WO2020113545A1

WO2020113545A1 - 基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法

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Publication number: WO2020113545A1
Application number: PCT/CN2018/119723
Authority: WO
Inventors: 李挥; 张昕淳; 邬江兴; 伊鹏; 朱伏生; 安辉耀; 李文军; 谢经宇
Original assignee: 北京大学深圳研究生院; 国家数字交换系统工程技术研究中心
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-06-11
Also published as: CN110945853B; CN110945853A

Abstract

本发明适用于区块链技术改进领域，提供了基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法，所述方法包括以下步骤：S1、利用区块链技术将网络中的内容进行标识、寻址生成多模标识网络；S2、将多模标识网络进行域划分构成层级化区块系统并通过PoV投票共识算法对每个区块系统进行管理；S3、多模标识网络根据区块链架构形成多模标识网络系统；S4、利用联盟链的共识算法对多模标识网络系统进行全网共识管理。引入多层次、分片化的区块链模型架构从而大幅度提高了系统的处理性能。各层级内的区块链网络节点都可以通过相应域内的管家节点以及委员节点快速访问其余各层区块链的相关路由信息。

Description

说明书

发明名称:基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法

技术领域

[0001] 本发明属于区块链技术改进领域，尤其涉及基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法。

背景技术

[0002] 随着现代科学技术的发展，互联网已经成为当今社会发展不可缺失的一环，其作为信息的一种载体，已经渗透到包括政治、经济、文化、教育、医疗卫生等人类生活的各种领域。全球域名系统 (Domain Name System， DNS) 作为现今互联网最为核心的基础设施，对其发展起到了极大的推动作用，其主要功能是完成域名到 IP地址之间的对应。因此， DNS是现在互联网体系架构中的“神经系统”，其根域名系统深刻影响着全球互联网的运行情况。近几年根服务器通过任播技术在全球广泛部署根服务器镜像，但其根服务器、域名、 AS号等关键互联网资源管理权仍属于美国商务部下属国家电信和信息管理局 (National

Telecommunications and Information Administration, NTIA) 。单一国家管理、中心化架构的 DNS给全球互联网安全带来巨大威胁。 2002年 DNS根服务器遭受大规模 DDoS攻击，导致全球域名寻址服务受到严重影响。同时， 5见有网络架构中 I P层所存在的“细腰”结构问题，成为制约信息网络总体功能的瓶颈。

[0003] 针对现有 DNS存在的中心化及 IP性能瓶颈的问题，近年来学术界也尝试使用分布式技术及多模路由技术来搭建去中心化的未来网络体系架构，其中以区块链技术为首的分布式共识机制成为研究重点。

[0004] 2008年，中本聪提出比特币，随着近年来的快速发展，作为其底层技术核心的区块链也随之进入人们的视线中。作为区块链技术核心的共识机制目前已经引起政府部门、金融机构、科技企业和资本市场的高度重视与广泛关注。在相关共识算法的研究中，工作量证明 (Proof of Work， PoW) 自比特币问世以来现已成为 P2P电子货币的主流思想，其通过算力竞争来保证全网信息的可靠性，但存在较为严重的算力浪费问题。因此，部分 Bitcointalk论坛中的数字货币爱好者提出了权益证明 (Proof of Stake， PoS) , 通过引入币龄来大幅度降低资源消耗，在此基础上， Larimer团队在 2014年 3月提出了股份授权证明 (Delegate Proof of Stake, DPoS) 算法进一步提升记账速度。但现阶段单一区块链的共识速度任然无法有效满足实际社会需求。相较于传统的中心化结算系统每秒万笔以上的吞吐量，区块链仍有较大的性能差距。因此，我们希望构建一种层级化的区块链网络，实现一个高通量、高内聚、低耦合的多模网络。其网络的核心在于层级化分片的区块链网络如何保证各层级区块链的连接以及数据的监护，并通过高效的共识机制来满足区块链网络所需求的庞大吞吐量。同时，维护分层区块链的层级化拓扑架构，让系统服务具有高效性、鲁棒性。

