CN116723201A - 一种基于快照和数据转储的区块链优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于快照和数据转储的区块链优化方法，将保存了快照文件的哈希值的区块作为快照区块，全节点在第一快照区块之后判断下一个区块是否满足预设快照区块条件，如果满足则全网所有全节点创建快照文件，计算得到快照文件的哈希值，存入满足条件的区块中作为快照区块，并在累计确认区块中加入快照文件的哈希值。之后同步给其他全节点，更新各个全节点本地的未花费交易输出数据。本申请技术方案未花费交易输出集合快照替代创世区块作为同步起点，极大地缩减了全节点的同步时长；将新旧快照区块之间的历史区块体数据转储至IPFS上，大幅度降低全节点的存储开销。

Description

一种基于快照和数据转储的区块链优化方法

技术领域

本申请属于区块链技术领域，尤其涉及一种基于快照和数据转储的区块链优化方法。

背景技术

随着区块链技术的兴起，目前区块链的大小已经达到了惊人的447GB，并且这个数据量伴随时间呈现稳步增长的趋势，任何全节点都必须下载和处理这些数据，从而拥有最新状态的未花费交易输出集合，以快速验证交易的正确性。因此，庞大的数据量已经严重影响系统的可扩展性。

对于上述问题，目前有方案提出使用链下存储的方式来减轻网络中节点的存储负担，但这种方式存在两个缺点：1、失去了对数据的控制；2、新节点加入仍需从创世区块开始同步，同步工作量并未得到改善。由此可见，目前链下存储方式难以同时满足减轻存储压力和同步工作量的两点需求。

发明内容

本申请的目的是提出一种基于快照和数据转储的区块链优化方法，针对于区块链系统中庞大数据量、新节点同步工作量过大的问题，通过定期持久化网络中全节点本地最新的未花费交易输出集合快照，使用该快照文件替代创世区块成为同步起点，从而减轻新节点的同步工作量。此外，将历史区块数据转储到链下IPFS中来减轻全节点的存储负担，并结合安全手段保证区块链系统的安全性。

为了实现上述目的，本申请技术方案如下：

一种基于快照和数据转储的区块链优化方法，将保存了快照文件的哈希值的区块作为快照区块，所述基于快照和数据转储的区块链优化方法，包括：

全节点在第一快照区块之后判断下一个区块是否满足预设快照区块条件，如果满足则全网所有全节点基于本地未花费交易输出集合创建快照文件，将创建的快照文件作为哈希函数的输入，得到快照文件的哈希值；

所有全节点执行共识算法竞争发布区块的权利，获取到发布区块权利的全节点将快照文件的哈希值存储到满足预设快照区块条件的区块中，将所述保存了快照文件的哈希值的区块作为第二快照区块，然后发布所述第二快照区块，其他全节点同步所述第二快照区块，并根据其中的交易数据更新本地未花费交易输出集合；

后续获得区块发布权利的全节点在第二快照区块之后预设累积确认区块数量的区块中加入快照文件的哈希值；

所有全节点判断是否需要转存历史区块数据，如果需要转存则全节点将第一快照区块、以及第一快照区块与第二快照区块之间的历史区块存储到星际文件系统中，并保存星际文件系统返回的哈希索引，将“哈希索引、区块高度”的对应关系保存到每个对应的区块中。

进一步的，所述基于快照和数据转储的区块链优化方法，还包括：

步骤F1、新加入的全节点从邻居全节点处下载最新的快照文件和快照区块；

步骤F2、使用最新快照区块中的快照文件的哈希值对下载的最新的快照文件进行校验，若校验通过则进入下一步骤，否则返回步骤F1；

步骤F3、校验通过后，从邻居节点处下载最新的快照区块后预设累积确认区块数量的区块，并从中提取快照文件的哈希值；

步骤F4、使用提取的快照文件的哈希值对下载的最新的快照文件进行校验，如果校验通过则进入下一步，否则返回步骤F1；

步骤F5、校验通过后，则将最新的快照文件中的未花费交易输出数据导入到所述新加入的全节点，在所述新加入的全节点本地构建未花费交易输出集合；

步骤F6、继续向邻居全节点请求剩余区块，并同步其中的交易，更新本地未花费交易输出集合。

进一步的，所述判断下一个区块是否满足预设快照区块条件，包括：

若下一个区块的区块高度是第一快照区块的区块高度与预设第一数值之和，则判断下一个区块满足预设快照区块条件。

进一步的，所述预设第一数值大于预设累积确认区块数量。

本申请提出的一种基于快照和数据转储的区块链优化方法，当新的全节点客户端加入区块链系统时，原始同步流程要求全节点从创世区块开始同步，直到最新的区块，这个过程极其耗时。应用本申请技术方案后，未花费交易输出集合快照文件替代创世区块作为同步起点，极大地缩减了全节点的同步时长。为了维护区块链系统的安全，要求全节点存储完整的区块链账本数据，这给全节点造成了巨大的存储压力。本申请通过将新旧快照区块之间的历史区块体数据转储至IPFS上，并将IPFS哈希存储到对应的区块体中，在不危害区块链系统安全的前提下，大幅度降低全节点的存储开销。

