CN119831746B - 一种基于dag的区块链并行存证溯源方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DAG的区块链并行存证溯源方法，包括：S1、用户将需要存证的数据签名后作为交易发送至系统，系统生成唯一交易标识即交易Key字段，交易验证节点检查数据完整性及签名有效性，得到存证交易；S2、根据存证交易的TimeStamp和交易Hash对交易进行定序，通过节点间异步通信达成对交易顺序的共识；S3、并行验证交易的父节点的有效性及冲突情况，若通过验证，则将交易写入对应的账户链中；S4、定期将一段时间内的交易打包成新区块，将区块上链，作为全网同步的稳定参考点，以帮助节点快速恢复或加入。根据本发明的基于DAG的区块链，不需要区块打包排序步骤，速度超越普通转账交易速度。

Description

一种基于DAG的区块链并行存证溯源方法

技术领域

本发明涉及存证溯源领域，尤其涉及一种基于DAG的区块链并行存证溯源方法。

背景技术

在联盟链中，数据存取是一个常见功能，其中存证和溯源尤为关键。通常通过唯一标识符映射存证/溯源字段，这些唯一值可能代表证书、证照或商品编码。

传统区块链依赖于单一链的顺序执行，导致链上性能不足，每秒存证的数据量十分有限，并且只有线性顺序上链才能保证上链的正确性。传统联盟链的单一链结构无法灵活地连接和关联不同类型的数据，需要按照业务类型或同一业务下的商品单独创建和存储，这种做法导致链上数据的冗余和数据量的急速增加，从而影响了链的效率和可拓展性。

基于以上存在的问题，有必要提供一种高效、有效的存证溯源方法。

发明内容

本发明的目的在于解决联盟链中数据存取功能的不足，提出一种基于DAG的区块链并行存证溯源方法，从而提供了一种更高效、更有效的存证溯源解决方案。

为此，本发明提供了一种基于DAG的区块链并行存证溯源方法，包括以下步骤：S1、用户将需要存证的数据签名后作为交易发送至系统，系统生成唯一交易标识即交易Key字段，交易验证节点检查数据完整性及签名有效性，得到存证交易，该存证交易还包括字段：时间戳TimeStamp、存证信息Value、存证溯源业务地址NotionAddr、发送者地址From以及Hash值；S2、根据存证交易的TimeStamp和交易Hash对交易进行定序，其中，若交易A引用交易B，则交易B的时序必须在A之前，通过节点间异步通信达成对交易顺序的共识；S3、并行验证交易的父节点的有效性及冲突情况，若通过验证，则将交易写入对应的账户链中； S4、定期将一段时间内的交易打包成新区块，将区块上链，作为全网同步的稳定参考点，以帮助节点快速恢复或加入。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、基于DAG型的交易结构，不需要区块打包排序步骤，速度超越普通转账交易速度。

2、存证溯源类交易可以不经过合约，在收到交易的时候就进行写入，根据交易Hash和交易TimeStamp确定顺序，即发送即运行。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的并行存证溯源方法中的交易发送图；

图2是本发明的并行存证溯源方法中所列举的待定序的四个交易的示意图；

图3是本发明的并行存证溯源方法中四个交易的交易定序结构示意图；

图4是本发明的并行存证溯源方法中存证交易写入的示意图；

图5是本发明的并行存证溯源方法的流程图；

图6示出了本发明的并行存证溯源方法的执行步骤。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

DAG（Directed Acyclic Graph）为有向无环图。本系统即基于DAG的区块链主要由共识节点和见证节点组成。

每个账户以账户链（一个账户一条链）为单位完成交易事务，单独记账，按先后顺序形成链式结构，每个账户的发送交易和接收交易彼此独立，互不干扰。此外，在一条账户链中，发送交易区块的同时，支持指向多笔已存在的交易，形成DAG结构。

共识节点作为区块流转的核心枢纽，由权威可信节点组成，完成区块验证、区块见证、区块上链、区块广播、区块存储等功能。见证节点负责监督并传播账本。通过拉取链上数据，进行链上数据比对和验证，并存储账本副本，保障账本公开、透明、安全、可靠。

针对链的前置共识不同，见证节点还可以参与共识，进行区块打包操作。此外，会记录链上运行时产生的所有关键数据，完整记录链的状态变化过程，并对外提供查询，确保链的历史运行过程可查可追溯。

