CN114666248B - 一种联盟链分片交易分发方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种联盟链分片交易分发方法及装置，本发明在用户端部署交易评估装置，并提出一种利用交易评估装置中的交易评估模型将交易分发到分片中的策略，交易评估模型从减少跨分片通信、各分片负载均衡两个方面对交易进行评估，并得出最优解，将交易分发到对应分片中，使得跨分片通信消耗最小，各分片处理交易负载均衡。本发明方法能够大大提高联盟链性能，并能够保证交易的全序性、结果一致性及安全性。

Description

一种联盟链分片交易分发方法及装置
技术领域
本发明属于联盟链技术领域，尤其涉及一种联盟链分片交易分发方法及装置。
背景技术
当前联盟链在很多领域得到广泛应用，但是联盟链的性能满足不了业务需求，目前针对联盟链性能优化有针对单一链下的共识优化、网络优化等，或者是采用多链分片的思想，将交易分发到不同的分片链上，分片链再进行通信，那么联盟链处理能力为这些分片的总和，但是这种做法和跨链优化比较像，其中分片间涉及到交易事务性、原子性等问题，各分片之间需要进行跨分片通信解决原子性等问题，跨分片开销比较大，另一方面要确保各分片负载均衡。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种联盟链分片交易分发方法及装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的第一方面，提供一种联盟链分片交易分发方法，包括：
在用户端部署交易评估装置；
用户端发送交易集合到所述交易评估装置；
所述交易评估装置接收到交易集合，对交易集合进行交易有向图构造，根据交易相关性计算待分发交易在所有分片的交易相关性评分，根据网络通信时延和交易执行时延计算待分发交易在所有分片的交易延迟评分，根据交易相关性评分和交易延迟评分计算交易总评分；
所述交易评估装置将待分发交易发送到交易总评分最大值对应的分片。
进一步地，所述交易评估装置部署在用户端，通过预言机连接到联盟链网络。
进一步地，根据交易源地址和交易目的地址，得到待分发交易的前序交易和后序交易，从而确定交易相关性。
进一步地，交易u分发到分片k的交易相关性评分
Figure 65324DEST_PATH_IMAGE001
的计算公式如下：
Figure 606027DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 780656DEST_PATH_IMAGE003
为在分片k中交易u的前序交易集合，
Figure 646981DEST_PATH_IMAGE004
为在分片k中交易
Figure 657793DEST_PATH_IMAGE005
的 后序交易集合，
Figure 267766DEST_PATH_IMAGE006
代表集合中交易数量；
Figure 296902DEST_PATH_IMAGE007
为动态调整系数，
Figure 599707DEST_PATH_IMAGE008
，N为待分发交易 集合中的交易数量，K为分片数量；
Figure 596351DEST_PATH_IMAGE009
为前序交易相关性系数，如果交易u在分片k中没有 前序交易，则
Figure 744436DEST_PATH_IMAGE010
，否则
Figure 893657DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 101785DEST_PATH_IMAGE012
为分片k中的交易数量。
进一步地，所述网络通信时延采用指数分布模型进行建模，通过对开始提交交易到分片节点接收到交易的时间进行采样获得，针对分片k，网络通信时延的计算公式如下：
Figure 87189DEST_PATH_IMAGE013
其中，t为时间变量，
Figure 38965DEST_PATH_IMAGE014
为网络通信时延，
Figure 42693DEST_PATH_IMAGE015
表示通过采样获得的网络通 信时延的期望值。
进一步地，所述交易执行时延采用指数分布模型进行建模，通过对交易在分片中的执行时间进行采样获得，针对分片k，交易执行时延的公式如下：
Figure 687301DEST_PATH_IMAGE016
其中，t为时间变量，
Figure 346952DEST_PATH_IMAGE017
为交易执行时延，
Figure 351686DEST_PATH_IMAGE018
表示通过采样获得的交易执 行时延的期望值。
进一步地，交易u分发到分片k的交易延迟评分
Figure 944342DEST_PATH_IMAGE019
的计算公式如下：
Figure 25430DEST_PATH_IMAGE020
其中，t为时间变量，x为积分变量，
Figure 969116DEST_PATH_IMAGE021
表示网络通信时延，
Figure 279005DEST_PATH_IMAGE022
表示交易执 行时延。
进一步地，交易u分发到分片k的交易总评分
Figure 991746DEST_PATH_IMAGE023
的计算公式如下：
Figure 712578DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure 143559DEST_PATH_IMAGE025
为交易相关性评分，
Figure 490096DEST_PATH_IMAGE026
为交易延迟评分，
