CN117319422B - 一种城市规划领域物联网数据的区块链成块方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种城市规划领域物联网数据的区块链成块方法及系统，包括：S1、物联网终端的数据进行分片，S2、确定每个数据块要创建的备份数量并完成数据备份；S3、为每一个所述数据备份生成对应的元数据，S4、区块链网络的成块节点接收到广播的元数据后划分成不同的队列，S5、成块节点开始构建区块，以先队列顺序后队列内顺序的规则取数据来填充区块，S6、将备份序号为1的队列清空，S7、使用区块链上存储的元数据检索数据备份的存储位置，根据存储位置找到对应数据块。本发明可以确保数据冗余存储和可用性，优化区块链性能，提高数据的及时性和有效性。
Description
技术领域
本发明属于信息技术领域，特别是涉及到一种城市规划领域物联网数据的区块链成块方法及系统。
背景技术
物联网（IoT）设备可以利用区块链技术来增强安全性、隐私保护和数据管理。城市规划领域存在很多物联网设备，尤其是涉及很多视频监控类物联网设备。物联网设备产生的数据需要保证可用性，必须做到冗余存储。
但是区块链系统通常有限的处理能力和存储容量，不能处理大量的数据，尤其是高频通信内容，将大量数据打包到区块链中可能导致区块链性能下降，交易处理速度变慢，以及存储成本增加。因此，在城市规划领域需要考虑如何在保持区块链性能的同时有效地处理这些数据，保证数据的冗余存储和可用性。
发明内容
本发明提出一种城市规划领域物联网数据的区块链成块方法及系统，可以确保数据冗余存储和可用性，优化区块链性能，提高数据的及时性和有效性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种城市规划领域物联网数据的区块链成块方法，应用于设有区块链网络和多个物联网终端的城市规划领域，包括：
S1、物联网终端的数据进行分片，分片后的每个片段作为一个数据块；
S2、确定每个数据块要创建的备份数量并完成数据备份；
S3、为每一个所述数据备份生成对应的元数据，并广播到城市规划领域的区块链网络，广播发布时间间隔根据所述数据备份的重要性和访问频率进行计算调整；所述元数据中包括用于区分备份顺序的备份序号；
步骤S3具体包括：
S3.1、为同一个数据块的每个数据备份分配不同的备份序号，用于区分备份顺序；
S3.2、为每个数据备份生成对应的元数据，所述元数据包括数据基础属性信息、存储地址、备份序号；
S3.3、确定广播发布时间并进行广播：同一个数据块的第一个数据备份的元数据生成后立即将元数据广播到区块链网络，同一个数据块的其他数据备份的元数据按照时间间隔依次广播发布，所述时间间隔根据数据块的重要性和访问频率进行计算调整；
S4、区块链网络的成块节点接收到广播的元数据后，根据元数据的备份序号不同而划分成不同的队列，队列内根据成块节点接收到元数据的时间进行排序；
步骤S4具体包括：
S4.1、备份序号分队列：
成块节点首先根据备份序号将接收到的元数据分成多个不同的队列；每个队列对应一个备份序号；
S4.2、元数据入队：
成块节点将每个元数据按照其备份序号放入相应的队列中；
S4.3、队列内元数据排序：
在每个队列内，元数据按照接收时间进行排序；
S5、当成块周期到来时，成块节点开始构建区块，以先队列顺序后队列内顺序的规则取数据来填充区块，当区块填满或所有元数据都处理完则完成成块操作，并将区块广播给其他节点；
步骤S5具体包括：
S5.1、成块节点按照备份序号的升序顺序决定从哪个队列开始取元数据，然后成块节点按队列内顺序依次逐一取队列中的元数据；
S5.2、成块节点将取出的元数据加入到当前正在构建的区块中；
S5.3、在将元数据添加到区块后，成块节点检查区块是否已经达到预定的大小，或者检查队列是否已经为空；如果区块已满或者队列为空，成块节点完成区块的构建；
