CN116382815B - 基于dag模型的合约并行化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于DAG模型的合约并行化方法，包括如下步骤：S1.获取区块链上的合约交易信息；S2.合约节点根据合约交易信息生成合约阶段图，并将生成的合约阶段图广播给共识节点；S3.共识节点根据合约阶段图进行验证执行，以完成共识；步骤S2中的合约节点指对合约交易进行排序的节点。本发明脱离单节点打包交易出块的固化思维，由多个合约节点分别打包广播，提高共识速度，并使用合约阶段图链，进一步扩展执行并行，提高交易TPS。
Description
技术领域
本发明涉及区块链智能合约领域，尤其是一种并行化的智能合约执行或验证方法。
背景技术
以太坊为例，EVM处理或验证时，如果交易并行运行，EVM将偏向于竞态条件：两个程序(交易)尝试并行地增加uint变量。因为两个程序同时访问变量，所以变量只增加一次而不是两次。为了解决此类并发bug，以太坊选择逐个处理交易。也就是说，EVM是一个单线程状态机。
智能合约交易的单线程串行执行极大制约了交易的执行速度，影响了整个区块的打包或者验证时间，进而降低了交易吞吐量性能。
本发明人的另一篇申请号为CN2021110862851的专利“基于账户链和守护链的DAG区块链结构的系统及方法”，公开了包括发送方账户链、接收方账户链、守护链。发送方账户链，在需要部署合约时，创建合约部署区块，并通过所述合约部署区块发布合约交易；接收方账户链，在需要执行合约时，创建合约执行区块，在所述合约部署区块与所述合约执行区块之间建立第二区块键，并通过所述合约执行区块调用所述合约交易；守护链，还用于根据所述合约执行区块进行合约执行，并获取所述合约部署区块的第三当前状态信息以及所述合约执行区块的第四当前状态信息，打包所述第三当前状态信息以及所述第四当前状态信息，并存储打包后的所述第三当前状态信息以及所述第四当前状态信息，以完成合约调用流程。
但是其智能合约依赖守护链排序，导致执行效率偏低。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的目的就是为了提高合约执行效率，提供一种基于DAG模型的合约并行化方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于DAG模型的合约并行化方法，包括如下步骤：
S1.获取区块链上的合约交易信息；S2.合约节点根据合约交易信息生成合约阶段图，并将生成的合约阶段图广播给共识节点；S3.共识节点根据合约阶段图进行验证执行，以完成共识；步骤S2中的合约节点指对合约交易进行排序的节点。
步骤S2中，合约阶段图生成步骤如下：S21.合约节点选取属于自己排序的合约交易集合；S22.对合约交易集合按照合约种类进行分类，不同种类合约交易并列排列，同一种类的合约交易根据交易时间戳串列。
步骤S3中，共识节点根据合约阶段图进行验证执行时，不同合约节点生成的合约阶段图并行执行，同一合约阶段图中，并列的交易可以并行执行，串列的交易串行执行。
另外，本发明还提供一种基于DAG模型的合约并行化系统，包括账户链和合约阶段图链。
所述合约阶段图链由合约节点生成，所述合约节点将账户链的合约交易按合约种类分类，同一种合约交易按交易时间戳串列，不同种类的合约交易并列排列，形成合约阶段图链。
所述基于DAG模型的合约并行化系统，在合约交易信息中设置关联合约字段，所述关联合约字段/>用于定义该合约交易是否与链上已部署的合约存在调用关系。
另外，本发明还提供一种基于DAG模型的合约并行化设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于DAG模型的合约并行化程序，所述基于DAG模型的合约并行化程序，配置有实现基于DAG模型的合约并行化方法。
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有基于DAG模型的合约并行化程序，所述基于DAG模型的合约并行化程序，在被执行时，实现基于DAG模型的合约并行化方法。
采用以上技术方案，本发明具有以下优点：
（1）本发明脱离单节点打包交易出块的固化思维，由多个合约节点分别打包广播，提高共识速度。
（2）本发明引入tangle字段与合约分析，避免合约交易并行执行冲突。
（3）本发明合约节点选举算法，能够实现各节点本地验证，保证选举结果可靠性。
（4）本发明使用合约阶段图链，进一步扩展执行并行，提高交易TPS。
附图说明