[0005] 2011年 8月 Daniel Kraft等人创立了 Namecoin项目，提出了基于区块链的域名系统、分布式域名存储、合并挖矿等若干解决方案，并且在网络安全性、可用性、矿工管理等方面进行了尝试。但由于存在算力集中、矿工抵抗升级、恶意域名注册等无法解决的问题，随后在 Namecoin的基础上建立了 Blockstack项目。 B1 ockstack系统维护一个独立的命名系统，作为一个逻辑层运行在底层的比特币区块链之上，且系统通过数据层和控制层的分离，提高区块链数据存储的限制。基于去中心化区块链技术的 Blockstack比传统的中心化域名服务器更安全，能支持域名管理，防止域名服务器缓存投毒，而且无需审核。

[0006] Blockstack通过它的网络节点把基础设施建立在区块链上。这些节点处理域名交易和域名所有人的密钥对，以及记录寻址后的域名。网络上的域名交易包括登记、转移和数据升级。这些域名操作通过交易加密存储在底层区块链上。如图 1所示。

[0007] Blockstack通过引入虚链层将原先 DNS路由中的控制部分以及数据部分进行分离，保证了模块间的低耦合性。同时，其架构有效地降低了传输层的数据流量，并且通过将虚链架设在比特币之上，保证了系统整体的安全性。

[0008] Blockstack的主要优点在于，第一，通过引入虚链层来保证了区块链的安全性以及稳定性；第二，提出了“验证上链，数据下链”的分布式存储思想，有效地降低了区块链节点的数据存储负载； [0009] Blockstack的主要缺点在于，第一，缺少必要的监管策略导致所有区块链节点都可以注册任意的网络域名标识，导致 Blockstack域名抢注非常严重；第二，在比特币之上架设虚链导致其性能受到比特币限制严重，系统可拓展性差。

[0010] 随着区块链 3.0的技术革新，在保证区块链本身公开、透明、防篡改特性的基础上，越来越多的科研机构和公司将研发重点放在了区块链性能上，期望其能够支持商业级别应用的高性能底层平台。因此， 2018年迅雷网络技术有限公司推出了迅雷链业务。迅雷链在原先区块链的基础上提出了同构多链的系统框架，即通过增加复数条相同架构的区块链将不同用户的请求定位到不同的链上来增加系统整体的 TPS。迅雷链认为，在单个区块链中，无论共识算法如何选择，其单链的性能总是有无法逾越的瓶颈。因此，如果想让区块链达到实际生产需求，多链是一个重要的发展方向。现阶段迅雷链的共享计算节点已有 150万多个，迅雷将其中一些网速稳定、传输顺畅同时计算能力也够强的节点挑选出来，形成一个 PBFT共识算法的备选池，并定期从中选择一些节点作为副本节点参与迅雷链的共识。当经过特定的系统设定时间区间后，系统将在 PBFT备选池中重新随机选取若干个副本节点进行下一阶段的记账，由此规避了 PBFT算法本身的一些短板。在数据存储方面，迅雷链通过引入冗余编码来规避传统区块链网络中全备份节点可能存在的数据存储压力，改为将存储数据拆分为若干份分别存储在分布式网络中。当用户需要恢复数据时，迅雷链系统将从分布式网络中抽取相应的冗余数据分片进行整合。

[0011] 迅雷链的主要优点在于，第一，通过引入同构多链技术来大幅度加速了区块链的 TPS，使其能满足现实生产需求；第二，提出了区块链数据分片冗余的思想，有效地降低了区块链节点的数据存储负载；

