CN117424912B - 基于区块链的物联网节点集群数据存储方法、系统及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于区块链的物联网节点集群数据存储方法、系统及介质，其方法包括以下步骤：基于邻近资源聚类算法，将参与同一区块链的多个物联网节点聚类为多个集群，以使每个集群的总存储资源量满足存储区块链账本所需的最小存储资源需求量；根据区块链的存储资源要求和节点访问区块数据访问要求建立优化目标函数及优化目标函数的约束条件；在所述优化目标函数及所述约束条件的限制下，基于分级需求贪婪算法确定最小化物联网节点访问区块所需成本时的集群内多物联网节点协作存储区块策略；因此本发明将设备聚合成多个协作存储集群，以解决物联网区块链系统中存储资源不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及区块链数据存储技术领域，特别涉及一种基于区块链的物联网节点集群数据存储方法、系统及介质。
背景技术
随着物联网应用的快速发展，物联网设备产生的数据激增。目前，物联网系统中产生的庞大数据的安全性和存储方案受到越来越多的关注。传统的集中式云数据库存储模式已经不能满足对物联网数据日益增长的安全性和隐私性需求。区块链是一种分布式账本技术，可实现分散、不可变和一致的数据管理。其共识机制和哈希特性可确保物联网设备的数据完整性和出处，并保护数据隐私和所有权。这些性质可以完美的为IoT(物联网(Internetof Things)产生的海量数据提供一个安全和可追溯的分布式数据存储解决方案。目前已经有很多基于区块链技术的物联网应用，比如智慧城市、物流、交通等。
智能设备相互连接形成物联网系统，系统中的设备可以通过区块链实现海量数据的跨平台安全流动共享。然而，账本的大小会随着经过共识的新区块的产生不断增加，会超过设备的存储容量。这意味着单个设备可能无法存储完整的分类账，这样就无法确保使用区块链交易数据的安全性。这个问题对于联盟链来说更为严重，账本增长更快，因为联盟链具有更高的共识速度和吞吐量。区块链数据增长的速度严重制约了其在物联网场景下的发展应用，一种可能的解决方案是使用合作存储。
物联网系统拥有众多异构的设备，设备之间的通信链路也非常多样，随着系统规模的增加，通信链路复杂度也会随之提升，频繁的数据查询操作可能会导致设备的正常功能受到影响。此外，合作存储极度依赖合作设备的稳定性和可靠性，部分设备失效会影响到集群内其他设备的区块链数据访问验证。因此集群设备越多，其系统稳定性就越差。因此针对上述问题，需设计一种合理有效的分组策略，将设备聚合成多个协作存储集群，以解决物联网区块链系统中存储资源不足的问题。
发明内容
本发明提供一种基于区块链的物联网节点集群数据存储方法、系统及介质，将设备聚合成多个协作存储集群，以解决物联网区块链系统中存储资源不足的问题。
第一方面，提供一种基于区块链的物联网节点集群数据存储方法，包括以下步骤：
基于邻近资源聚类算法，将参与同一区块链的多个物联网节点聚类为多个集群，以使每个集群的总存储资源量满足存储区块链账本所需的最小存储资源需求量；
根据区块链的存储资源要求和节点访问区块数据访问要求建立优化目标函数及优化目标函数的约束条件；
在所述优化目标函数及所述约束条件的限制下，基于分级需求贪婪算法确定最小化物联网节点访问区块所需成本时的集群内多物联网节点协作存储区块策略。
根据第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述基于邻近资源聚类算法，将参与同一区块链的多个物联网节点聚类为多个集群，以使每个集群的总存储资源量满足存储区块链账本所需的最小存储资源需求量步骤，具体包括以下步骤：
基于预设通信时延阈值将参与同一区块链的多个物联网节点划分为多个分组；
按预设选取条件在多个所述分组中选取部分分组作为聚类中心，计算各分组分别与各所述聚类中心之间的适应度，将适应度最高对应的分组与聚类中心聚类为一个集群，直至每个集群的总存储资源量达到最小存储资源需求量；
当检测到存在有未聚类至集群中的分组时，则将未聚类的分组划分入距离自身通信时延最小的聚类中心所在的集群。
