CN115499453A - 面向联盟链的分片存储方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向联盟链的分片存储方法，属于分布式存储领域。该方法包括：S1：采用VRF算法随机选取一个节点为全节点；S2：将联盟链的数据根据节点的数量划分成相同大小的数据块；S3：使用纠删码对数据块进行编码得到编码块；S4：将联盟链数据存储到全节点上，根据每个节点的公钥在公钥列表中的位置存储一个编码块；S5：新节点加入联盟链系统时，根据联盟链中节点故障情况判断是否要进行重新编码。相对于全副本存储方法，本发明使用纠删码进行编码存储减少了联盟链存储数据的冗余；相对于传统的轻量级节点来说，本发明引入的轻量级节点减弱了对全节点的依赖，存储编码块的轻量级节点能够在特定的容错率下通过解码恢复出原数据。

Description

面向联盟链的分片存储方法

技术领域

本发明属于分布式存储领域，涉及一种面向联盟链的分片存储方法。

背景技术

区块链是一种按照时间戳顺序将数据区块用链组成的数据结构，并以密码学方式来保证 分布式去中心化账本不可篡改和不可伪造的特性。为了避免被恶意节点篡改，区块链中的块 由块头中的加密散列值串联起来。一般情况下，区块链系统中每个参与节点必须存储整个区 块链的数据。以比特币为例，截至2021年4月，一条完整的比特币区块链的大小已经达到 338GB。据统计，随着数据量的增加，一个节点需要将近340GB的磁盘空间来存储整个区块 链的数据。很显然，全副本的区块链存储模式很难满足大数据时代爆炸式增长的数据量的需 求。为了解决这个问题，引入了轻量级节点，轻量级节点不存储也不维护完整的区块链副本， 轻量级节点只存储了区块头。虽然一定程度上减少了存储压力，但是无法进行交易的验证， 在验证交易的时候依赖全节点。

因此，为了减少整个系统存储开销，减轻对全节点的依赖，继续一种存储方法来解决上 述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向联盟链的分片存储方法，利用可验证随机函 数(Verifiable Random Function，VRF)算法随机选取全节点，使用纠删码技术对划分之后的 联盟链数据进行编码，从而实现联盟链的分片存储，减少数据冗余，在一定容错率下可以恢 复出原来的数据。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种面向联盟链的分片存储方法，具体包括以下步骤：

S1：采用VRF算法随机选取一个节点为全节点；

S2：将联盟链的数据根据节点的数量划分成相同大小的数据块；

S3：使用纠删码对数据块进行编码得到编码块；

S4：将联盟链数据存储到全节点上，根据每个节点的公钥在公钥列表中的位置存储一个 编码块；

S5：新节点加入联盟链系统时，根据联盟链中节点故障情况判断是否要进行重新编码。 进一步，步骤S1中，采用VRF算法随机选取一个节点为全节点，具体包括以下步骤：

S11：密钥生成：选择一条椭圆曲线EC(a,b)，阶数为n，取椭圆曲线上的一点作为基点 G；选择一个随机数作为私钥S_k，并生成公钥P_k＝GS_k；

S12：计算随机数Y和证明P：x为前一个区块的随机数，选择随机数r∈[1,n-1]；使用 散列函数h₁计算H＝h₁(x)，将x映射到椭圆曲线上的点H；计算rH、rG；使用函数h₂将输 入编码成一个整数s，s＝h₂(rH,rG)；计算t＝(r-s×S_k)mod n；计算V＝HS_k；使用函数 h₃将椭圆曲线上的点编码成整数，随机数为Y＝h₃(V)，证明P为(V；t；s)；

S13：将输出值Y与阈值相比较，如果满足小于阈值的条件则该节点被选择为全节点；

S14：该节点将输入的数据X、输出Y、VRF公钥P_k、证明P广播给其他节点，节点收 到消息可以验证随机数是否正确。

进一步，步骤S2中，将联盟链的数据根据节点的数量划分成相同大小的数据块，具体包 括以下步骤：

S21：确定RS纠删码的参数RS(k,m)，即对k个数据块进行编码生成m个校验块，一共生成k+m个编码块，设校验块的数量m＝f,f为联盟链中拜占庭节点的数量，联盟链节点 数量为n₁，那么数据块的数量k＝n₁-f-1；

S22：设联盟数据中区块的个数为s₁，如果s₁

mod k＝＝0，则每s₁/k个区块进行一次划分；如果s₁ mod k！＝0，则前s₁ mod k个数据 块每个存储

个区块，其他每个数据块存储

个区块；

S23：获得长度最长的数据块长度maxlength，长度不足的数据块在后面补零，使得每一 个数据块的长度等于maxlength。

进一步，步骤S5中，新节点加入联盟链系统时，根据联盟链中节点故障情况判断是否要 进行重新编码，具体包括以下步骤：

S51：新节点加入联盟链系统中，对比故障节点的数量与校验块的数量m；

S52：如果所有存储编码块的轻量级节点故障数小于m，判断全节点是否正常，如果全节 点正常，则对新节点的加入不做任何处理；如果全节点出现故障，从存储编码块的轻量级节 点处解码恢复出原数据，重复步骤S1至S4；