附图说明

图1为本申请基于快照和数据转储的区块链优化方法流程图；

图2为本申请实施例区块之间结构关系图；

图3为本申请新的全节点同步流程示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在区块链系统中，包含交易信息的数据结构被称之为普通区块，若该区块是区块链中第一个区块，则称其为创世区块。在本申请中，在普通区块概念的基础上，若普通区块的coinbase字段中保存了未花费交易输出集合快照文件的哈希值，则该普通区块被称为快照区块。其中一个区块分为区块头和区块体两个部分，其中区块头用于存储上一个区块的哈希值(PreHash)，本区块体中交易树根的哈希值(Merkle Hash)，以及时间戳(TimeStamp)等等，区块体用于存储详细交易数据(Data)。

区块链系统中存在多种客户端节点，其中全节点，它拥有系统所有功能，是最强大的节点，因此对运行全节点客户端的硬件提出了较高要求。区块链系统全节点必须下载和存储所有区块，这对于存储资源匮乏的全节点客户端来说是非常不友好的。

本申请中使用的技术包括未花费交易输出集合快照文件和星际文件系统。其中，未花费交易输出集合快照文件通过区块链网络全节点持久化本地未花费交易输出集合获得，它将代替创世区块成为新加入系统的全节点的同步起点，以此可以极大的减少全节点的同步工作量。星际文件系统全称Interplanetary File System，简称IPFS。IPFS是一个旨在创建持久且分布式存储和文件共享的网络传输协议，也是一种根据文件内容寻址的对等超媒体分发协议。在IPFS网络中的节点共同构成一个去中心化的分布式文件系统。文件存储到IPFS后，将会得到一个IPFS哈希。IPFS哈希既可以作为访问文件的索引，又可以检验文件内容是否被篡改。正是基于IPFS的这一特性，所以被选中作为方案中区块数据转储的第三方存储平台。存储在IPFS中的文件包含两部分：一是数据，由一个最多256KB的数据块组成；二是联结，联结这些数据块的数组。如果存储的文件大于256KB，它会被切分为256KB大小的一个个数据块，这些数据块被联结通过数组链接，使得文件在逻辑上是完整的。由于区块体的大小通常会大于256KB，因此一个区块体会被拆分存储。

在一个实施例中，如图1所示，提出了一种基于快照和数据转储的区块链优化方法，包括：

步骤S1、全节点在第一快照区块之后判断下一个区块是否满足预设快照区块条件，如果满足则全网所有全节点基于本地未花费交易输出集合创建快照文件，将创建的快照文件作为哈希函数的输入，得到快照文件的哈希值。

节点是区块链分布式系统中的网络节点，是通过网络连接的服务器、计算机、电话等，针对不同性质的区块链，成为节点的方式也会有所不同。以区块链为例，参与交易即构成一个节点。全节点是拥有完整区块链账本的节点，全节点需要占用内存同步所有的区块链数据，能够独立校验区块链上的所有交易并实时更新数据，主要负责区块链的交易的广播和验证。

本申请将保存了快照文件的哈希值的区块作为快照区块，本步骤在一个快照区块之后判断下一个区块是否满足预设快照区块条件，例如在第一快照区块A之后，判断下一个区块是否满足预设快照区块条件。

在一个具体的实施例中，若下一个区块的区块高度是第一快照区块的区块高度与预设第一数值之和，则判断下一个区块满足预设快照区块条件。

即根据区块高度来判断，区块高度是区块链接在主链的个数，也就是连接在区块链上的块数。例如第一快照区块A的区块高度为s，经过X个区块后，即区块高度为s+X的区块视为满足预设快照区块条件。X为预设的参数(预设第一数值)，X的取值要大于后续步骤中累积确认区块的数量，例如在一个实施例中，累计确认区块的数量设置为6，则X的取值要大于6。

如果下一个区块不满足预设快照区块条件，为普通区块，按照区块链系统原先规则执行，跳过本申请剩余步骤，即不需要向区块中添加快照文件的哈希值。而如果判断下一个区块满足预设快照区块条件，全网所有全节点将本地未花费交易输出集合持久化为快照文件。

例如，快照区块A的区块高度为s，经过判断发现区块K满足条件，则所有全节点创建快照文件，并计算快照文件的哈希值。

由于发布或同步快照区块中的交易记录后，会使得未花费交易输出集合中的数据发生变化，为了所有全节点创建一致的快照文件，要求在发布或同步新的快照区块之前，全网的所有全节点必须基于本地的未花费交易输出集合创建未花费交易输出集合快照文件。

