CN115459969B - 一种层次化可扩展区块链平台及其交易处理方法 - Google Patents

一种层次化可扩展区块链平台及其交易处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种层次化可扩展区块链平台及其交易处理方法,属于电力系统调度控制领域。所述平台包括验证器节点和边缘计算节点：当客户端节点将一个交易提交到区块链时，所述验证器节点运行分布式共识协议，执行交易，并将交易和执行结果存储在区块链上；所述边缘计算节点从对等节点接收事务，并在本地重新执行，将重新执行的事务的结果存储到本地存储中；所述验证器节点和所述边缘计算节点通过共识机制，共同完成用户提交的交易任务。本发明的平台具备高吞吐量、低延迟的交易能力以及高效的大容量存储能力，具有极高的安全性，足以应对DDoS攻击等安全威胁，能够支持开放式的应用创新生态。

Description

一种层次化可扩展区块链平台及其交易处理方法
技术领域
本发明属于区块链技术领域，尤其涉及一种层次化可扩展区块链平台及其交易处理方法。
背景技术
区块链技术已经取得了长足的进步，但可靠性、安全性和可用性等方面的限制，仍然在阻碍从普通个人到大企业的群体广泛采用区块链。
针对如何解决安全可靠和去中心化的层次化可扩展区块链的问题，现有技术尚未给出具体的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种层次化可扩展区块链平台及其交易处理方法，所述平台具备高吞吐量、低延迟的交易能力以及高效的大容量存储能力，具有极高的安全性，足以应对分布式拒绝服务DDoS攻击等安全威胁，能够支持开放式的应用创新生态。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种层次化可扩展区块链平台，所述平台包括验证器节点和边缘计算节点：
当客户端节点将一个交易提交到区块链时，所述验证器节点运行分布式共识协议，执行交易，并将交易和执行结果存储在区块链上；
所述边缘计算节点从对等节点接收事务，并在本地重新执行，将重新执行的事务的结果存储到本地存储中；
所述验证器节点和所述边缘计算节点通过共识机制，共同完成用户提交的交易任务。
优选地，所述验证器节点包括共享资源池，所述共享资源池是每个节点中的一个组件，它保存已提交到区块链但尚未商定或执行的交易的内存缓冲区，所述缓冲区在验证器节点和边缘计算节点之间复制；所述共享资源池对事务执行各种检查，以确保事务的有效性并防止DDoS攻击。
优选地，所述验证器节点包括共识机制模块，所述共识机制模块是负责对交易区块进行排序的组件，并通过与网络中的其他验证器节点参与共识协议来商定执行结果。
优选地，所述验证器节点包括执行模块，所述执行模块是协调事务块的执行并维护瞬态的组件，所述执行模块使用虚拟机来执行事务，充当系统输入、存储和虚拟机之间的粘合层。
优选地，所述验证器节点包括虚拟机，所述虚拟机用于在每个事务中运行应用程序并确定执行结果，并被节点的共享资源池使用以对事务执行验证检查。
优选地，所述验证器节点包括存储组件，所述存储组件用于将商定的事务块及其执行结果保存到本地数据库。
优选地，所述边缘计算节点的功能包括：进行区块链交互；获取区块链账本的一致视图；避免读取流量的速率限制；对历史数据运行自定义分析；获取有关特定链上事件的通知。
优选地，所述边缘计算节点连接到所述验证器节点，提供可扩展性以及DDoS缓解，以获得对区块链的低延迟访问，并依赖于数据同步来获得并保持最新状态。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种利用层次化可扩展区块链平台进行交易处理的方法，所述方法包括由边缘计算节点执行的方法以及由验证器节点执行的方法；所述边缘计算节点执行的方法包括：