S53：如果所有存储编码块的轻量级节点故障数等于m，判断全节点是否正常，如果全节 点正常，则进行步骤S2至S4；如果全节点出现故障，从存储编码块的轻量级节点处恢复出 原数据，重复步骤S1至S4；

S54：如果所有存储编码块的轻量级节点故障数小于m，向全节点请求数据，重复步骤S2至S4。

本发明的有益效果在于：

1)本发明利用纠删码技术的特点(纠删码技术是一种数据保护方法，一般应用于网络传 输中，用来解决包丢失的问题)，来提高存储可靠性。相比与全副本存储，使用纠删码进行存 储能够以更小的数据冗余度获得更高的数据可靠性。

2)本发明利用密码学中的VRF算法随机选取一个节点为全节点，保存完整的区块链数 据，当新节点加入联盟链时可以从全节点处获取要保存的数据，若分片节点出现故障后的数 量超出纠删码容错率的范围，则可以从全节点处进行重新编码，再次分配。

3)本发明引入的节点类型属于轻量级节点，但相较于传统的轻量级节点，一定程度上减 轻了对全节点的依赖，轻量级节点之间通过通信，也可以恢复原本的数据。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某 种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发 明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详 细描述，其中：

图1为本发明面向联盟链的分片存储方法的原理框架图；

图2为联盟链数据划分以及划分之后数据进行编码的流程图；

图3为本发明中使用纠删码进行编码和解码的原理图；

图4为新节点加入判断是否需要重新编码的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本 发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明 的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表 实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理 解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中， 需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位 或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不 是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图 中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通 技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种面向联盟链的分片存储方法，主要利用RS纠删码对划分过后联盟链 的数据进行编码，除全节点之外的其他节点保留一个编码块，同时使用VRF随机算法选取全 节点，全节点保存区块链的完整数据，相较于全副本存储来说减少了数据冗余，相较于传统 的轻节点来说，减轻了对全节点的依赖，在容错率允许的范围内，丢失一些编码块后通过解 码仍然可以恢复出原有的数据。

请参阅图1～图4，一种面向联盟链的分片存储方法，在联盟区块链节点中随机选取一个 节点为全节点，保存完整的联盟链数据；根据联盟链区块的数量以及联盟链节点的数量划分 联盟链数据为同等大小的数据块；使用纠删码对划分好的数据块进行编码得到编码块；按照 一定的规则，每个节点保存一个编码块；新节点加入时，根据存储编码块的节点崩溃的数量 以及全节点崩溃与否判断是否要进行重新编码。该方法具体包括以下步骤：

步骤1：使用VRF算法随机选取一个节点为全节点；具体包括以下步骤：

步骤1.1：密钥生成，选择一条椭圆曲线EC(a,b)，阶数为n，取椭圆曲线上的一点作为 基点G；选择一个随机数作为私钥S_k，并生成公钥P_k＝GS_k；

步骤1.2：计算随机数Y和证明P，x为前一个区块的随机数，选择随机数r∈[1,n-1]； 使用散列函数h₁计算H＝h₁(x)，将x映射到椭圆曲线上的点H；计算rH、rG；使用函数h₂将输入编码成一个整数s，s＝h₂(rH,rG)；计算t＝(r-s×S_k)modn；计算V＝HS_k；使用函 数h₃将椭圆曲线上的点编码成整数，随机数为Y＝h₃(V)，证明P为(V；t；s)；

步骤1.3：将输出值Y与阈值相比较，如果满足小于阈值的条件则该节点被选择为全节 点；

步骤1.4：该节点将输入的数据x、输出Y、VRF公钥P_k、证明P广播给其他节点，节点收到消息可以验证随机数是否有效。

步骤2：将联盟链数据按照一定的规则划分数据块；并使用纠删码对数据块编码成编码 块；参见图2，具体包括以下步骤：

步骤2.1：设s₁为联盟链数据的区块数量，k为数据块数量，m为校验块的数量，n₁为联 盟链中节点的数量，要求k+m的和等于n₁-1；

步骤2.2：如果s₁ mod k＝＝0，则每s₁/k个区块进行一次划分；如果s₁ mod k！＝0，则前 s₁ mod k个数据块每个存储

个区块，其他每个数据块存储

个区块；

步骤2.3：取划分过后最长的数据块长度记为maxlength，其余数据块在末尾补零，使所 有数据块的长度等于maxlength。

步骤2.4：取k×k单位矩阵和m×k范德蒙矩阵对划分后的数据块进行编码生成k+m个 数据块。

参见图3，其中图3(a)～3(d)为纠删码对数据块进行编码解码的原理图。B为RS纠删码 的编码矩阵，D为数据，运算过后得到k+m个编码块。若三个编码块丢失，则依旧满足图3 所示的等式运算。如图3(c)和图3(d)所示，因为矩阵B’一定是可逆的，两边同时乘矩阵B’的 可逆矩阵得到原数据。