然后全节点将快照文件作为哈希函数SHA-256的输入，得到该快照文件的256位哈希值。

需要说明的是，本实施例中第一快照区块并非指区块链系统中第一个快照区块，第一、第二仅为了区别前后两个快照区块，以下不再赘述。

步骤S2、所有全节点执行共识算法竞争发布区块的权利，获取到发布区块权利的全节点将快照文件的哈希值存储到满足预设快照区块条件的区块中，将所述保存了快照文件的哈希值的区块作为第二快照区块，然后发布所述第二快照区块，其他全节点同步所述第二快照区块，并根据其中的交易数据更新本地未花费交易输出集合。

在本实施例区块链系统中，全节点通过POW共识算法来确定自身是否获得发布区块的权利，获得发布区块的权利的全节点向整个区块链系统发布区块，全网中选择出一个全节点来发布区块。

获得发布区块的权利的全节点，将快照文件的哈希值存储到即将发布的快照区块(例如区块K)的coinbase字段中，作为第二快照区块。然后发布该第二快照区块，其他全节点同步该第二快照区块，并根据第二快照区块中的交易数据更新本地未花费交易输出集合。

当新的全节点加入区块链网络时，快照文件的哈希值可用来验证新的全节点从邻居全节点处下载的未花费交易输出集合快照文件的完整性，以此保证系统的安全性。

需要说明的是，其他全节点同步第二快照区块，与同步普通区块一样进行同步，通过快照区块中的交易来更新本地未花费交易输出集合，更新后，本地的未花费交易输出集合数据状态发生改变，这里不再赘述。

步骤S3、后续获得区块发布权利的全节点在第二快照区块之后预设累积确认区块数量的区块中加入快照文件的哈希值。

因为全网有很多全节点，为了防止某一全节点作恶，向快照区块中放入恶意的经过修改的快照文件的哈希值，从而本申请设置了预设累积确认区块数量，例如为6，则X的取值大于6。在快照区块之后的6个区块中(被定义为累积确认区块)附加快照文件的哈希值，类似于作证，提高快照文件的可信度。

即在确定第二快照区块之后，获得区块发布权利的全节点继续发布区块，发布区块的全节点在第二快照区块之后的6个区块中加入快照文件的哈希值。

步骤S4、所有全节点判断是否需要转存历史区块数据，如果需要转存则全节点将第一快照区块、以及第一快照区块与第二快照区块之间的历史区块存储到星际文件系统中，并保存星际文件系统返回的哈希索引，将“哈希索引、区块高度”的对应关系保存到每个对应的区块中。

在第二快照区块之后，如果已经累积向6个区块中加入了快照文件的哈希值，即在6个累积确认区块中加入了快照文件的哈希值。在此之后，区块链系统中的任一全节点，会判断自身存储空间是否充足，如果充足可以继续将区块存储到本地，如果存储空间紧缺，则将第一快照区块、以及第一快照区块与第二快照区块之间的历史区块存储到星际文件系统IPFS中。

例如，第一快照区块A和第二快照区块K之间有其他9个普通区块(普通区块B-J)，则将第一快照区块A和普通区块B-J中区块体数据存储到星际文件系统IPFS中。全节点将新旧快照区块之间的区块体数据从本地区块链转储到IPFS中，并删除本地保存的区块体中的交易数据，从而降低全节点的存储开销。之后，将区块体对应的IPFS哈希值存入到对应的区块体中。

在本实施例中，IPFS在存储后返回哈希索引，即区块体数据存储的地址索引，表示某个区块体数据存储的地址，然后按照<哈希索引，区块高度>对应关系保存到对应的区块体中。例如区块B的<哈希索引，区块高度>对应关系保存到区块B的区块体中。

仅仅依靠快照区块中的哈希值难以保证系统的安全性，按照区块链系统中经6个区块累积确认后的数据被篡改可能性几乎为0原则，本申请在快照区块之后的6个区块中附加快照文件的哈希值，以此可以在很大程度上提高系统的安全性。

上述实施例中阐述了区块链系统中已经存在的全节点发布快照区块和同步快照区块的方法，然而对于新加入到区块链系统的全节点，其本地没有数据，则需要从系统中已经存在的全节点中下载未花费交易输出集合快照文件，来构建本地的未花费交易输出集合。

在另一个实施例中，一种基于快照和数据转储的区块链优化方法，如图3所示，还包括：

步骤F1、新加入的全节点从邻居全节点处下载最新的快照文件和快照区块。

新加入的全节点需要下载所有的区块，但是只需要使用从最新快照区块之后的所有区块中的交易来更新本地未花费交易输出数据状态。为了在新加入的全节点中创建本地的未花费交易输出数据，本步骤新加入的全节点从邻居全节点处下载最新的快照文件和快照区块。距离新加入的全节点当前时刻最近创建的快照文件和快照区块就是最新的。