[0012] 迅雷链的主要缺点在于，迅雷链的顶层链与下层链采取了不同的共识算法，同时，由于顶层使用 PoW共识算法，其系统的整体性能受到限制。

[0013] 现阶段区块链技术的发展使得“去中心化”、 “不可篡改”、 “可溯源”的特性得以在众多系统中蓬勃发展，然而关于其核心共识算法的研究仍处于较为起步的阶段。 5见有的区块链共识机制在高效性和安全性之间的取舍无法取得很好的平衡。因此， 2017年北京大学深圳研究生院提出了一个用于联盟链的基于投票的共识算法。该共识算法针对效率和安全性平衡的问题，结合 PBFT类共识算法场景的安全性强以及代表类共识效率高的特点，设计了一个两段式提交的区块链共识算法，其核心思想在于将区块链生成区块过程中的记账权以及认证权相分离。第一阶段中，该共识算法中只有管家节点拥有提交区块链的权利，其提交的预区块需要经过全体委员节点对正确性的认证。第二阶段中，当前记账的管家节点只有在接收到超过半数的委员节点的认证之后才可将预区块打包成为正式区块在网络中发布。共识算法在一定范围内实现了 CAP约束，其单链记账的架构保证了系统的最终一致性；其通信复杂度在大规模部署下低于现阶段常用的联盟链共识算法；在网络只有两分区时可以保证系统的分区可用性。

[0014] 基于投票的共识算法的主要优势在于，第一，提出了一个可以大规模部署的联盟链共识算法，大幅度降低了系统在大规模部署时的复杂度并提高了系统的可用性；第二，分段式提交的共识算法降低了区块链网络产生区块的能耗，避免了多数共识算法存在的算力浪费问题。

[0015] 基于投票的共识算法的主要缺点在于，其共识算法的信任基石在于委员节点，算法的可拓展性及应用场景较为局限。

发明概述

技术问题

问题的解决方案

技术解决方案

[0016] 本发明的目的在于提供基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法，旨在利用区块链技术来实现多模网络标识产生、管理及路由寻址的去中心化；使用多层级化的区块链架构来提高整体系统的吞吐量以及拓展性，同时层级化结构赋予该系统可监管性，提高系统可用性以及减少系统的维护成本。

[0017] 本发明是这样实现的，基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法，所述方法包括以下步骤：

[0018] S1、利用区块链技术将网络中的内容进行标识、寻址生成多模标识网络；

[0019] S2、将多模标识网络进行域划分构成层级化区块链系统并通过 PoV投票共识算法对每个网络域进行管理； [0020] S3、多模标识网络根据区块链架构形成多模标识网络系统；

[0021] S4、利用联盟链的共识算法对多模标识网络系统进行全网共识管理。

[0022] 本发明的进一步技术方案是：所述多模标识网络系统根据联盟链的共识算法的全网共识管理自上而下分为控制层、路由层及数据层；所述控制层包括区块链管理子层及区块链控制子层；

[0023] 所述控制层包括区块链管理子层及区块链控制子层；

[0024] 所述区块链控制子层，用于完成区块信息校验并达成区块链共识后以区块形式记录域内的路由状态以及完成域内多模网络标识注册请求的认证；

[0025] 所述区块链管理子层，用于负责多模网络标识管理及寻址、系统权限管理及线下相结合的事务。

[0026] 本发明的进一步技术方案是：所述路由层，用于完成对 IP地址标识、内容标识、身份标识的多种网络标识的生成、管理及寻址并负责数据包的转发及过滤，同时各级节点依靠投票共识算法实现各层级区块链的数据一致性。

[0027] 本发明的进一步技术方案是：所述数据层包括区块链数据子层和云存储子层；

[0028] 所述区块链数据子层，用于存放多模网络标识路由寻址必需的数据，称为链上数据，其数据存储格式采用区块链链式存储；

[0029] 所述云存储子层，用于存放网络标识的全部信息，称为链下数据，其数据存储在本地数据库。

[0030] 本发明的进一步技术方案是：所述链上数据及所述链下数据采用哈希校验来保证数据的正确性及不可篡改性。

[0031] 本发明的进一步技术方案是：所述多模网络标识系统中顶层区块链作为下层区块链的数据交互入口。

[0032] 本发明的进一步技术方案是：所述多模网络标识系统架构模型中控制功能是位于控制层的一个管理功能，为管理面中的业务承载管理提供分布式数据存储、多模网络标识管理、高性能路由寻址的服务，在区块链多模网络标识系统中多模网络标识路由寻址由域内管家节点或委员节点完成，获取的数据实体存放在区块链之外。