根据第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述计算各分组分别与各所述聚类中心之间的适应度的计算公式如下：
；
式中，为第/>个分组的存储资源量；/>为第/>个分组与第/>个分组之间的通信时延；/>为各分组聚类为第/>个集群所包含的所有聚类中心的集合；
所述最小存储资源需求量为：
；
式中，为空间需求系数；/>为区块链中第/>个区块的大小，/>为区块链中的总区块个数。
根据第一方面，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述根据区块链的存储资源要求和节点访问区块数据访问要求建立优化目标函数及优化目标函数的约束条件步骤，具体包括以下步骤：
优化目标函数为：
；
优化目标函数的约束条件包括每个物联网节点的存储资源量足够存储分配到自身物联网节点的区块、区块链中的所有区块在每个集群中至少存储一份完整副本、任意一个集群需满足区块协作存储需求及任意区块的完整性；
所述每个物联网节点的存储资源量足够存储分配到自身物联网节点的区块为：
；
所述区块链中的所有区块在每个集群中至少存储一份完整副本为：
；
所述任意一个集群需满足区块协作存储需求为：
；
所述任意区块的完整性为：
；
式中，为区块/>的存储位置；/>为节点/>存储区块/>，/>为节点/>不存储区块/>；/>为所查询区块/>需处于区块链/>中；/>为节点/>处于当前/>集群中；/>为优化目标同时考虑范围内所有集群的成本；/>为节点/>与节点/>之间的通信时延；/>为区块/>的大小；/>为节点/>从节点/>查询区块/>所需的成本；/>为节点/>存储区块/>；/>为总集群/>中的第/>个节点集群；/>为节点/>具备的存储资源量；/>为区块链中包含的所有区块的集合；/>为空间需求系数；/>为区块链总空间需求。
根据第一方面，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述基于分级需求贪婪算法确定最小化物联网节点访问区块所需成本时的集群内多物联网节点协作存储区块策略步骤，具体包括以下步骤：
根据区块对于物联网节点的动态访问权重函数将区块链中的所有区块排序，确定区块分配顺序；
分别以排序后的每个区块为对象，使用节点评估函数及局部需求度函数确定最小化物联网节点访问区块所需成本时的集群内多物联网节点协作存储区块。
根据第一方面的第四种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述动态访问权重函数为：
；
式中，为预设时间内节点访问区块的频率；/>为区块/>包含的交易集合；/>为区块/>包含的交易数量；/>为区块/>中的第k笔交易与节点/>的相关性；/>为区块存在的时间权重系数。
根据第一方面的第四种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述节点评估函数为：
；
所述局部需求度函数为：
；
式中，为节点/>与节点/>之间的通信时延；/>为区块/>的存储位置；/>为总集群/>中的第/>个节点集群；/>为局部需求范围比例调节参数，当节点/>与节点/>距离较近时/>值较大，当节点/>与节点/>距离较远时/>值较小；/>为局部影响范围比例调节参数；/>与/>分别代表区块/>对于节点/>与节点/>的动态访问权重函数。
第二方面，提供了一种基于区块链的物联网节点集群数据存储系统，包括：
聚类模块，用于基于邻近资源聚类算法，将参与同一区块链的多个物联网节点聚类为多个集群，以使每个集群的总存储资源量满足存储区块链账本所需的最小存储资源需求量；
优化约束模块，用于根据区块链的存储资源要求和节点访问区块数据访问要求建立优化目标函数及优化目标函数的约束条件；以及，
存储模块，与所述聚类模块及所述优化约束模块通信连接，用于在所述优化目标函数及所述约束条件的限制下，基于分级需求贪婪算法确定最小化物联网节点访问区块所需成本时的集群内多物联网节点协作存储区块策略。
第三方面，提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述基于区块链的物联网节点集群数据存储方法。