S5.4、成块节点将区块进行封装，包括添加区块头部信息、计算区块的哈希值，以及签名；
S5.5、封装完成的区块被广播到区块链网络中，以便其他节点可以接收、验证和存储这个区块；
S6、如果备份序号为1的队列中还有未处理的元数据，则再次执行步骤S5，直至将备份序号为1的队列清空；
S7、当需要使用物联网终端的数据时，使用区块链上存储的元数据检索数据备份的存储位置，根据存储位置找到对应数据块。
进一步的，步骤S1具体包括：
S1.1、数据预处理，使所有数据块具有一致的格式；
S1.2、定义分片规则，包括按照固定的时间间隔分割或按照固定大小分割，或者通过内容分析算法检测变化或关键事件然后分割；
S1.3、分片生成，根据分片规则分出多个片段，每个片段作为一个数据块。
进一步的，步骤S2具体包括：
S2.1、确定备份数量：根据数据冗余存储和可用性的需求来决定为每个数据块创建多少个数据备份；
S2.2、为每个数据备份分配存储地址，所述存储地址指向分布式存储系统中的不同节点或云存储服务；将每个数据备份存储到对应地址完成备份。
进一步的，步骤S3.3中，所述时间间隔的计算调整方法包括：
S3.3.1、每个所述数据块获得一个重要性分数，重要性分数越高表示数据块越重要；
S3.3.2、将数据块的初始备份发布间隔初始化为最大值，则：
初始备份发布间隔=最大值-重要性分数 * 缩放因子；
S3.3.3、计算每个数据块的访问频率分数：
访问频率分数 =实际访问频率/预计访问频率；所述实际访问频率为单位时间内的访问次数；所述预计访问频率为预估的单位时间内的访问次数；
S3.3.4、计算时间间隔：
时间间隔=初始备份发布间隔/（1+访问频率分数）。
进一步的，步骤S7具体包括：
S7.1、首先查询区块链以检索数据的元数据；
S7.2、从查询到的元数据中提取所述存储地址；
S7.3、使用所述存储地址，建立连接到分布式存储系统的通道；
S7.4、通过连接，检索得到存储在分布式存储系统中的数据块的数据备份。
本发明另一方面还提出了一种城市规划领域物联网数据的区块链成块系统，所述系统应用了上述城市规划领域物联网数据的区块链成块方法。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明确保数据冗余存储和可用性：确保数据的冗余存储，以提高数据的可用性和容错性。通过创建多个备份，即使某些备份受到故障或数据损坏的影响，仍然可以从其他备份中恢复数据。这对于需要高度可靠性的应用非常重要，如监控和安全系统。
2、本发明使区块链性能优化：通过将数据的上链时机与备份序号和广播时间关联，避免了将大量数据同时上链导致的区块链拥堵问题。这使得数据的上链时间可以更灵活地调整，以便在区块链负载较低的时候进行上链，提高了数据的及时性。
3、本发明实现有限处理和性能效率：通过将成块节点根据备份序号分成多个队列，并有限处理队列内的元数据，以确保在区块构建过程中的高效处理。这有助于避免不必要的资源浪费和性能下降，同时保持数据的有序性。
4、数据的及时上链：确保数据的及时上链。通过动态控制备份的广播时间，可以在需要时将数据上链，同时根据备份序号管理备份的上链顺序。这有助于平衡数据的实时性和区块链性能，确保数据按照规定的顺序上链。
附图说明
图1是本发明实施例的流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为使本发明专利的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明专利的具体实施方式作进一步的说明。
以城市规划领域的一个智能城市项目作为本实施例，所述智能城市项目中涉及大量的智能监控摄像头，这些摄像头每天生成大量的视频数据。视频数据需要进行存储，以供审计、验证和法律要求。
针对此，该项目的设计包括多个物联网终端（智能监控摄像头），和设有多个区块链成块节点的区块链网络，所述区块链节点可以由城市规划领域的具备数据处理能力的服务器或计算机实现。