[0033] 本发明的进一步技术方案是：所述多模网络标识系统中将转发平面与控制平面相分离，所述转发平面采用分域管理、逻辑分层及多模态重构完成数据包转发 ; 所述控制平面由负责管理转发网元的智能代理组成，所述智能代理负责本域内转发网元的多维感知、资源管理、网络可重构及多模网络标识的生成，负责域间的智能协调，完成域间寻路、标识映射、资源调度、维护的工作。

[0034] 本发明的进一步技术方案是：所述多模网络标识系统中的标识注册包括以下步骤：

[0035] S11、用户对能够被路由寻址的多模网络标识在系统中进行注册；

[0036] S12、本域联盟链对接收的用户标识注册请求进行审查认证注册标识区块并上传；

[0037] S13、上级区块链节点将接收的标识注册区块按照要求将其报文传输到其所在域控制器进行认证和注册；

[0038] S14、顶级联盟链节点接收下级区块链的标识注册区块后对数据进行校验并反馈原节点确认信号。

[0039] 本发明的进一步技术方案是：所述节点请求网络资源包括以下步骤：

[0040] S21、标识注册区块向就近的路由器传送兴趣包；

[0041] S22、就近路由器查询转发表判断查询的标识内容是否存放在本域联盟链中，如是，则并返回相应的标识内容，如否，则向上级多模网络标识服务器转发请求并执行下一步；

[0042] S23、上一级联盟链节点根据接收的查询请求，在联盟链中进行标识内容查询

，如查询到标识内容，返回标识内容给下一级联盟链节点，如查询不到标识内容，将查询请求转发给上一级联盟链节点，直到顶级联盟链节点；

[0043] S24、判断顶级联盟链服务器是否查询到相关已被注册网络标识，若查询到，则将自动根据现有网络的动态拓扑结构下发相关的最短路径，网络中的转发线路上的相关路由器将收到新的转发路径表，通过多跳路由建立数据传输通路，若查询不到，则执行步骤 S25 ;

[0044] S25、顶级联盟链节点根据标识的第一个前缀将查询请求下发至特定的联盟链

，到达查询请求所指定最下级联盟链节点进行本地查询；

[0045] S26、判断在最下级联盟链节点本地查询是否成功，若查询成功，则将相应的资源内容传递给查询请求方，若查询不成功，则反馈错误查询信息。

[0046] 本发明的另一目的在于提供基于联盟链投票共识算法产生及管理多模网络标识的系统，所述系统包括

[0047] 标识生成模块，用于利用区块链技术将网络中的内容进行标识、寻址生成多模标识网络；

[0048] 层级化管理模块，用于将多模标识网络进行域划分构成层级化区块链系统并通过 PoV投票共识算法对每个网络域进行管理；

[0049] 多模标识生成模块，用于多模标识网络根据区块链架构形成多模标识网络系统

[0050] 共识管理模块，用于利用联盟链的共识算法对多模标识网络系统进行全网共识管理。

[0051] 本发明的进一步技术方案是：所述多模标识网络系统根据联盟链的共识算法的全网共识管理自上而下分为控制层、路由层及数据层；所述控制层包括区块链管理子层及区块链控制子层；

[0052] 所述区块链控制子层，用于完成区块信息校验并达成区块链共识后以区块形式记录域内的路由状态以及完成域内多模网络标识注册请求的认证；

[0053] 所述区块链管理子层，用于负责多模标识网络管理及寻址、系统权限管理及线下相结合的事务。

[0054] 本发明的进一步技术方案是：所述路由层，用于完成对 IP地址标识、内容标识、身份标识的多种网络标识的生成、管理及路由寻找并负责数据包的转发及过滤，同时各级节点依靠投票共识算法实现各层级区块链的数据一致性。