与现有技术相比，本发明的优点如下：基于邻近资源聚类算法，将参与同一区块链的多个物联网节点聚类为多个集群，同时基于分级需求贪婪算法确定最小化物联网节点访问区块所需成本时的集群内多物联网节点协作存储区块策略，有效解决了物联网区块链系统中存储资源不足的问题。
附图说明
图1是本发明一种基于区块链的物联网节点集群数据存储方法的一实施例的流程示意图；
图2是本发明一种基于区块链的物联网节点集群数据存储方法的又一实施例的流程示意图；
图3是本发明的集群网络结构示意图；
图4是本发明一种基于区块链的物联网节点集群数据存储系统的结构示意图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的具体实施例，在附图中例示了本发明的例子。尽管将结合具体实施例描述本发明，但将理解，不是想要将本发明限于所述的实施例。相反，想要覆盖由所附权利要求限定的在本发明的精神和范围内包括的变更、修改和等价物。应注意，这里描述的方法步骤都可以由任何功能块或功能布置来实现，且任何功能块或功能布置可被实现为物理实体或逻辑实体、或者两者的组合。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
注意：接下来要介绍的示例仅是一个具体的例子，而不作为限制本发明的实施例必须为如下具体的步骤、数值、条件、数据、顺序等等。本领域技术人员可以通过阅读本说明书来运用本发明的构思来构造本说明书中未提到的更多实施例。
参见图1，本发明实施例提供一种基于区块链的物联网节点集群数据存储方法，包括以下步骤：
S100，基于邻近资源聚类算法，将参与同一区块链的多个物联网节点聚类为多个集群，以使每个集群的总存储资源量满足存储区块链账本所需的最小存储资源需求量；
S200，根据区块链的存储资源要求和节点访问区块数据访问要求建立优化目标函数及优化目标函数的约束条件；
S300，在所述优化目标函数及所述约束条件的限制下，基于分级需求贪婪算法确定最小化物联网节点访问区块所需成本时的集群内多物联网节点协作存储区块策略。
因此本发明基于邻近资源聚类算法，将参与同一区块链的多个物联网节点聚类为多个集群，同时基于分级需求贪婪算法确定最小化物联网节点访问区块所需成本时的集群内多物联网节点协作存储区块策略，有效解决了物联网区块链系统中存储资源不足的问题。
优选地，在本申请另外的实施例中，所述S100，基于邻近资源聚类算法，将参与同一区块链的多个物联网节点聚类为多个集群，以使每个集群的总存储资源量满足存储区块链账本所需的最小存储资源需求量步骤，具体包括以下步骤：
S110，基于预设通信时延阈值将参与同一区块链的多个物联网节点划分为多个分组；
S120，按预设选取条件在多个所述分组中选取部分分组作为聚类中心，计算各分组分别与各所述聚类中心之间的适应度，将适应度最高对应的分组与聚类中心聚类为一个集群，直至每个集群的总存储资源量达到最小存储资源需求量；
预设选取条件为如下：
每个分组内都可能包含若干个节点，每个节点具备一定量的存储资源/>，一个分组的存储资源容量是该分组中所有节点存储资源的总和，将所有分组按照存储资源容量由大到小依次排序，选取前L个分组作为聚类中心，其中L为选取的聚类中心数量。
S130，当检测到存在有未聚类至集群中的分组时，则将未聚类的分组划分入距离自身通信时延最小的聚类中心所在的集群。
所述计算各分组分别与各所述聚类中心之间的适应度的计算公式如下：
；
式中，为第/>个分组的存储资源量；/>为第/>个分组与第/>个分组之间的通信时延；/>为各分组聚类为第/>个集群所包含的所有聚类中心的集合；
所述最小存储资源需求量为：
；
式中，为空间需求系数；/>为区块链中第/>个区块的大小，/>为区块链中的总区块个数。
需要说明的是，在各分组聚合开始之后，分组会寻找适应度最高的聚类中心形成集群（这期间因为聚类中心本身也是一个分组，两个聚类中心之间也可能形成集群，所以一个集群内可能包含多个聚类中心），直到某个集群的总存储资源量达到最小存储资源需求量时停止聚类。