本发明提供了一种新的交易类型，即存证交易，该类交易不需要关注连续性、也不在乎具体顺序的特点。

基于DAG结构的存证溯源交易允许交易或数据块并行处理，这样不同类型的数据或交易可以在不影响彼此的情况下同时上链，从而大幅提高了交易吞吐量。同时DAG结构通过有向无环图的形式连接多个节点，不同类型的数据可以通过图的边灵活地关联起来，减少数据冗余，避免数据量过渡膨胀。

为了满足存证溯源更高效、更有效的需求，本发明提供了一种基于DAG的区块链并行存证溯源方法。

首先，用户将需要存证的数据签名后作为交易发送至网络；接着，系统依赖交易TimeStamp和交易Hash对交易进行定序；随后，节点会检查其时间戳是否在当前区块时间戳的有效范围内，如果交易的时间戳在有效期内，节点会继续处理并验证该交易，通过验证后，基于DAG的并行结构将并行写入到对应账户链中。最后，网络定期将一段时间内的交易打包成“检查点”区块，作为全网同步的稳定参照点，帮助节点快速恢复或加入。

具体地，结合参照图5和图6，本并行存证溯源方法包括以下步骤S1-S4：

S1、交易发送：用户提交存证数据，系统生成唯一交易标识（即交易Key字段），交易验证节点（即见证节点）检查数据完整性及签名有效性，验证通过后，交易广播至网络，等待定序和写入。

S2、交易定序：对网络中的交易根据交易TimeStamp和交易Hash进行定序，若交易A引用交易B，则交易B的时序必须在A之前，通过节点间异步通信达成对交易顺序的共识。

S3、交易并行写入：并行验证交易的父节点的有效性及冲突情况，若通过验证，则将交易写入至对应位置，并更新本地账本。

S4、定期同步：共识节点触发同步条件后，收集当前网络中已发生的所有存证和溯源交易，对收集到的交易生成默克尔树，计算默克尔根哈希，将默克尔根哈希与当前网络状态的其他关键信息（时间戳、节点签名等）结合，生成区块头，将区块头与交易列表打包成新的区块，并对区块进行签名形成新区块，将新区块广播至全网供其他节点验证，当超过一定比例（如2/3）的节点对区块达成一致时，区块被确认为有效检查点，新区块被添加到区块链中，成为网络状态的稳定点。共识确认后，全网节点基于新区块进行状态同步。

交易时效性检查：系统为每笔交易设定一个时间限制（如半小时），当交易被提交时，节点会检查其时间戳是否在当前区块时间戳的有效范围内，如果交易的时间戳在有效期内，节点会继续处理并验证该交易，如果交易的时间戳超出有效期，节点则直接拒绝该交易，确保只有符合时效性要求的交易被写入区块链。

在步骤S1中，提供了一个新的交易类型-存证交易，该种交易不需要关注连续性，也不在乎具体顺序。

参照图1，客户端将存证交易发送至区块链节点的交易池中。存证交易中的各字段名如下：Hash、TimeStamp、Key、From、NotionAddr、Value。各字段的含义如表一所示。

表一、交易各字段描述表

基于DAG的区块链的区块中各字段名如下：ParentHash、Number、TimeStamp、Txlist。各字段的含义如表二所示。

表二、区块各字段描述表

交易中包含唯一值Key，时间戳TimeStamp，并由Key，Value和TimeStamp进行hash运算生成的Hash值。在交易执行过程中，DAG结构可以保证交易的并行处理，从而实现高效的性能。

在步骤S2中，DAG通过维护交易之间的依赖关系、时间戳和Hash值，确保每笔交易仅在其前置依赖交易完成后才能执行。因此，上链顺序始终能准确反映数据的因果关系和执行逻辑。

具体来说，DAG通过记录每个交易与其依赖关系之间的指向链接，保证了即使交易的运行顺序不一致，最终上链的数据仍然是按正确的顺序进行依赖和合并的，从而确保了数据的一致性和顺序性，即根据各个交易的TimeStamp来寻找上链的顺序，时间越早顺序越靠前，当TimeStamp相同时，根据Hash值来排序，Hash值越小顺序越靠前。

以图2为例，存在以下四个交易：A，B，C，D，其中x，y，z和w分别为A，B，C，D的Hash值，且x<z，无论交易运行顺序如何，得到的上链顺序是一定的。首先，根据TimeStamp从小到大的排序得到A=C>D>B，其次，基于此根据Hash值从小到大排序得到A>C>D>B。综上可得到交易的上链顺序，即A->C->D->B，如图3所示。