在本实施例中，城市规划领域物联网数据的区块链成块方法，包括如下步骤：
步骤1：物联网终端（智能监控摄像头）提供的视频数据根据固定时长或内容进行分片，每个分片可以看作一个数据块。这些数据块将作为备份的基本单位。
详细过程包括以下步骤：
步骤1.1：数据预处理
在对视频数据进行分片之前，通常需要进行一些数据预处理，以确保数据块的一致性和可用性，包括：
数据解码：如果视频数据以特定的编码格式（如H.264）存储，首先需要对数据进行解码，以将其转换为原始视频帧。
帧率和分辨率处理：确定要采用的帧率和分辨率，以确保所有数据块具有一致的格式。
步骤1.2：分片规则定义
在进行分片之前，需要定义分片的规则，即如何将视频数据划分为数据块。可以根据以下方式进行定义：
固定时长：将视频按照固定的时间间隔分割，例如每分钟一个数据块。这是最常见的分片方法，特别适用于实时数据流。
内容分析：通过内容分析算法，检测视频中的场景变化或关键事件，然后将视频分割成数据块。例如，当监控摄像头检测到运动或异常事件时，可以生成一个新的数据块。
步骤1.3：分片生成
根据定义的分片规则，执行以下步骤生成数据块：
根据分片规则将原始视频划分出多个视频分片，每个视频分片作为一个数据块。
步骤2：对于每个视频分片的数据块，确定要创建的备份数量，并根据备份数量完成数据备份。备份数量决定了数据的冗余度。不同的摄像设备可以具有不同的备份数量。例如优先级更高的摄像设备具有更高的备份数量。
具体步骤如下：
步骤2.1：决定备份数量：首先，需要根据数据冗余存储和可用性的需求来决定为每个视频数据块创建多少个备份。备份数量的选择取决于应用的重要性和数据的敏感性。更多的备份意味着更高的冗余和可用性，但也会增加存储和管理成本。
步骤2.2：为每个备份分配存储地址并完成备份：对于每个备份，需要确定存储地址，存储地址指向分布式存储系统中的不同节点或云存储服务；并将每个备份存储到对应的存储地址。可以通过系统配置文件或数据库进行管理，确保不同备份的存储地址是多样化的，以分散风险。
步骤3：为每一个数据备份生成对应的元数据，并广播到区块链网络。
每个元数据至少具有以下信息：
视频基础属性信息：起始时间，结束时间，帧率，分辨率，摄像头标识符，摄像头物理位置等信息。
存储地址：指向分布式存储系统中的不同节点或云存储服务，每一个备份具有一个存储地址。
备份序号：用于区分同一个数据块不同备份的顺序，例如备份数量是5，那么一共产生5个备份，备份序号分别是1，2，3，4，5。
以下是详细过程：
步骤3.1：为同一个数据块的每个备份分配备份序号：每个备份都应该具有唯一的备份序号，用于区分备份的顺序。备份序号通常是整数，按顺序递增。例如，第一个备份可以具有备份序号1，第二个备份为2，依此类推。备份序号的分配可以在数据块生成时进行。数据块的多个备份的发布顺序是根据备份序号的顺序发布的。
步骤3.2：为每个数据备份生成对应的元数据。
步骤3.3：确定元数据广播到区块链网络的广播发布时间，同一个数据块的第一个备份的元数据生成后立即发布，其他备份的元数据按照一定时间间隔依次发布，所述时间间隔可以是固定值，也可以是动态确定的。
当所述时间间隔动态确定时，计算调整方法如下：
（1）初始化设置：为视频的每个数据块分配一个重要性分数，其中较高的分数表示较重要的数据块。例如设置为1-10，分10个等级。由于监控领域的视频是由固定的监控摄像头获得的，不同位置/不同目的的摄像头本身在实际应用中的功能就存在差异，重要性是比较容易区分设定的。
初始化初始备份发布间隔为一个最大值（例如，24小时）。
（2）对于每个数据块，计算初始备份发布间隔：
初始备份发布间隔=最大值-重要性分数*缩放因子；这里的缩放因子可以设置为1；
（3）计算每个数据块的访问频率分数：
访问频率分数=实际访问频率/预计访问频率；访问频率分数就是实际访问频率与预计访问频率的比例关系，实际访问频率越高，访问频率分数越高。