具体地，本实施例中，同时参见图2所示，物联网系统包括各种异构的设备，例如多种传感器、摄像头、工业智能网关、智能家居等。设备间有信息传递和交互时可以被认为是在同一个物联网系统中。设备之间通过直接的方式或路由器、基站等间接方式进行通信。通过协作存储可以将设备划分为多个集群，集群提供事务存储和查询功能，从而使得设备即使不能存储完整的区块链也能够参与到区块链网络。每个集群都需要存储至少一份区块链。
通过设定一个预设通信时延阈值，将所有物联网节点划分为多个分组，每个分组内的任意两个节点之间的通信时延都满足不超过通信时延阈值。定义一个分组内存储资源最多的节点为该分组的组头节点，任意两个分组之间的通信距离为两个分组的组头节点之间的通信时延。每个分组的存储资源定义为该分组中所有节点存储资源的总合。此时，如果某些节点没有邻近节点，它们将各自单独形成一个分组。
在集群扩张的过程中，分别计算各个分组与集群的多个聚类中心之间的适应度，依次将适应度最高的分组划分入当前组集群，每个集群的总存储资源量达到最小存储资源需求量。在所有组集群满足最小存储资源需求量后，将仍未加入任何集群的分组分别划分入距离自身通信时延最小的聚类中心所在的集群，得到物联网节点聚类方案。
优选地，在本申请另外的实施例中，所述根据区块链的存储资源要求和节点访问区块数据访问要求建立优化目标函数及优化目标函数的约束条件步骤，具体包括以下步骤：
优化目标函数为：
；
优化目标函数的约束条件包括每个物联网节点的存储资源量足够存储分配到自身物联网节点的区块、区块链中的所有区块在每个集群中至少存储一份完整副本、任意一个集群需满足区块协作存储需求及任意区块的完整性；
所述每个物联网节点的存储资源量足够存储分配到自身物联网节点的区块为：
；
所述区块链中的所有区块在每个集群中至少存储一份完整副本为：
；
所述任意一个集群需满足区块协作存储需求为：
；
所述任意区块的完整性为：
；
式中，为区块/>的存储位置；/>为节点/>存储区块/>，/>为节点/>不存储区块/>；/>为所查询区块/>需处于区块链/>中；/>为节点/>处于当前/>集群中；/>为优化目标同时考虑范围内所有集群的成本；/>为节点/>与节点/>之间的通信时延；/>为区块/>的大小；/>为节点/>从节点/>查询区块/>所需的成本；/>为节点/>存储区块/>；/>为总集群/>中的第/>个节点集群；/>为节点/>具备的存储资源量；/>为区块链中包含的所有区块的集合；/>为空间需求系数；/>为区块链总空间需求。
具体地，本实施例中，同时参见图3所示，集群中每个节点的存储资源大小不同，存储的区块也不相同，在集群中每个区块都至少被一个节点所存储。当某节点需要查询某个区块中的数据信息，而自身并没有存储该区块时，该节点会优先向与自己有更低时延的节点发送请求，若目标节点未响应时通过广播的方式向集群中其他节点请求区块数据。过多的广播消息会导致集群内网路堵塞。在集群中，区块链通过共识生成的新区块会由主节点分配到一个或多个节点中进行存储，并将区块头信息在集群内广播至所有节点。
因此，需要建立优化目标函数及优化目标函数的约束条件，以为后续得到集群内多物联网节点协作存储区块策略建立限制条件。
优选地，在本申请另外的实施例中，所述S300，基于分级需求贪婪算法确定最小化物联网节点访问区块所需成本时的集群内多物联网节点协作存储区块策略步骤，具体包括以下步骤：
S310，根据区块对于物联网节点的动态访问权重函数将区块链中的所有区块排序，确定区块分配顺序；
S320，分别以排序后的每个区块为对象，使用节点评估函数及局部需求度函数确定最小化物联网节点访问区块所需成本时的集群内多物联网节点协作存储区块。
具体地，本实施例中，
步骤一，根据区块对于物联网节点的动态访问权重函数将区块链中的所有区块排序，确定区块分配顺序；
步骤二，分别以排序后的每个区块为对象，使用节点评估函数对集群内的物联网节点进行收益评估，选择收益最高对应的物联网节点与选取的对象对应的区块进行匹配，得到单备份分配结果；
步骤三，使用区块对于节点的局部需求度函数对当前状态下集群中的区块-节点对进行评估，选择局部需求度最高的区块-节点对进行区块分配，并更新局部需求度函数；
步骤四，重复步骤三，直至集群内存储空间被完全利用。