Figure 526185DEST_PATH_IMAGE027
为动态系数，
Figure 417917DEST_PATH_IMAGE028
，K为分片数量，
Figure 336195DEST_PATH_IMAGE029
为交易集合开始分发时的各联盟链网络节点的负 载率的平均值。
进一步地，交易提交到分片中的具体节点，随机分配或者根据节点压力分配。
根据本发明的第二方面，提供一种联盟链分片交易分发装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，实现上述联盟链分片交易分发方法。
本发明的有益效果是：本发明在用户端部署交易评估装置，并提出一种利用交易评估装置中的交易评估模型将交易分发到分片中的策略，交易评估模型从减少跨分片通信、各分片负载均衡两个方面对交易进行评估，并将得出最优解，将交易分发到对应分片中，使得跨分片通信消耗最小，各分片处理交易负载均衡。本发明方法能够大大提高联盟链性能，并能够保证交易的全序性、结果一致性及安全性；能够显著提升业务系统的性能，为服务实体经济打下基础。
附图说明
图1为本发明实施例提供的联盟链分片交易分发总体架构图；
图2为本发明实施例提供的联盟链分片交易分发方法流程图；
图3为本发明实施例提供的联盟链分片交易分发装置结构图。
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。
本发明出发点是：1、将相关性比较强的交易放置到同一分片中以减少跨分片通信；2、确保每个分片队列负载均衡，以求总体的最大吞吐率。
本发明通过设计用户端交易评估装置决定交易分发到哪个分片，以求联盟链网络总体最优性能。如图1所示，本发明架构如下：
本发明设计的交易评估装置部署在用户端，而不是部署在联盟链网络的节点上，用户向联盟链网络提交交易时，先通过用户端的交易评估装置得到评分，根据评分的最高值提交到对应分片的节点上，这种非入侵式的部署方式，不会影响联盟链网络本身的性能，不会带来联盟链网络的安全隐患。
此外，用户端通过预言机连接到联盟链网络，进一步提升安全性。
本发明设计的交易评估装置中执行交易评估模型，从交易相关性和交易时延这两个维度来衡量交易分发到分片的策略，下面详细阐述每个维度的具体实现流程。
（一）根据交易相关性的交易分发策略
对交易分发到各个分片进行评估打分，评分主要根据交易之间的相关性，将具有相关性的交易尽量放到同一分片中，减少跨分片通信。如果某个分片中的交易和待分发交易的相关性比较大，那么评分就会相对比较高。
在打包阶段，提交交易集合，对交易集合进行交易有向图构造。交易相关性根据交易的对象From、To决定，对于待分发交易u，根据交易有向图可以得到交易u的前序交易和后序交易，该交易顶点的入度边对应的顶点即为该交易的前序交易，该交易顶点的出度边对应的顶点即为该交易的后序交易。交易的数据结构如下表所示：
Figure 237155DEST_PATH_IMAGE030
将交易集合中的交易根据交易相关性评分分发到对应分片。
在一个实施例中，交易相关性评分Correlation-score的计算过程如下：
令
Figure 675220DEST_PATH_IMAGE031
表示交易有向图，V为交易集合，E为有向边集合，表示交易的对象， 例如From到To，将交易集合V中的交易数量记为N；
令
Figure 3434DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 143428DEST_PATH_IMAGE033
，K为分片数量，
Figure 848079DEST_PATH_IMAGE034
为分片k所处理的 交易集合；满足
Figure 639186DEST_PATH_IMAGE035
且
Figure 138301DEST_PATH_IMAGE036
；
交易u分发到分片k的交易相关性评分
Figure 765591DEST_PATH_IMAGE037
的计算公式如下：
Figure 8353DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 155432DEST_PATH_IMAGE039
为在分片k中交易u的前序交易集合，
Figure 825448DEST_PATH_IMAGE040
为在分片k中交易
Figure 940034DEST_PATH_IMAGE041
的后序交易集合，
Figure 720909DEST_PATH_IMAGE042
代表集合中交易数量。
例如交易tx1:A->B,tx2:B->D,tx3:B->E,t4:B->F,tx5:M->B，则交易tx2的前序交易为tx1和tx5，交易tx2的后序交易为tx3和tx4。
其中，a为动态调整系数，
Figure 440603DEST_PATH_IMAGE043
，N为待分发交易集合中的交易数量，K为分片数 量，a值根据每次交易集合的情况动态决定，能够反应分片数量、交易数量及交易相关性之 间的关系。
Figure 530788DEST_PATH_IMAGE044
为前序交易相关性系数，如果交易u为一个新的交易，即在分片k中没有前序 交易，则
Figure 132670DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 982815DEST_PATH_IMAGE046
；否则，
Figure 88174DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 116304DEST_PATH_IMAGE048