在步骤S3中，当有多个账户同时发起存证交易，并且不是对同一个唯一值Key进行操作时，则并行将所有存证交易写入对应的账户链中，但当多个账户对同一个唯一值Key进行操作时，则经过交易定序后再写入链中。

图4中存证交易B指向存证交易A，说明交易B的写入依赖于交易A（交易A在交易B之前已完成），同理，交易C的写入同时依赖交易D和交易E（交易D与交易E在交易C之前已完成），并且交易B与交易C可并行写入。

在步骤S4中，共识节点按照预定的时间间隔生成一个新的区块，在这个区块中包含当前网络中已发生的所有存证和溯源交易，这些区块可以视为区块链的检查点，即网络当前状态的一个已知且经共识确认的稳定点。

通过将这些交易打包进区块，可以有效地简化全网节点的状态同步过程，节点不必每次都同步所有历史交易，只需从最近的区块开始，向前追溯并同步状态。

并且，当节点丢失数据或发生故障时，该区块能够帮助节点快速恢复到一致的状态，而不需要从头开始同步所有交易；此外，当有新节点加入时也可以从最近的区块开始同步，避免了长时间的历史交易验证，提升了节点加入和同步速度。

通过这一过程，有效维护了系统中数据的完整性和一致性。虽然存证溯源交易被打包到区块中，但这个过程并不涉及即时的业务逻辑执行，主要用于数据的存储和同步。因此，可以减少每个节点对实时交易的处理压力，也确保了存证溯源交易能够在后续验证或溯源时作为完整的参考。

设定一个时间限制，假设设定为半小时，半个小时之内的交易就是有效的，当交易的时间戳与当前区块的时间戳相比，超过设定的有效时间限制时，该交易将被视为无效交易，并且节点会拒绝该交易的处理。

本发明还提供了一种基于DAG的区块链并行存证溯源装置，包括交易发送模块、交易定序模块、交易并行写入模块、定期同步模块、以及交易时效性检查模块。

交易发送模块用于用户将需要存证的数据签名后作为交易发送至系统，系统生成唯一交易标识即交易Key字段，交易验证节点检查数据完整性及签名有效性，得到存证交易，该存证交易还包括字段：时间戳TimeStamp和存证信息Value。

交易定序模块用于根据存证交易的TimeStamp和交易Hash对交易进行定序，其中，若交易A引用交易B，则交易B的时序必须在A之前，通过节点间异步通信达成对交易顺序的共识。

交易并行写入模块用于并行验证交易的父节点的有效性及冲突情况，若通过验证，则将交易写入对应的账户链中。

定期同步模块用于定期将一段时间内的交易打包成新区块，将区块上链，作为全网同步的稳定参考点，以帮助节点快速恢复或加入。

交易时效性检查模块用于设定一个时间限制，并约定在该时间限制内的交易就是有效的，检查该交易的时间戳是否在当前区块时间戳的有效范围内，若交易时间戳超出有效期，节点则直接拒绝该交易。

本发明具有以下技术特点/优势：

并行处理与高效吞吐量。DAG结构通过并行处理交易和数据块，消除了顺序执行的瓶颈。多个交易可以同时上链，大幅提高了交易处理速度和系统的吞吐量，能够支持更高频率的数据存取和溯源需求。这种并行处理使得溯源过程更加高效，能够快速响应不同业务或商品的溯源请求。

灵活的数据关联和跨业务溯源。DAG结构通过有向无环图的形式，可以灵活地连接和关联不同类型的数据。例如，不同业务领域的交易、证书信息、物流信息等都可以在同一图中得到有效的关联，从而实现跨业务的溯源和数据共享。

新交易类型 - 存证交易。该交易类型不需要关注交易的连续性，也不在乎具体顺序，通过明确的依赖关系和时间戳记录，确保了即便交易处理顺序不同，最终上链的顺序依然能够反映数据的真实因果关系，避免了由于并行处理导致的数据不一致或溯源错误，确保交易上链的正确性，有效降低交易失败机率。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于DAG的区块链并行存证溯源方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、用户将需要存证的数据签名后作为交易发送至系统，系统生成唯一交易标识即交易Key字段，交易验证节点检查数据完整性及签名有效性，得到存证交易，该存证交易还包括字段：时间戳TimeStamp、存证信息Value、存证溯源业务地址NotionAddr、发送者地址From以及Hash值；