需要说明的是，由于区块链系统要求区块链中所有的区块都存储至少一份，本协作存储区块方案的整体思路是：先依次对每个区块进行一次分配，保证在集群内每个区块都得到一次存储，也就是得到单备份分配结果；接着为了尽可能降低系统的通信开销，由于局部需求度越高代表着某区块对于某节点来说越重要、该节点访问该区块的可能性越大，所以如果该节点本身存储了该区块的话那么系统能够减少较大的通信开销。
此外，任意节点与任意区块之间都可以说有节点区块对，每个“节点区块对”对应着一个局部需求度，每次分配时会对该值最高的节点区块对进行分配的实施，然后更新该值。
优选地，在本申请另外的实施例中，所述动态访问权重函数为：
；
式中，为预设时间内节点访问区块的频率；/>为区块/>包含的交易集合；/>为区块/>包含的交易数量；/>为区块/>中的第k笔交易与节点/>的相关性，若交易/>与节点/>相关，则/>，反之则表示交易/>中不涉及节点/>；/>为区块存在的时间权重系数。
所述节点评估函数为：
；
所述局部需求度函数为：
；
式中，为节点/>与节点/>之间的通信时延；/>为区块/>的存储位置；/>为总集群/>中的第/>个节点集群；/>为局部需求范围比例调节参数，当节点/>与节点/>距离较近时/>值较大，当节点/>与节点/>距离较远时/>值较小；/>为局部影响范围比例调节参数，与两节点间的距离以及覆盖范围内其余节点数量有关；/>与/>分别代表区块对于节点/>与节点/>的动态访问权重函数。
节点评估函数评估在集群中将区块/>分配至节点/>时所带来的收益。
局部需求度函数，包含区块在集群/>中的静态总需求度/>、节点/>与其邻近节点对区块/>的需求度/>、以及放置区块/>所造成的局部影响项/>。
同时参见图4所示，本发明实施例还提供了一种基于区块链的物联网节点集群数据存储系统，包括：
聚类模块，用于基于邻近资源聚类算法，将参与同一区块链的多个物联网节点聚类为多个集群，以使每个集群的总存储资源量满足存储区块链账本所需的最小存储资源需求量；
优化约束模块，用于根据区块链的存储资源要求和节点访问区块数据访问要求建立优化目标函数及优化目标函数的约束条件；以及，
存储模块，与所述聚类模块及所述优化约束模块通信连接，用于在所述优化目标函数及所述约束条件的限制下，基于分级需求贪婪算法确定最小化物联网节点访问区块所需成本时的集群内多物联网节点协作存储区块策略。
因此，本发明结合邻近资源聚类算法与分级需求贪婪算法同时确定物联网节点聚类方案以及集群内多节点协作存储方案，有效解决了物联网区块链系统中存储资源不足的问题。
具体的，本实施例与上述方法实施例一一对应，各个模块的功能在相应的方法实施例中已经进行详细说明，因此不再一一赘述。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的所有方法步骤或部分方法步骤。
本发明实现上述方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，RandomAccess Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器上储存有在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法中的所有方法步骤或部分方法步骤。
所称处理器可以是中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），还可以是其他通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现成可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是计算机装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机装置的各个部分。