为分片k中的交易数量；
对待分发交易u计算得到其在所有分片的交易相关性评分。
（二）根据交易时延大小的交易分发策略
为了避免将交易过多的放到一个分片中，导致各分片负载不均衡，影响整个联盟链处理效率，提出交易延迟评分，用于评估从开始提交交易到交易在分片节点执行完成的时延，交易时延主要包括：网络通信时延及交易执行时延。时延可以很好地体现该分片网络的负载情况，时延越小越好。
在一个实施例中，交易延迟评分Latency-score的计算过程如下：
各分片所处理的交易集合为
Figure 939903DEST_PATH_IMAGE049
，当交易u分发到分片k，联盟链中网络 通信时间为独立随机分布事件，因此网络通信时延可以采用指数分布模型进行建模，具体 地，可以通过对开始提交交易到分片节点接收到交易的时间进行采样获得；
Figure 328159DEST_PATH_IMAGE050
其中，t为时间变量，
Figure 553604DEST_PATH_IMAGE051
为网络通信时延，
Figure 939586DEST_PATH_IMAGE052
表示通过采样获得的网络通信 时延的期望值。
由于交易需要在各分片交易调度队列中进行调度，待分发交易u在分片k中的执行时间即交易执行时延为独立随机分布事件，因此可以采用指数分布模型进行建模，具体地，可以通过待分发交易在分片中的执行时间进行采样获得；
Figure 398004DEST_PATH_IMAGE053
其中，t为时间变量，
Figure 527634DEST_PATH_IMAGE054
为交易执行时延，
Figure 607585DEST_PATH_IMAGE055
表示通过采样获得的交易执 行时延的期望值，可以根据最近一笔交易提交到该分片中的共识时间及交易调度队列长度 来确定。
那么交易u分发到分片k的总交易时延的概率分布函数为网络通信时延与交易执行时延的积分值，可以用以下公式表示：
Figure 226786DEST_PATH_IMAGE056
其中，
Figure 775710DEST_PATH_IMAGE057
为交易延迟评分，x为积分变量。
对待分发交易u计算得到其在所有分片的交易延迟评分。
（三）总体评分策略
为了尽可能地保持负责均衡与减少跨分片通信之间的平衡，以达到总体性能的最 优，交易u最终分发的分片根据交易相关性评分
Figure 505768DEST_PATH_IMAGE058
及交易延迟评分
Figure 705805DEST_PATH_IMAGE059
共同决 定，根据以上分析可知，
Figure 495907DEST_PATH_IMAGE058
的值越大越好，
Figure 30662DEST_PATH_IMAGE059
的值越小越好，本发明设计了
Figure 298833DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 556639DEST_PATH_IMAGE059
的加权分配策略，通过以下公式计算交易u分发到分片k的交易总评分
Figure 314379DEST_PATH_IMAGE060
：
Figure 572316DEST_PATH_IMAGE061
其中，
Figure 847440DEST_PATH_IMAGE062
为动态系数，
Figure 22069DEST_PATH_IMAGE063
，其中，K为分片数量，
Figure 888394DEST_PATH_IMAGE064
为交易集合 开始分发时的各联盟链网络节点的负载率的平均值，该值能够反应每次交易集合分发时交 易相关性与负载均衡之间的权衡，该值在每次交易集合分发时会根据联盟链网络实际情况 进行动态变化。
对待分发交易u计算得到其在所有分片的交易总评分。
如图2所示，联盟链分片交易分发的总体流程如下：
(1)确定联盟链网络分片信息，即确定各个分片的节点集合；
(2)用户端发送交易集合到其交易评估装置；
(3)交易评估装置接收到交易集合，根据交易的对象From、To依赖关系构建交易有向图，得到待分发交易的前序交易和后序交易，然后对待分发交易分发到各个分片进行交易相关性评分和交易延迟评分；
(4)根据交易相关性评分和交易延迟评分计算出交易总评分，交易评估装置对交易分发到各分片的交易总评分进行排序，取最大值；
(5)将待分发交易发送到交易总评分最大值对应的分片；交易提交到分片中的具体节点，可以随机分配或者根据节点压力分配；
(6)如果不同的分片中交易有相关性，则进行跨分片通信确保交易的全序性、一致性；
(7)分片内共识；
(8)执行交易；
(9)生成区块，更新账本。
与前述联盟链分片交易分发方法的实施例相对应，本发明还提供了联盟链分片交易分发装置的实施例。
参见图3，本发明实施例提供的联盟链分片交易分发装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，用于实现上述实施例中的联盟链分片交易分发方法。
本发明联盟链分片交易分发装置的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图3所示，为本发明联盟链分片交易分发装置所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图3所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述实施例中的联盟链分片。