交易提交，包括以下过程：创建原始事务，也称为未签名事务；生成包含相应salt的签名消息，并使用节点私钥生成原始事务的签名；创建签名事务，以及相应的签名器；利用二进制规范序列化编码序列化已签名事务；
状态迁移：边缘计算节点的所有数据保存在分布式数据库中，边缘计算节点提交交易，触发节点发生状态迁移；
节点数据同步，包括：边缘计算节点向验证器节点或其他边缘计算节点发送GetStateRequest报文；如果对端节点有更新的区块链账本数据，答复GetStateResponse报文；根据收到回复报文数据更新本地区块链账本数据状态。
优选地，所述验证器节点执行的方法包括：
交易接纳：验证器节点通过虚拟机执行交易检查并接受交易；当交易通过检查后，所述虚拟机把所述交易存储到共享资源池中；
在验证器节点之间共享交易信息：共享资源池通过共享资源池协议和其他验证器节点共享各自所有的已接受的交易信息；
打包提议：如果当前验证器节点是共识过程中的获胜者，则所述节点从共享资源池中拿出一部分交易，打成一个区块，将所述区块同步到其他验证器节点上；
执行区块中的交易：当验证器节点达成共识之后，区块被送到执行模块，执行完成后，执行模块把交易按序添加到一个临时的Merkel树结构中；
出块:当一个区块的执行结果被大多数验证器节点认可之后，执行模块把所有的交易提交到存储组件做持久化保存。
有益效果：本发明通过构建包含验证器节点和边缘计算节点的层次化区块链平台，所述平台具备高吞吐量、低延迟的交易能力以及高效的大容量存储能力，具有极高的安全性，足以应对DDoS攻击等安全威胁，能够支持开放式的应用创新生态。
通过参照以下附图及对本发明的具体实施方式的详细描述，本发明的特征及优点将会变得清楚。
附图说明
图1是区块链平台的结构示意图；
图2是验证器节点的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1是区块链平台的结构示意图。如图1所示，本实施例提供了一种层次化可扩展区块链平台，所述平台包括验证器节点和边缘计算节点：
当客户端节点将一个交易提交到区块链时，所述验证器节点运行分布式共识协议，执行交易，并将交易和执行结果存储在区块链上；
所述边缘计算节点从对等节点接收事务，并在本地重新执行，将重新执行的事务的结果存储到本地存储中；
所述验证器节点和所述边缘计算节点通过共识机制，共同完成用户提交的交易任务。
具体地，本实施例的层次化可扩展区块链平台的主要结构是定义一个“可信”的分布式认证数据库，然后通过专用协议在这个数据库上维护一个全局状态统一的总账本。
在网络结构上，区块链节点是区块链生态系统的功能实体，用于跟踪区块链的运行状态。客户端通过区块链节点与区块链交互。每个区块链节点都包含区块链功能的重要逻辑组件。
除客户端节点外，本区块链平台设计有两种类型的节点：一种是验证器节点，另一种是边缘计算节点，如图1所示。
当客户端节点将一个交易提交到区块链时，验证器节点运行分布式共识协议，执行交易，并将交易和执行结果存储在区块链上。验证器节点决定哪些交易将添加到区块链中以及以何种顺序添加。
区块链平台装置使用迭代拜占庭容错(BFT)共识协议，使验证者节点就最终交易的分类账及其执行结果达成一致。验证器节点处理这些事务，并将它们包含在区块链数据库的本地副本中。这意味着最新的验证器节点始终在本地维护区块链当前状态的副本。
验证器节点通过专用网络直接与其他验证器节点通信。边缘计算节点是最终交易历史的外部验证和/或传播资源。它们从对等节点接收事务，并可能在本地重新执行它们(与验证程序执行事务的方式相同)。边缘计算节点将重新执行的事务的结果存储到本地存储中。在这样做的过程中，他们可以挑战验证者的任何犯规行为，并在有任何尝试重写或修改区块链历史时提供证据。这有助于减轻验证器的损坏或串通。
优选地，所述验证器节点包括共享资源池，所述共享资源池是每个节点中的一个组件，它保存已提交到区块链但尚未商定或执行的交易的内存缓冲区，所述缓冲区在验证器节点和边缘计算节点之间复制；所述共享资源池对事务执行各种检查，以确保事务的有效性并防止DDoS攻击。