存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现计算机装置的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（例如声音播放功能、图像播放功能等）；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据（例如音频数据、视频数据等）。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（SmartMedia Card，SMC），安全数字（Secure Digital，SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、服务器或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、服务器和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种基于区块链的物联网节点集群数据存储方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于邻近资源聚类算法，将参与同一区块链的多个物联网节点聚类为多个集群，以使每个集群的总存储资源量满足存储区块链账本所需的最小存储资源需求量；
根据区块链的存储资源要求和节点访问区块数据访问要求建立优化目标函数及优化目标函数的约束条件；
在所述优化目标函数及所述约束条件的限制下，基于分级需求贪婪算法确定最小化物联网节点访问区块所需成本时的集群内多物联网节点协作存储区块策略；
所述根据区块链的存储资源要求和节点访问区块数据访问要求建立优化目标函数及优化目标函数的约束条件步骤，具体包括以下步骤：
优化目标函数为：
；
优化目标函数的约束条件包括每个物联网节点的存储资源量足够存储分配到自身物联网节点的区块、区块链中的所有区块在每个集群中至少存储一份完整副本、任意一个集群需满足区块协作存储需求及任意区块的完整性；
所述每个物联网节点的存储资源量足够存储分配到自身物联网节点的区块为：
；
所述区块链中的所有区块在每个集群中至少存储一份完整副本为：
；
所述任意一个集群需满足区块协作存储需求为：
；
所述任意区块的完整性为：
；
式中，为区块/>的存储位置；/>为节点/>存储区块/>，/>为节点/>不存储区块/>；/>为所查询区块/>需处于区块链/>中；/>为节点/>处于当前/>集群中；/>为优化目标同时考虑范围内所有集群的成本；/>为节点/>与节点/>之间的通信时延；/>为区块/>的大小；/>为节点/>从节点/>查询区块/>所需的成本；为节点/>存储区块/>；/>为总集群/>中的第/>个节点集群；/>为节点/>具备的存储资源量；/>为区块链中包含的所有区块的集合；/>为空间需求系数；/>为区块链总空间需求；
所述分级需求贪婪算法的步骤如下：
步骤一，根据区块对于物联网节点的动态访问权重函数将区块链中的所有区块排序，确定区块分配顺序；
步骤二，分别以排序后的每个区块为对象，使用节点评估函数对集群内的物联网节点进行收益评估，选择收益最高对应的物联网节点与选取的对象对应的区块进行匹配，得到单备份分配结果；
步骤三，使用区块对于节点的局部需求度函数对当前状态下集群中的区块-节点对进行评估，选择局部需求度最高的区块-节点对进行区块分配，并更新局部需求度函数；
步骤四，重复步骤三，直至集群内存储空间被完全利用。
2.如权利要求1所述的基于区块链的物联网节点集群数据存储方法，其特征在于，所述基于邻近资源聚类算法，将参与同一区块链的多个物联网节点聚类为多个集群，以使每个集群的总存储资源量满足存储区块链账本所需的最小存储资源需求量步骤，具体包括以下步骤：
基于预设通信时延阈值将参与同一区块链的多个物联网节点划分为多个分组；
按预设选取条件在多个所述分组中选取部分分组作为聚类中心，计算各分组分别与各所述聚类中心之间的适应度，将适应度最高对应的分组与聚类中心聚类为一个集群，直至每个集群的总存储资源量达到最小存储资源需求量；
当检测到存在有未聚类至集群中的分组时，则将未聚类的分组划分入距离自身通信时延最小的聚类中心所在的集群。
3.如权利要求2所述的基于区块链的物联网节点集群数据存储方法，其特征在于，所述计算各分组分别与各所述聚类中心之间的适应度的计算公式如下：
；
式中，为第/>个分组的存储资源量；/>为第/>个分组与第/>个分组之间的通信时延；/>为各分组聚类为第/>个集群所包含的所有聚类中心的集合；
所述最小存储资源需求量为：
；
式中，为空间需求系数；/>为区块链中第/>个区块的大小，/>为区块链中的总区块个数。