S2、根据存证交易的TimeStamp和交易Hash对交易进行定序，其中，若交易A引用交易B，则交易B的时序必须在A之前，通过节点间异步通信达成对交易顺序的共识；

S3、并行验证交易的父节点的有效性及冲突情况，若通过验证，则将交易写入对应的账户链中，之后更新本地账本；

S4、定期将一段时间内的交易打包成新区块，将区块上链，作为全网同步的稳定参考点，以帮助节点快速恢复或加入，共识确认后，全网节点基于新区块进行状态同步，

基于DAG的区块链由共识节点和见证节点组成，每个账户以账户链为单位完成交易事务，单独记账，按先后顺序形成链式结构，在一条账户链中，发送交易区块的同时，支持指向多笔已存在的交易，形成DAG结构，

根据存证交易的TimeStamp和交易Hash对交易进行定序，包括：根据各个交易的TimeStamp来寻找上链的顺序，时间越早顺序越靠前，当TimeStamp相同时，根据Hash值来排序，Hash值越小顺序越靠前。

2.根据权利要求1所述的基于DAG的区块链并行存证溯源方法，其特征在于，所述存证交易的哈希值Hash由交易Key、Value和TimeStamp进行hash运算生成。

3.根据权利要求1所述的基于DAG的区块链并行存证溯源方法，其特征在于，在交易定序之后，节点检查该交易的时间戳是否在当前区块时间戳的有效范围内，若交易时间戳超出有效期，节点则直接拒绝该交易。

4.根据权利要求1所述的基于DAG的区块链并行存证溯源方法，其特征在于，共识节点定期将一段时间内的交易打包成新区块包括：共识节点触发同步条件后，收集当前网络中已发生的所有存证和溯源交易，对收集到的交易生成默克尔树，计算默克尔根哈希，将默克尔根哈希与当前网络状态的其它关键信息结合，生成区块头，将区块头与交易列表打包成新的区块，并对区块进行签名形成新区块。

5.根据权利要求1所述的基于DAG的区块链并行存证溯源方法，其特征在于，区块上链包括：将新区块广播至全网供其他节点验证，当超过一定比例的节点对区块达成一致时，区块被确认为有效检查点，新区块被添加到区块链中，成为网络状态的稳定点。

6.根据权利要求1所述的基于DAG的区块链并行存证溯源方法，其特征在于，

所述区块中包括如下字段：父区块哈希值ParentHash、区块号Number、时间戳TimeStamp、交易列表Tx list。

7.一种基于DAG的区块链并行存证溯源装置，其特征在于，包括：

交易发送模块，用于用户将需要存证的数据签名后作为交易发送至系统，系统生成唯一交易标识即交易Key字段，交易验证节点检查数据完整性及签名有效性，得到存证交易，该存证交易还包括字段：时间戳TimeStamp、存证信息Value、存证溯源业务地址NotionAddr、发送者地址From以及Hash值；

交易定序模块，用于根据存证交易的TimeStamp和交易Hash对交易进行定序，其中，若交易A引用交易B，则交易B的时序必须在A之前，通过节点间异步通信达成对交易顺序的共识；

交易并行写入模块，用于并行验证交易的父节点的有效性及冲突情况，若通过验证，则将交易写入对应的账户链中，之后更新本地账本；

定期同步模块，用于定期将一段时间内的交易打包成新区块，将区块上链，作为全网同步的稳定参考点，以帮助节点快速恢复或加入，共识确认后，全网节点基于新区块进行状态同步；

交易时效性检查模块，用于设定一个时间限制，并约定在该时间限制内的交易就是有效的，检查该交易的时间戳是否在当前区块时间戳的有效范围内，若交易时间戳超出有效期，节点则直接拒绝该交易，

基于DAG的区块链由共识节点和见证节点组成，每个账户以账户链为单位完成交易事务，单独记账，按先后顺序形成链式结构，在一条账户链中，发送交易区块的同时，支持指向多笔已存在的交易，形成DAG结构，

根据存证交易的TimeStamp和交易Hash对交易进行定序，包括：根据各个交易的TimeStamp来寻找上链的顺序，时间越早顺序越靠前，当TimeStamp相同时，根据Hash值来排序，Hash值越小顺序越靠前。