，i∈[0,k-1]，Hash函数hash_i()对待处理地址字符串str进行处理，Hash计算输出的结果为字符串h_i＝hash_i(str),i∈[0,k-1]，且int(h_i)∈[0,m-1]；

记录过程：

对于地址字符串str，分别计算h₀,h₁,…,h_k-1，h_i＝hash_i(str),i∈[0,k-1]；根据计算结果将BitArray的第int(h_i)位设为1，i∈[0,k-1]；

检测过程：

对于地址字符串str，分别计算h₀,h₁,…,h_k-1，h_i＝hash_i(str),i∈[0,k-1]；根据计算结果检查BitArray的第int(h_i)位是否1，i∈[0,k-1]；

若全部位都是1，则地址字符串str已经记录；

若不是全部位都是1，则可以肯定地址字符串str一定没有被记录过。

3.根据权利要求1所述电网业务系统区块链高效检索方法，其特征在于：所述步骤二具体为：

带交易信息的二叉树数据结构建立在平衡二叉树的基础之上，每个结点最多有两棵子树，不存在度大于2的结点，任意节点的子树的高度差都小于等于1，任何一个节点的左子树或者右子树也都是平衡二叉树；

平衡二叉树的子树有左右之分，其子树的次序不能颠倒，即使树中某结点只有一棵子树，也要区分它是左子树还是右子树，若它的左子树不为空，则左子树上所有节点的值均小于它的根节点的值；若它的右子树不为空，则右子树上所有节点的值均大于它的根节点的值；

平衡二叉树的第i(i≥1)层上最多有2^i-1个节点，平衡二叉树中如果深度为k(k≥1)，那么最多有2^k-1个节点，n₀＝n₂+1,n₀表示度为0的节点数，n₂表示度为2的节点数。

4.根据权利要求1所述电网业务系统区块链高效检索方法，其特征在于：所述步骤五具体为：

首先根据已有的交易地址，使用不同的Hash算法分别进行三次计算，并对计算结果做模16计算，将各次Hash计算的结果转换为整型树intHash，将数组的值BABF[intHash]设置为1，根据指定的地址遍历区块，找到与该地址相关的交易信息，建立该地址及其交易信息的BTTI数据结构，对每个地址处理完成后，得到一组地址的BABF和BTTI数据结构，在此基础上生成JSON格式的索引结构，并存储为文本文件。

5.根据权利要求1所述电网业务系统区块链高效检索方法，其特征在于：所述步骤六具体为：

根据要检索的地址，读入已存储的索引文件，根据读入的JSON数据，恢复出BABF数据结构，根据该交易地址，使用三种Hash算法分别进行三次计算，并对计算结果做模16计算，将各次Hash计算的结果转换为整型树intHash，判断数组的值BABF[intHash]设是否为1，若不为1则返回未检索到结果，如果为1，则根据JSON文件恢复BTTI数据结构，并使用二叉树查找法进行检索，若检索成功则输出结果，并进入下一个要检索地址的处理。

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