图1是本发明结构和流程示意图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非是对本发明的限定。
实施例1：本发明基于DAG模型的合约并行化方法，包括如下步骤：
S1.获取区块链上的合约交易信息；
S2.合约节点根据合约交易信息生成合约阶段图，并将生成的合约阶段图广播给共识节点；
S3.共识节点根据合约阶段图进行验证执行，以完成共识。
步骤S2中的合约节点指对合约交易进行排序的节点。
优选：合约节点在共识节点中选举产生。每一种合约一般只选举唯一一个合约节点。合约节点的总体数量可以根据实际需要设置。合约节点确定后，一般不会更改。当出现调用合约交易时，该交易的合约节点按照该交易所调用的合约确定，即选择该交易所调用合约的排序节点作为合约节点。
本发明合约阶段图生成步骤如下：
S21.合约节点选取属于自己排序的合约交易集合；
S22.对合约交易集合按照合约种类进行分类，不同种类合约交易并列排列，同一种类的合约交易根据交易时间戳串列。
可选的，步骤S22中，对合约交易集合按照合约种类进行分类时，按照该合约交易的最终调用的合约确定合约种类。如某一交易，调用了合约A，但是合约A在执行时，又调用了合约B，则该交易的合约种类按照其最终调用的合约确定，即该交易的合约种类为B。
需要说明的是，以上只是本发明为了说明具体操作步骤，所公开的其中一种合约种类的确定方式，本领域技术人员可以根据实际需要，选择其他确定方式。
步骤S3中，共识节点根据合约阶段图进行验证执行时，并列的交易并行执行，串列的交易串行执行。
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
合约节点对合约交易进行处理时，先将合约交易进行分类处理。若不是本节点排序的交易，则将该合约交易加入交易池，等待包含该合约交易的合约阶段图，若是本节点排序的交易，则将该合约交易加入阶段图池，等待本节点对阶段图池中的交易进行排序。所述阶段图池用于存储当前节点待生成合约阶段图的交易。
如图1所示，合约A在第0周期（）被部署（交易/>），在部署时，节点/>被选举为合约A的合约节点（节点/>后期也被选举为合约B、C、D的合约节点，不再赘述），后期所有合约A的排序工作都由节点/>进行。
在第0周期（），节点/>生成了合约阶段图。此时，只有交易/>，在的合约阶段图中只生成了一个执行点/>。
在第1周期（），合约A被调用（交易/>）, 同时合约B被部署（交易/>）。节点/>生成合约阶段图,此时，交易/>与交易/>属于不同种类的合约交易，节点在/>的合约阶段图中，将交易/>与交易/>并列排列。
在第2周期（），有合约A的两笔调用交易，按时间戳排序为/>和/>，合约B的两笔调用交易，按时间戳排序为/>和/>，合约C的部署交易/>和合约D的部署交易/>。
此时节点生成合约阶段图,/>和/>属于同一种类的合约交易，根据交易时间戳串列，形成一条合约A的交易串行线；/>和/>也属于同一种类的合约交易，根据交易时间戳串列，形成一条合约B的交易串行线；合约A的交易串行线、合约B的交易串行线与/>、/>分别归属于不同的合约种类，所以并列排列，最终在/>的合约阶段图中形成4条并行线，其中两条并行线中（合约A和合约B）存在串行线。
节点将合约阶段图广播给其他共识节点后，共识节点按照合约阶段图进行验证执行。其中并列交易，如合约A、B、C、D的并行线，可以并行执行；其中串列的交易，如合约A的交易串行线内部的交易，或者合约B的交易串行线内部的交易，可以串行执行。
图1仅示出了合约节点生成的合约阶段图，实际上，还有其他合约节点也生成了合约阶段图，共识节点接收到各合约节点广播的合约阶段图后，利用多线程对各合约节点的合约阶段图进行并行执行。进一步扩展，执行同一个合约阶段图时，能够根据阶段图结构，串行执行各串列交易，并行执行各并列交易，实现多维度的执行扩展。
需要说明的是，以上所描述的工作流程仅仅是示意性的，并不对本发明的保护范围构成限定，在实际应用中，本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现发明的目的，此处不做限制。
实施例2：此外，本发明实施例还提出一种基于DAG模型的合约并行化系统，包括账户链和合约阶段图链。
所述账户链是由每个账户单独记账，以单笔交易为单一区块，按先后顺序形成链式结构，称为账户链。账户链之间因为发送交易和接收交易而产生的引用关系称为区块键，账户链与账户链之间通过区块键（Block Bond）互相链接构成DAG结构，类似晶格模型，也称账户晶格。