[0055] 本发明的进一步技术方案是：所述数据层包括区块链数据子层和云存储子层；

[0056] 所述区块链数据子层，用于存放多模网络标识路由寻址必需的数据，称为链上数据，其数据存储格式采用区块链链式存储；

[0057] 所述云存储子层，用于存放网络标识的全部信息，称为链下数据，其数据存储在本地数据库。

[0058] 本发明的进一步技术方案是：所述链上数据及所述链下数据采用哈希校验来保证数据的正确性及不可篡改性。 [0059] 本发明的进一步技术方案是：所述多模网络标识系统中顶层区块链作为下层区块链的数据交互入口。

[0060] 本发明的进一步技术方案是：所述多模标识网络系统架构模型中控制功能是位于控制层的一个管理功能，为管理面中的业务承载管理提供分布式数据存储、多模网络标识管理、高性能路由寻址的服务，在区块链多模网络标识系统中多模网络标识路由寻址由域内管家节点或委员节点完成，获取的数据实体存放在区块链之外。

[0061] 本发明的进一步技术方案是：所述多模网络标识系统中将转发平面与控制平面相分离，所述转发平面采用分域管理、逻辑分层及多模态重构完成数据包转发 ; 所述控制平面由负责管理转发网元的智能代理组成，所述智能代理负责本域内转发网元的多维感知、资源管理、网络可重构及多模网络标识的生成，负责域间的智能协调，完成域间寻路、标识映射、资源调度、维护的工作。

[0062] 本发明的进一步技术方案是：所述多模网络标识系统中的标识注册包括

[0063] 标识注册请求单元，用于能够被寻址的用户向就近的多模标识网络节点申请标识注册请求；

[0064] 审查认证注册标识单元，用于本域联盟链对接收的用户标识注册请求进行审查认证注册标识区块并上传；

[0065] 认证和注册单元，用于上级区块链节点将接收的标识注册区块按照要求将其报文传输到其所在域控制器进行认证和注册；

[0066] 校验反馈单元，顶级联盟链节点接收下级区块链的标识注册区块后对数据进行校验并反馈原节点确认信号。

[0067] 本发明的进一步技术方案是：所述节点请求网络资源包括以下步骤：

[0068] 兴趣包传送单元，用于标识注册节点向就近的路由器传送兴趣包；

[0069] 本地标识数据查询单元，用于就近路由器查询转发表判断查询的标识内容是否存放在本域联盟链中，如是，则并返回相应的标识内容，如否，则向上级多模网络标识服务器转发请求并执行请求查询传输单元；

[0070] 请求查询传输单元，用于上一级联盟链节点根据接收的查询请求，在联盟链中进行标识内容查询，如查询到标识内容，返回标识内容给下一级联盟链节点，如查询不到标识内容，将查询请求转发给上一级联盟链节点，直到顶级联盟链节点；

[0071] 判断单元，用于判断顶级联盟链服务器是否查询到相关已被注册网络标识，若查询到，则将自动根据现有网络的动态拓扑结构下发相关的最短路径，网络中的转发线路上的相关路由器将收到新的转发路径表，通过多跳路由建立数据传输通路，若查询不到，则执行转发查询单元；

[0072] 转发查询单元，用于顶级联盟链节点根据标识的第一个前缀将查询请求下发至特定的联盟链，到达查询请求所指定最下级联盟链节点进行本地查询；

[0073] 查询成功判断单元，用于判断在最下级联盟链节点本地查询是否成功，若查询成功，则将相应的资源内容传递给查询请求方，若查询不成功，则反馈错误查询信息。

发明的有益效果

有益效果

[0074] 本发明的有益效果是：引入多层次、分片化的区块链模型架构从而大幅度提高了系统的处理性能；多层级的区块链可以通过相应域内的管家节点以及委员节点快速访问其余各层级区块链的相关路由信息；由于域内管理节点维护了本地域内的全部区块链数据，所以域内的任何客户端均可以通过域内管理节点进行信息获取；通过引入投票共识机制对网络标识信息进行有效地监管，避免了网络标识信息被恶意抢注；使用了多模网络，避免了传统网络 IP细腰的结构性的缺陷。