具体地，参考图2，其是验证器节点的结构示意图。共享资源池是每个节点中的一个组件，它保存已提交到区块链但尚未商定或执行的交易的内存缓冲区。此缓冲区在验证器节点和边缘计算节点之间复制。
边缘计算节点的JSON-RPC服务将事务发送到验证器节点的内存池。共享资源池对事务执行各种检查，以确保事务的有效性并防止DDoS攻击。当新事务通过初始验证并添加到内存池时，它将分发到网络中其他验证器节点的内存池。
当验证器节点暂时成为共识协议的领导者时，共识从共享资源池中提取交易并提出一个新的交易块。该区块被广播到其他验证者，并包含对区块中所有交易的总排序。然后，每个验证者执行区块并提交是否接受新区块提案的投票。
优选地，所述验证器节点包括共识机制模块，所述共识机制模块是负责对交易区块进行排序的组件，并通过与网络中的其他验证器节点参与共识协议来商定执行结果。
具体地，共识是负责对交易区块进行排序的组件，并通过与网络中的其他验证器节点参与共识协议来商定执行结果。
优选地，所述验证器节点包括执行模块，所述执行模块是协调事务块的执行并维护瞬态的组件，所述执行模块使用虚拟机来执行事务，充当系统输入、存储和虚拟机之间的粘合层。
具体地，执行是协调事务块的执行并维护瞬态的组件。共识投票决定这种短暂的状态。执行维护执行结果的内存中表示，直到共识将块提交到分布式数据库。执行使用虚拟机来执行事务。执行充当系统输入(由事务表示)、存储(提供持久层)和虚拟机(用于执行)之间的粘合层。
优选地，所述验证器节点包括虚拟机，所述虚拟机用于在每个事务中运行应用程序并确定执行结果，并被节点的共享资源池使用以对事务执行验证检查。
具体地，虚拟机(VM)用于在每个事务中运行应用程序并确定执行结果。节点的内存池使用VM对事务执行验证检查，而执行使用VM执行事务。
优选地，所述验证器节点包括存储组件，所述存储组件用于将商定的事务块及其执行结果保存到本地数据库。
具体地，存储组件用于将商定的事务块及其执行结果保存到本地数据库。
优选地，所述边缘计算节点的功能包括：
进行区块链交互；
获取区块链账本的一致视图；
避免读取流量的速率限制；
对历史数据运行自定义分析；
获取有关特定链上事件的通知。
具体地，边缘计算节点可以在区块链装置的任何边缘处运行。边缘计算节点重新执行区块链历史上的所有交易。边缘计算节点通过与上游参与者(如其他边缘计算节点或验证器节点)同步来复制区块链的整个状态。为了验证区块链状态，边缘计算节点接收由验证器签名的分类账的交易集和累加器哈希根。此外，边缘计算节点接受区块链客户端提交的交易，并直接(或独立地)转发到验证器节点。虽然边缘计算节点和验证器共享相同的代码，但边缘计算节点不参与共识。
边缘计算节点的功能包括：(1)利用RESTFul接口进行区块链交互；RESTful是一种定义Web API接口的设计，尤其适用于前后端分离的应用模式中。这种设计认为后端开发任务就是提供数据的，对外提供的是数据资源的访问接口，所以在定义接口时，客户端访问的URL路径就表示这种要操作的数据资源。事实上，可以使用任何一个框架都可以实现符合RESTful规范的API接口。(2)获取区块链账本的一致视图；(3)避免读取流量的速率限制；(4)对历史数据运行自定义分析；(5)获取有关特定链上事件的通知。
优选地，所述边缘计算节点连接到所述验证器节点，提供可扩展性以及DDoS缓解，以获得对区块链的低延迟访问，并依赖于数据同步来获得并保持最新状态。
具体地，边缘计算节点连接到验证器节点，提供可扩展性以及DDoS缓解，以获得对区块链的低延迟访问，并依赖于数据同步来获得并保持最新状态。节点利用专用的点对点网络来持续请求和传播区块链数据。
本实施例通过构建包含验证器节点和边缘计算节点的层次化区块链平台，所述平台具备高吞吐量、低延迟的交易能力以及高效的大容量存储能力，具有极高的安全性，足以应对DDoS攻击等安全威胁，能够支持开放式的应用创新生态。