所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备的外部存储设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡（Smart Media Card，SMC）、SD卡、闪存卡（Flash Card）等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
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 (7)

1.一种联盟链分片交易分发方法，其特征在于，包括：
在用户端部署交易评估装置；
用户端发送交易集合到所述交易评估装置；
所述交易评估装置接收到交易集合，对交易集合进行交易有向图构造，根据交易相关性计算待分发交易在所有分片的交易相关性评分，根据网络通信时延和交易执行时延计算待分发交易在所有分片的交易延迟评分，根据交易相关性评分和交易延迟评分计算交易总评分；
交易u分发到分片k的交易相关性评分
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的计算公式如下：
Figure 452206DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为在分片k中交易u的前序交易集合，
Figure 962822DEST_PATH_IMAGE004
为在分片k中交易
Figure DEST_PATH_IMAGE005
的后序 交易集合，
Figure 336034DEST_PATH_IMAGE006
代表集合中交易数量；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为动态调整系数，
Figure 59139DEST_PATH_IMAGE008
，N为待分发交易集合 中的交易数量，K为分片数量；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为前序交易相关性系数，如果交易u在分片k中没有前序 交易，则
Figure 466987DEST_PATH_IMAGE010
，否则
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 351766DEST_PATH_IMAGE012
为分片k中的交易数量；
交易u分发到分片k的交易延迟评分
Figure DEST_PATH_IMAGE013
的计算公式如下：
Figure 212275DEST_PATH_IMAGE014
其中，t为时间变量，x为积分变量，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示网络通信时延，
Figure 739071DEST_PATH_IMAGE016
表示交易执行时 延；
交易u分发到分片k的交易总评分
Figure DEST_PATH_IMAGE017
的计算公式如下：
Figure 735846DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为动态系数，
Figure 57106DEST_PATH_IMAGE020
，K为分片数量，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为交易集合开始分发时 的各联盟链网络节点的负载率的平均值；
所述交易评估装置将待分发交易发送到交易总评分最大值对应的分片。
2.根据权利要求1所述的联盟链分片交易分发方法，其特征在于，所述交易评估装置部署在用户端，通过预言机连接到联盟链网络。
3.根据权利要求1所述的联盟链分片交易分发方法，其特征在于，根据交易源地址和交易目的地址，得到待分发交易的前序交易和后序交易，从而确定交易相关性。
4.根据权利要求1所述的联盟链分片交易分发方法，其特征在于，所述网络通信时延采用指数分布模型进行建模，通过对开始提交交易到分片节点接收到交易的时间进行采样获得，针对分片k，网络通信时延的计算公式如下：
Figure 139332DEST_PATH_IMAGE022
其中，t为时间变量，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为网络通信时延，
Figure 475678DEST_PATH_IMAGE024
表示通过采样获得的网络通信时 延的期望值。
5.根据权利要求1所述的联盟链分片交易分发方法，其特征在于，所述交易执行时延采用指数分布模型进行建模，通过对交易在分片中的执行时间进行采样获得，针对分片k，交易执行时延的公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
其中，t为时间变量，
Figure 326960DEST_PATH_IMAGE026
为交易执行时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
表示通过采样获得的交易执行时延 的期望值。
6.根据权利要求1所述的联盟链分片交易分发方法，其特征在于，交易提交到分片中的具体节点，随机分配或者根据节点压力分配。
7.一种联盟链分片交易分发装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，其特征在于，所述处理器执行所述可执行代码时，实现如权利要求1-6中任一项所述的方法。
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