4.如权利要求1所述的基于区块链的物联网节点集群数据存储方法，其特征在于，所述动态访问权重函数为：
；
式中，为预设时间内节点访问区块的频率；/>为区块/>包含的交易集合；/>为区块/>包含的交易数量；/>为区块/>中的第k笔交易与节点/>的相关性；/>为区块存在的时间权重系数。
5.如权利要求1所述的基于区块链的物联网节点集群数据存储方法，其特征在于，所述节点评估函数为：
；
所述局部需求度函数为：
；
式中，为节点/>与节点/>之间的通信时延；/>为区块/>的存储位置；/>为总集群中的第/>个节点集群；/>为局部需求范围比例调节参数，当节点/>与节点/>距离较近时/>值较大，当节点/>与节点/>距离较远时/>值较小；/>为局部影响范围比例调节参数；/>与/>分别代表区块/>对于节点/>与节点/>的动态访问权重函数。
6.一种基于区块链的物联网节点集群数据存储系统，其特征在于，包括：
聚类模块，用于基于邻近资源聚类算法，将参与同一区块链的多个物联网节点聚类为多个集群，以使每个集群的总存储资源量满足存储区块链账本所需的最小存储资源需求量；
优化约束模块，用于根据区块链的存储资源要求和节点访问区块数据访问要求建立优化目标函数及优化目标函数的约束条件；以及，
存储模块，与所述聚类模块及所述优化约束模块通信连接，用于在所述优化目标函数及所述约束条件的限制下，基于分级需求贪婪算法确定最小化物联网节点访问区块所需成本时的集群内多物联网节点协作存储区块策略；
所述优化目标函数为：
；
优化目标函数的约束条件包括每个物联网节点的存储资源量足够存储分配到自身物联网节点的区块、区块链中的所有区块在每个集群中至少存储一份完整副本、任意一个集群需满足区块协作存储需求及任意区块的完整性；
所述每个物联网节点的存储资源量足够存储分配到自身物联网节点的区块为：
；
所述区块链中的所有区块在每个集群中至少存储一份完整副本为：
；
所述任意一个集群需满足区块协作存储需求为：
；
所述任意区块的完整性为：
；
式中，为区块/>的存储位置；/>为节点/>存储区块/>，/>为节点/>不存储区块/>；/>为所查询区块/>需处于区块链/>中；/>为节点/>处于当前/>集群中；/>为优化目标同时考虑范围内所有集群的成本；/>为节点/>与节点/>之间的通信时延；/>为区块/>的大小；/>为节点/>从节点/>查询区块/>所需的成本；为节点/>存储区块/>；/>为总集群/>中的第/>个节点集群；/>为节点/>具备的存储资源量；/>为区块链中包含的所有区块的集合；/>为空间需求系数；/>为区块链总空间需求；
所述分级需求贪婪算法的步骤如下：
步骤一，根据区块对于物联网节点的动态访问权重函数将区块链中的所有区块排序，确定区块分配顺序；
步骤二，分别以排序后的每个区块为对象，使用节点评估函数对集群内的物联网节点进行收益评估，选择收益最高对应的物联网节点与选取的对象对应的区块进行匹配，得到单备份分配结果；
步骤三，使用区块对于节点的局部需求度函数对当前状态下集群中的区块-节点对进行评估，选择局部需求度最高的区块-节点对进行区块分配，并更新局部需求度函数；
步骤四，重复步骤三，直至集群内存储空间被完全利用。
7.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述基于区块链的物联网节点集群数据存储方法。
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| CN115878729A (zh) * | 2023-03-03 | 2023-03-31 | 湖北省楚天云有限公司 | 一种基于联盟链的节点区块存储分配优化方法及系统 |
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2023
- 2023-12-14 CN CN202311718315.5A patent/CN117424912B/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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