实施例2
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种利用层次化可扩展区块链平台进行交易处理的方法，所述方法包括由边缘计算节点执行的方法以及由验证器节点执行的方法；所述边缘计算节点执行的方法包括：
交易提交，包括以下过程：创建原始事务，也称为未签名事务；生成包含相应salt的签名消息，并使用节点私钥生成原始事务的签名；创建签名事务，以及相应的签名器；利用二进制规范序列化编码序列化已签名事务。
具体地，交易代表区块链上用户账户之间的数据交换，由授权的客户端节点提交交易数据。交易提交主要包括以下过程：·创建原始事务，也称为未签名事务(RawTransaction)。·生成包含相应salt的签名消息，并使用节点私钥生成原始事务的签名。·创建签名事务，以及相应的签名器(Authenticator)。·二进制规范序列化(BCS)编码序列化已签名事务。
状态迁移：边缘计算节点的所有数据保存在分布式数据库中，边缘计算节点提交交易，触发节点发生状态迁移。
具体地，边缘计算节点的所有数据保存在分布式数据库中。该数据库允许节点针对最新版本的账本状态执行交易，响应有关客户端节点发出的查询。边缘计算节点提交交易，会引起节点发生状态迁移。
节点数据同步，包括：边缘计算节点向验证器节点或其他边缘计算节点发送GetStateRequest报文；如果对端节点有更新的区块链账本数据，答复GetStateResponse报文；根据收到回复报文数据更新本地区块链账本数据状态。
优选地，所述验证器节点执行的方法包括：
交易接纳：验证器节点通过虚拟机执行交易检查并接受交易；当交易通过检查后，所述虚拟机把所述交易存储到共享资源池中。
具体地，验证器节点通过VM执行交易检查并接受交易，包括：使用交易中的公钥(地址)验证交易签名(基于密码学的数字签名原理：有且只有通过Alice的公钥解开Alice的签名可以获得和原文内容一致的文本；由此可以确认交易的发起者一定是Alice本人，且交易的内容真实可信)，检查Alice余额是否足够，交易序列号是否正常等。
当交易通过检查，VM会把这个交易放到共享资源池中。
在验证器节点之间共享交易信息：共享资源池通过共享资源池协议和其他验证器节点共享各自所有的已接受的交易信息。
具体地，共享资源池中可能已经有很多笔交易了。共享资源池会通过共享资源池协议和其他验证器节点节点共享各自所有的已接受的交易信息。
打包提议：如果当前验证器节点是共识过程中的获胜者，则所述节点从共享资源池中拿出一部分交易，打成一个区块，将所述区块同步到其他验证器节点上。
具体地，假设当前验证器节点是共识过程中的获胜者，该节点会从共享记忆池中拿出一部分交易，打成一个区块。共识机制模块负责同步这个块到其他验证器节点上。
共识机制模块接下来负责协调各个验证器节点对该区块内当交易内容达成共识，包括交易记录的顺序。
执行区块中的交易：当验证器节点达成共识之后，区块被送到执行模块，执行完成后，执行模块把交易按序添加到一个临时的Merkel树结构中。
具体地，当验证器节点们达成共识之后，这个区块(一个排序好的交易集合)会被送到执行模块。
执行模块通过VM去按序执行区块中的交易。对于Alice的交易来说，执行过程在逻辑上需要把Alice的账户余额减少，把Bob的账户余额增加；物理上需要对资源部分的数据进行修改。
执行完成后，执行模块会把这些交易按序添加到一个临时的Merkel树结构中。共识模块再次协调所有验证器节点对执行结果进行确认并达成共识。
出块：当一个区块的执行结果被大多数验证器节点认可之后，执行模块把所有的交易提交到存储组件做持久化保存。
具体地，当一个区块的执行结果被绝大多数的验证器节点认可之后，执行模块就会从刚刚的缓存中读取之前的执行结果，然后把所有的交易提交到存储模块做持久化保存。