账户链的交易包括普通转账交易和合约交易。
所述合约阶段图链由合约节点生成。所述合约节点将账户链的合约交易按合约种类分类，同一种合约交易按交易时间戳串列，不同种类的合约交易并列排列，形成合约阶段图链。
合约阶段图链对账户链的合约交易进行排序，也会产生引用关系，从而形成更为稳定的晶格结构。
本发明还设置有合约节点生成模块，主要负责针对每种合约生成该合约交易的排序节点(称为合约节点)，生成的合约节点将处理后续关于该合约交易的排序。
合约节点生成模块，在合约部署时，会先根据合约节点选择算法，选举出该合约的唯一合约节点，然后由该合约节点负责该合约相关交易的排序。
所述合约节点的选择算法具体如下：基于账户链交易结构，增加随机数Random字段。合约节点选择算法根据可验证随机函数VRF获得随机数Random，然后将随机数Random作为选举因子输入选择函数，输出唯一合约节点。Random实际存储的是VRF过程中的零知识证明proof，父交易的Random（即零知识证明proof）作为当前合约节点选择的随机数。首先节点构造交易时，将父交易中的Random、节点的私钥sk和公钥pk作为vrf_prove函数输入，生成零知识证明proof，也作为当前交易的Random。当节点将当前交易的Random和父交易的Random输入vrf_verify函数来验证proof，可以证明父交易的Random正确性，保证了这个随机数是由私钥拥有者计算出来的，进一步保证后面的选举结果是无法伪造的。接着将共识节点集合和父交易的Random作为选举函数输入，选举函数中将共识节点唯一标志与Random进行编码，按照编码结果排序并且根据选举规则（如选举排序第一位的节点为选中的节点）选择出唯一共识节点作为唯一合约节点。若当前交易为调用合约交易，则直接选择所调用合约的唯一合约节点作为当前交易的合约节点。
此外，本发明还在合约交易信息中增加关联合约字段tangle，用来定义该合约交易是否与链上已部署的合约存在调用关系。若tangle字段不为空，则表明该合约交易与链上已部署的合约存在调用关系，合约节点选择算法将参考该合约交易中的tangle字段。该约束规则统一了相关合约的唯一合约节点，主要为了保证相关合约出现并发调用时，能够由唯一合约节点确定执行顺序，避免合约交易执行时产生冲突导致执行失败。
关联合约字段tangle的生成方法有二。一是可由用户主动触发，用户在输入部署合约交易参数时，指定关联合约，写入tangle字段。为了避免用户作恶，合约分析模块需要验证合约的部署code是否与指定关联合约相关。二是节点利用合约分析模块进行自动检测，检测出关联合约，写入tangle字段。合约分析模块是针对合约的分析，主要用来检测合约的部署code中是否存在调用其他合约，可以依据的是构造方法、合约调用方法call、delegatecall、callcode等相关操作码。
合约节点针对本地生成的交易或者从其他节点处接收到的交易进行处理，并生成合约阶段图，合约阶段图与账户链存在引用关系，形成更为稳定的DAG结构。
合约节点对合约交易进行处理时，先将合约交易进行分类处理。若不是本节点排序的交易，则将该合约交易加入交易池，等待包含该合约交易的合约阶段图，若是本节点排序的交易，则将该合约交易加入阶段图池，等待本节点对阶段图池中的交易进行排序。所述阶段图池用于存储当前节点待生成合约阶段图的交易。
在阶段图池中，合约节点分析各交易的tangle字段相关性，tangle相关的交易根据交易时间戳串列，非tangle相关的交易并列排列，生成合约阶段图，这样就确定了合约交易的执行顺序。合约节点将生成的合约阶段图广播给其他共识节点，由其他共识节点进行验证执行来完成共识。
共识节点接收到各合约节点广播的合约阶段图后，利用多线程对各合约节点的合约阶段图进行并行执行。进一步扩展，执行每个合约阶段图时，能够根据阶段图结构，串行执行各串列交易，并行执行各并列交易，实现多维度的执行扩展。
另外，本实施例仅仅是对本发明基于DAG模型的合约并行化系统，所作的基本表述，未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供方法，此处不再赘述。
实施例3：本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例的系统及方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如只读存储器（Read Only Memory，ROM）/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端设备（可以是手机，计算机，节点打包设备，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。