步骤F2、使用最新快照区块中的快照文件的哈希值对下载的最新的快照文件进行校验，若校验通过则进入下一步骤，否则返回步骤F1。

本步骤进行第一次哈希值校验，即采用最新快照区块中的快照文件哈希值对下载的最新的快照文件进行校验。假设最新快照区块为区块K，区块K中保存了最新的快照文件对应的哈希值，将从区块K中得到的哈希值，与通过哈希算法计算得到的快照文件的哈希值进行比较，就可以进行校验，这里不再赘述。

步骤F3、校验通过后，从邻居节点处下载最新的快照区块后预设累积确认区块数量的区块，并从中提取快照文件的哈希值。

步骤F4、使用提取的快照文件的哈希值对下载的最新的快照文件进行校验，如果校验通过则进入下一步，否则返回步骤F1。

本步骤进行第二次哈希值检验，采用步骤F3提取的快照文件哈希值对步骤F1下载的最新的快照文件进行校验，如果均一致则校验通过。

步骤F5、校验通过后，则将最新的快照文件中的未花费交易输出数据导入到所述新加入的全节点，在所述新加入的全节点本地构建未花费交易输出集合。

本步骤将最新的快照文件中的未花费交易输出导入到所述新加入的全节点，在所述新加入的全节点本地构建未花费交易输出集合。

步骤F6、继续向邻居节点请求剩余区块，并同步其中的交易，更新本地未花费交易输出集合。

本实施例中，新的全节点通过网络从邻居全节点处下载未花费交易输出快照文件，并使用快照区块及其后续6个累积确认区块中的哈希值验证快照文件的完整性。完整性验证通过后，以该快照文件为起点在邻居全节点处下载剩余区块数据，并重放这些区块中的交易，直到最新的区块，表示同步完成。

剩余区块中包括交易数据，采用这些交易数据更新本地未花费交易输出集合，即将交易的数据从本地未花费交易输出数据中剔除，并添加新产生的未花费交易输出数据。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种基于快照和数据转储的区块链优化方法，其特征在于，将保存了快照文件的哈希值的区块作为快照区块，所述基于快照和数据转储的区块链优化方法，包括：

全节点在第一快照区块之后判断下一个区块是否满足预设快照区块条件，如果满足则全网所有全节点基于本地未花费交易输出集合创建快照文件，将创建的快照文件作为哈希函数的输入，得到快照文件的哈希值；

所有全节点执行共识算法竞争发布区块的权利，获取到发布区块权利的全节点将快照文件的哈希值存储到满足预设快照区块条件的区块中，将所述保存了快照文件的哈希值的区块作为第二快照区块，然后发布所述第二快照区块，其他全节点同步所述第二快照区块，并根据其中的交易数据更新本地未花费交易输出集合；

后续获得区块发布权利的全节点在第二快照区块之后预设累积确认区块数量的区块中加入快照文件的哈希值；

所有全节点判断是否需要转存历史区块数据，如果需要转存则全节点将第一快照区块、以及第一快照区块与第二快照区块之间的历史区块存储到星际文件系统中，并保存星际文件系统返回的哈希索引，将“哈希索引、区块高度”的对应关系保存到每个对应的区块中。

2.根据权利要求1所述的基于快照和数据转储的区块链优化方法，其特征在于，所述基于快照和数据转储的区块链优化方法，还包括：

步骤F1、新加入的全节点从邻居全节点处下载最新的快照文件和快照区块；

步骤F2、使用最新快照区块中的快照文件的哈希值对下载的最新的快照文件进行校验，若校验通过则进入下一步骤，否则返回步骤F1；

步骤F3、校验通过后，从邻居节点处下载最新的快照区块后预设累积确认区块数量的区块，并从中提取快照文件的哈希值；

步骤F4、使用提取的快照文件的哈希值对下载的最新的快照文件进行校验，如果校验通过则进入下一步，否则返回步骤F1；

步骤F5、校验通过后，则将最新的快照文件中的未花费交易输出数据导入到所述新加入的全节点，在所述新加入的全节点本地构建未花费交易输出集合；

步骤F6、继续向邻居全节点请求剩余区块，并同步其中的交易，更新本地未花费交易输出集合。

3.根据权利要求1所述的基于快照和数据转储的区块链优化方法，其特征在于，所述判断下一个区块是否满足预设快照区块条件，包括：

若下一个区块的区块高度是第一快照区块的区块高度与预设第一数值之和，则判断下一个区块满足预设快照区块条件。

4.根据权利要求3所述的基于快照和数据转储的区块链优化方法，其特征在于，所述预设第一数值大于预设累积确认区块数量。