步骤3：根据规则分配每个节点要保留的编码块；具体实现步骤如下：

步骤3.1：全节点存储联盟链的完整数据；

步骤3.2：编码得到的n₁-1个编码块按照每个节点公钥地址在所有节点公钥地址序列中 的位置，保存对应于本节点的编码块。

步骤4：参见图4，新节点加入判断是否需要重新编码，若需要，则重新编码。具体实现 步骤如下：

步骤4.1：新节点加入联盟链系统中，对比故障节点的数量f与校验块数量m；

步骤4.2：判断m和f的关系，m>f时，判断全节点是否故障，若全节点故障，节点之间进行通信解码恢复出原数据，重新选取全节点，再次进行数据块划分然后重新编码，若全节点没有发生故障，则不做任何处理；

步骤4.3：m＝f的时候，判断全节点是否故障，若全节点故障，节点之间进行通信解码 恢复出原数据，重新选取全节点，再次进行数据块划分然后重新编码，若全节点没有发生故 障，为了避免节点崩溃带来的无法恢复出原数据的问题，节点之间进行通信解码恢复出原数 据，再次进行划分然后重新编码；

步骤4.4：m<f的时候，向全节点请求数据，将完整的联盟链数据进行数据块划分然后 重新编码。

本发明方法适用于联盟链节点比较多的情况，全节点发生崩溃和存储轻量级节点崩溃数 量大于m同时发生的概率比较小，暂不考虑该种情况。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施 例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进 行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。

Claims (4)

1.一种面向联盟链的分片存储方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：采用可验证随机函数(Verifiable Random Function，VRF)算法随机选取一个节点为全节点；

S2：将联盟链的数据根据节点的数量划分成相同大小的数据块；

S3：使用纠删码对数据块进行编码得到编码块；

S4：将联盟链数据存储到全节点上，根据每个节点的公钥在公钥列表中的位置存储一个编码块；

S5：新节点加入联盟链系统时，根据联盟链中节点故障情况判断是否要进行重新编码。

2.根据权利要求1所述的面向联盟链的分片存储方法，其特征在于，步骤S1中，采用VRF算法随机选取一个节点为全节点，具体包括以下步骤：

S11：密钥生成：选择一条椭圆曲线EC(a,b)，阶数为n，取椭圆曲线上的一点作为基点G；选择一个随机数作为私钥S_k，并生成公钥P_k＝GS_k；

S12：计算随机数Y和证明P：x为前一个区块的随机数，选择随机数r∈[1,n-1]；使用散列函数h₁计算H＝h₁(x)，将x映射到椭圆曲线上的点H；计算rH、rG；使用函数h₂将输入编码成一个整数s，s＝h₂(rH,rG)；计算t＝(r-s×S_k)modn；计算V＝HS_k；使用函数h₃将椭圆曲线上的点编码成整数，随机数为Y＝h₃(V)，证明P为(V；t；s)；

S13：将输出值Y与阈值相比较，如果满足小于阈值的条件则该节点被选择为全节点；

S14：该节点将输入的数据X、输出Y、VRF公钥P_k、证明P广播给其他节点，节点收到消息验证随机数是否正确。

3.根据权利要求1所述的面向联盟链的分片存储方法，其特征在于，步骤S2中，将联盟链的数据根据节点的数量划分成相同大小的数据块，具体包括以下步骤：

S21：确定RS纠删码的参数RS(k,m)，即对k个数据块进行编码生成m个校验块，一共生成k+m个编码块，设校验块的数量m＝f,f为联盟链中拜占庭节点的数量，联盟链节点数量为n₁，那么数据块的数量k＝n₁-f-1；

S22：设联盟数据中区块的个数为s₁，如果s₁ mod k＝＝0，则每s₁/k个区块进行一次划分；如果s₁ mod k！＝0，则前s₁ mod k个数据块每个存储

个区块，其他每个数据块存储

个区块；

S23：获得长度最长的数据块长度maxlength，长度不足的数据块在后面补零，使得每一个数据块的长度等于maxlength。

4.根据权利要求1所述的面向联盟链的分片存储方法，其特征在于，步骤S5中，新节点加入联盟链系统时，根据联盟链中节点故障情况判断是否要进行重新编码，具体包括以下步骤：

S51：新节点加入联盟链系统中，对比故障节点的数量与校验块的数量m；

S52：如果所有存储编码块的轻量级节点故障数小于m，判断全节点是否正常，如果全节点正常，则对新节点的加入不做任何处理；如果全节点出现故障，从存储编码块的轻量级节点处解码恢复出原数据，重复步骤S1至S4；

S53：如果所有存储编码块的轻量级节点故障数等于m，判断全节点是否正常，如果全节点正常，则进行步骤S2至S4；如果全节点出现故障，从存储编码块的轻量级节点处恢复出原数据，重复步骤S1至S4；

S54：如果所有存储编码块的轻量级节点故障数小于m，向全节点请求数据，重复步骤S2至S4。

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