所以，本发明还提供了一种基于DAG模型的合约并行化设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于DAG模型的合约并行化程序，所述基于DAG模型的合约并行化程序，配置有实现基于DAG模型的合约并行化方法。
另外，本发明还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有基于DAG模型的合约并行化程序。
由于，在现实情况中，在部署设备或程序时，某个程序的运行可以是实行所有步骤，也可以是只实行某一步骤，并通过多个程序配合来实现全部步骤，
所以，所述基于DAG模型的合约并行化程序，在被执行时，实现基于DAG模型的合约并行化方法中的全部或某一流程。
以上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，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或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 (5)
1.基于DAG模型的合约并行化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.获取区块链上的合约交易信息；
S2.合约节点根据合约交易信息生成合约阶段图，并将生成的合约阶段图广播给共识节点；
S3.共识节点根据合约阶段图进行验证执行，以完成共识；
步骤S2中的合约节点指对合约交易进行排序的节点；所述合约节点在共识节点中选举产生，所述合约节点可以设置多个；
步骤S2中，合约阶段图生成步骤如下：
S21.合约节点选取属于自己排序的合约交易集合；
S22.对合约交易集合按照合约种类进行分类，不同种类合约交易并列排列，同一种类的合约交易根据交易时间戳串列；
合约节点对合约交易进行处理时，先将合约交易进行分类处理；若不是本节点排序的交易，则将该合约交易加入交易池，等待包含该合约交易的合约阶段图，若是本节点排序的交易，则将该合约交易加入阶段图池，等待本节点对阶段图池中的交易进行排序；所述阶段图池用于存储当前节点待生成合约阶段图的交易；
步骤S3中，共识节点根据合约阶段图进行验证执行时，不同合约节点生成的合约阶段图并行执行，同一合约阶段图中，并列的交易并行执行，串列的交易串行执行。
2.基于DAG模型的合约并行化系统，其特征在于，包括账户链和合约阶段图链；所述合约阶段图链由合约节点生成，所述合约节点选取属于自己排序的合约交易集合，将账户链的合约交易按合约种类分类，同一种类的合约交易按交易时间戳串列，不同种类的合约交易并列排列，形成合约阶段图链；
合约节点对合约交易进行处理时，先将合约交易进行分类处理；若不是本节点排序的交易，则将该合约交易加入交易池，等待包含该合约交易的合约阶段图，若是本节点排序的交易，则将该合约交易加入阶段图池，等待本节点对阶段图池中的交易进行排序；所述阶段图池用于存储当前节点待生成合约阶段图的交易；
所述合约节点指对合约交易进行排序的节点；所述合约节点在共识节点中选举产生，所述合约节点可以设置多个；
共识节点根据合约阶段图链进行验证执行时，不同合约节点生成的合约阶段图并行执行，同一合约阶段图中，并列的交易并行执行，串列的交易串行执行。
3.根据权利要求2所述的基于DAG模型的合约并行化系统，其特征在于，所述系统，在合约交易信息中设置关联合约字段，所述关联合约字段/>用于定义该合约交易是否与链上已部署的合约存在调用关系。
4.基于DAG模型的合约并行化设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于DAG模型的合约并行化程序，所述基于DAG模型的合约并行化程序，配置有实现如权利要求1所述的基于DAG模型的合约并行化方法。
5.存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有基于DAG模型的合约并行化程序，所述基于DAG模型的合约并行化程序，在被执行时，实现如权利要求1所述的基于DAG模型的合约并行化方法。
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