（4）计算所述时间间隔：时间间隔=初始备份发布间隔/(1+访问频率分数)；
上述计算调整方法的目的是对于重要性较高、频繁访问的数据块，备份发布的时间间隔较短，以确保数据的实时性和可用性。对于较不重要或不经常访问的数据块，备份发布的时间间隔较长，以降低资源成本。
步骤4：区块链成块节点接收到元数据后，先根据其中的备份序号不同而划分成不同的队列，队列内是不同数据块的相同备份序号的元数据，根据成块节点接收到各元数据的时间进行排序。
以下是详细过程：
步骤4.1：备份序号分队列：
成块节点首先根据备份序号将接收到的元数据分成多个不同的队列。每个队列对应一个备份序号，例如队列1对应备份序号1，队列2对应备份序号2，以此类推。
步骤4.2：元数据入队：
成块节点将每个元数据按照其备份序号放入相应的队列中。这样，同一备份序号的元数据会被分在一起。
步骤4.3：队列内元数据排序：
在每个队列内，元数据按照元数据的接收时间进行排序。通常，成块节点会维护一个接收顺序的记录，以确保元数据按照正确的顺序排列。
这些队列的目的是确保数据块按照备份序号的顺序被包含在将要构建的区块中。因为备份序号是用来区分不同备份的顺序，所以在构建区块时，成块节点需要按照备份序号的顺序选择元数据。
步骤5：当成块周期到来时，成块节点开始构建一个新的区块，以先队列顺序后队列内顺序的规则取数据来填充区块，当区块填满或所有元数据都处理完则完成成块操作。
步骤5.1：队列顺序是成块节点按照备份序号的升序顺序决定从哪个队列开始取元数据（通常，成块节点会从备份序号最小的队列开始，即备份序号为1的队列）。队列内顺序是成块节点会依次逐一处理队列中的元数据。
步骤5.2：成块节点将取出的元数据加入到当前正在构建的区块中。这样，每个元数据都会成为区块的一部分。
步骤5.3：在将元数据添加到区块后，成块节点会检查区块是否已经达到预定的最大大小（通常由区块链协议规定），或者检查队列是否已经为空。如果区块已满或者队列为空，成块节点将完成区块的构建。
步骤5.4：成块节点将区块进行封装，包括添加区块头部信息、计算区块的哈希值，以及签名。这些步骤通常根据区块链协议的规定来执行。
步骤5.5：构建完成的区块将被广播到区块链网络中，以便其他节点可以接收、验证和存储这个区块。成块节点将区块的哈希值添加到区块链的末尾，并将区块广播给其他节点。
步骤6：如果还备份序号为1的队列中还有未处理的数据，则再次执行步骤5。
从而将备份序号为1的队列清空，至少保证了视频数据的第一个备份上链。
步骤7：当需要验证或审计特定数据时，可以使用区块链上存储的元数据来检索数据的存储位置，然后，可以检查分布式存储系统中的相应数据片段。
具体步骤如下：
步骤7.1：首先，需要查询区块链以检索特定数据的元数据。
步骤7.2：从查询到的元数据中提取存储位置信息。
步骤7.3：使用提取的存储位置信息，建立连接到分布式存储系统的通道。这可以是与存储节点的网络连接或通过云服务提供商的API进行访问。
步骤7.4：通过连接，检索存储在分布式存储系统中的数据分片。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种城市规划领域物联网数据的区块链成块方法，其特征在于，应用于设有区块链网络和多个物联网终端的城市规划领域，包括：
S1、物联网终端的数据进行分片，分片后的每个片段作为一个数据块；
S2、确定每个数据块要创建的备份数量并完成数据备份；
S3、为每一个所述数据备份生成对应的元数据，并广播到城市规划领域的区块链网络，广播发布时间间隔根据所述数据备份的重要性和访问频率进行计算调整；所述元数据中包括用于区分备份顺序的备份序号；
步骤S3具体包括：
S3.1、为同一个数据块的每个数据备份分配不同的备份序号，用于区分备份顺序；
S3.2、为每个数据备份生成对应的元数据，所述元数据包括数据基础属性信息、存储地址、备份序号；