本实施例2中的边缘计算节点和验证器节点所实现的功能的具体实施过程与实施例1中的实施过程相同，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种层次化可扩展区块链平台，其特征在于，所述平台包括验证器节点和边缘计算节点：
当客户端节点将一个交易提交到区块链时，所述验证器节点运行分布式共识协议，执行交易，并将交易和执行结果存储在区块链上；
所述边缘计算节点从对等节点接收事务，并在本地重新执行，将重新执行的事务的结果存储到本地存储中；
所述验证器节点和所述边缘计算节点通过共识机制，共同完成用户提交的交易任务；
所述验证器节点包括共享资源池，所述共享资源池是每个节点中的一个组件，它保存已提交到区块链但尚未商定或执行的交易的内存缓冲区，所述缓冲区在验证器节点和边缘计算节点之间复制；所述共享资源池对事务执行各种检查，以确保事务的有效性并防止DDoS攻击；
所述验证器节点包括共识机制模块，所述共识机制模块是负责对交易区块进行排序的组件，并通过与网络中的其他验证器节点参与共识协议来商定执行结果；
所述验证器节点包括执行模块，所述执行模块是协调事务块的执行并维护瞬态的组件，所述执行模块使用虚拟机来执行事务，充当系统输入、存储和虚拟机之间的粘合层。
2.根据权利要求1所述的层次化可扩展区块链平台，其特征在于：所述验证器节点包括虚拟机，所述虚拟机用于在每个事务中运行应用程序并确定执行结果，并被节点的共享资源池使用以对事务执行验证检查。
3.根据权利要求2所述的层次化可扩展区块链平台，其特征在于：
所述验证器节点包括存储组件，所述存储组件用于将商定的事务块及其执行结果保存到本地数据库。
4.根据权利要求1所述的层次化可扩展区块链平台，其特征在于，所述边缘计算节点的功能包括：
进行区块链交互；
获取区块链账本的一致视图；
避免读取流量的速率限制；
对历史数据运行自定义分析；
获取有关特定链上事件的通知。
5.根据权利要求4所述的层次化可扩展区块链平台，其特征在于：
所述边缘计算节点连接到所述验证器节点，提供可扩展性以及DDoS缓解，以获得对区块链的低延迟访问，并依赖于数据同步来获得并保持最新状态。
6.一种利用权利要求1-5任一项所述的层次化可扩展区块链平台进行交易处理的方法，其特征在于，所述方法包括由边缘计算节点执行的方法以及由验证器节点执行的方法；
所述边缘计算节点执行的方法包括：
交易提交，包括以下过程：创建原始事务，也称为未签名事务；生成包含相应salt的签名消息，并使用节点私钥生成原始事务的签名；创建签名事务，以及相应的签名器；利用二进制规范序列化编码序列化已签名事务；
状态迁移：边缘计算节点的所有数据保存在分布式数据库中，边缘计算节点提交交易，触发节点发生状态迁移；
节点数据同步，包括：边缘计算节点向验证器节点或其他边缘计算节点发送GetStateRequest报文；如果对端节点有更新的区块链账本数据，答复GetStateResponse报文；根据收到回复报文数据更新本地区块链账本数据状态。
7.根据权利要求6所述的进行交易处理的方法，其特征在于：所述验证器节点执行的方法包括：
交易接纳：验证器节点通过虚拟机执行交易检查并接受交易；当交易通过检查后，所述虚拟机把所述交易存储到共享资源池中；
在验证器节点之间共享交易信息：共享资源池通过共享资源池协议和其他验证器节点共享各自所有的已接受的交易信息；
打包提议：如果当前验证器节点是共识过程中的获胜者，则所述节点从共享资源池中拿出一部分交易，打成一个区块，将所述区块同步到其他验证器节点上；
执行区块中的交易：当验证器节点达成共识之后，区块被送到执行模块，执行完成后，执行模块把交易按序添加到一个临时的Merkel树结构中；
出块：当一个区块的执行结果被大多数验证器节点认可之后，执行模块把所有的交易提交到存储组件做持久化保存。
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