S3.3、确定广播发布时间并进行广播：同一个数据块的第一个数据备份的元数据生成后立即将元数据广播到区块链网络，同一个数据块的其他数据备份的元数据按照时间间隔依次广播发布，所述时间间隔根据数据块的重要性和访问频率进行计算调整；
S4、区块链网络的成块节点接收到广播的元数据后，根据元数据的备份序号不同而划分成不同的队列，队列内根据成块节点接收到元数据的时间进行排序；
步骤S4具体包括：
S4.1、备份序号分队列：
成块节点首先根据备份序号将接收到的元数据分成多个不同的队列；每个队列对应一个备份序号；
S4.2、元数据入队：
成块节点将每个元数据按照其备份序号放入相应的队列中；
S4.3、队列内元数据排序：
在每个队列内，元数据按照接收时间进行排序；
S5、当成块周期到来时，成块节点开始构建区块，以先队列顺序后队列内顺序的规则取数据来填充区块，当区块填满或所有元数据都处理完则完成成块操作，并将区块广播给其他节点；
步骤S5具体包括：
S5.1、成块节点按照备份序号的升序顺序决定从哪个队列开始取元数据，然后成块节点按队列内顺序依次逐一取队列中的元数据；
S5.2、成块节点将取出的元数据加入到当前正在构建的区块中；
S5.3、在将元数据添加到区块后，成块节点检查区块是否已经达到预定的大小，或者检查队列是否已经为空；如果区块已满或者队列为空，成块节点完成区块的构建；
S5.4、成块节点将区块进行封装，包括添加区块头部信息、计算区块的哈希值，以及签名；
S5.5、封装完成的区块被广播到区块链网络中，以便其他节点接收、验证和存储这个区块；
S6、如果备份序号为1的队列中还有未处理的元数据，则再次执行步骤S5，直至将备份序号为1的队列清空；
S7、当需要使用物联网终端的数据时，使用区块链上存储的元数据检索数据备份的存储位置，根据存储位置找到对应数据块；
步骤S3.3中，所述时间间隔的计算调整方法包括：
S3.3.1、每个所述数据块获得一个重要性分数，重要性分数越高表示数据块越重要；
S3.3.2、初始备份发布间隔=最大值-重要性分数 * 缩放因子；
S3.3.3、计算每个数据块的访问频率分数：
访问频率分数 =实际访问频率/预计访问频率；所述实际访问频率为单位时间内的访问次数；所述预计访问频率为预估的单位时间内的访问次数；
S3.3.4、计算时间间隔：
时间间隔=初始备份发布间隔/（1+访问频率分数）。
2.根据权利要求1所述的城市规划领域物联网数据的区块链成块方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S1.1、数据预处理，使所有数据块具有一致的格式；
S1.2、定义分片规则，包括按照固定的时间间隔分割或按照固定大小分割，或者通过内容分析算法检测变化或关键事件然后分割；
S1.3、分片生成，根据分片规则分出多个片段，每个片段作为一个数据块。
3.根据权利要求1所述的城市规划领域物联网数据的区块链成块方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
S2.1、确定备份数量：根据数据冗余存储和可用性的需求来决定为每个数据块创建多少个数据备份；
S2.2、为每个数据备份分配存储地址，所述存储地址指向分布式存储系统中的不同节点或云存储服务；将每个数据备份存储到对应地址完成备份。
4.根据权利要求1所述的城市规划领域物联网数据的区块链成块方法，其特征在于，步骤S7具体包括：
S7.1、首先查询区块链以检索数据的元数据；
S7.2、从查询到的元数据中提取所述存储地址；
S7.3、使用所述存储地址，建立连接到分布式存储系统的通道；
S7.4、通过连接，检索得到存储在分布式存储系统中的数据块的数据备份。
5.一种城市规划领域物联网数据的区块链成块系统，其特征在于，所述系统应用了如权利要求1-4任一项所述的城市规划领域物联网数据的区块链成块方法。
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