对附图的简要说明

附图说明

[0075] 图 1是本发明实施例提供的 Blockstack系统的结构示意图。

[0076] 图 2是本发明实施例提供的基于联盟链投票共识技术管理的多模网络标识系统的整体架构示意图。

[0077] 图 3是本发明实施例提供的多模网络系统网络标识注册与查询流程示意图。

发明实施例本发明的实施方式

[0078] 如图 2、 3所示，本发明提供的基于联盟链投票共识技术管理的多模网络标识系统，其详述如下：

[0079] 本发明—一种用于多模网络标识产生及管理的可扩展联盟链投票共识方法和系统，提出了一套用于多模网络标识寻址的多层级化联盟链系统。利用区块链技术来实现多模网络标识产生、管理及路由寻址的去中心化；使用多层级化的区块链架构来提高整体系统的吞吐量以及拓展性，同时层级化结构赋予该系统可监管性，提高系统可用性以及减少系统的维护成本。

[0080] 一种用于多模网络标识产生及管理的可扩展联盟链投票共识方法和系统满足以下几点特性：

[0081] ( 1) 通过分层分片的层级化结构来搭建整体网络标识系统，由顶层区块链作为下层区块链的数据交互入口。各层级区块链因管理方式的不同，其实现细节可以不同，通过低耦合的方式来保证系统之间的安全性以及实现各层级之间的特殊性以及定制性。 (2) 网络标识管理系统采用联盟链的共识算法来达成全网共识。联盟链仅对联盟内的节点开放发起交易权，通过合理的权限管理可以更好的进行网络标识的日常运维，防止传统区块链域名系统的恶意抢注现象。

(3) 用户不参与系统的网络标识注册过程，同时也并不知道整体系统的架构以及相应的节点负载。用户网络标识的注册需要由经过联盟链认证的相关机构以及组织提交并代为注册，整体的系统注册流程对用户透明。 (4) 网络标识数据的存储同样采用分层化的方案在区块链系统中存储，对应域的服务器将在本地保存该网络域内的全部的网络标识信息，并将必要的标识路由信息提交到区块链中以完成网络标识的注册。

[0082] 系统总体架构

[0083] 本发明提出的共管共治的多模网络标识系统的整体系统架构参考模型如图 2所示。这是一种新型的网络功能分层模型。在数据层面，它具有一个高效的分布式关系数据库，而在控制层面，依靠区块链本身的数据结构增性日志特性引入了分布式的全网内容统一、极强的不易篡改性及可追溯性，增强了系统整体的安全性。 [0084] 系统自上而下分为控制层、路由层以及数据层。其中控制层又分为区块链管理子层及区块链控制子层。区块链控制子层完成区块信息校验并达成区块链共识后以区块形式记录域内的路由状态以及完成域内多模网络标识注册请求的认证等，区块链管理子层负责多模网络标识管理及寻址、系统权限管理及线下相结合的事务。路由层完成对 IP地址标识、内容标识、身份标识等多种网络标识的生成、管理及寻址并负责数据包的转发及过滤，同时各级节点依靠投票共识算法实现各层级区块链的数据一致性。系统最底层为数据层，其中包括区块链数据子层和云存储子层。区块链数据子层存放多模网络标识路由寻址必需的数据，称为链上数据，其数据存储格式采用区块链链式存储。云存储子层存放网络标识的全部信息，称为链下数据，其数据存储在本地数据库。链上数据及链下数据采用哈希校验来保证数据的正确性及不可篡改性。系统采用“校验上链、数据下链”的存储策略，合理地利用了区块链擅长认证及交易的特性，同时避免了区块链数据查询所存在的缺陷，有效提高了整体系统的服务效率。

[0085] 基于区块链的多模网络标识系统架构模型中的控制功能是位于网络控制层的一个网络管理功能。它为管理面中的业务承载管理提供了分布式数据域名存储、多模网络标识管理、高性能路由寻址等服务。作为基于区块链的多模网络标识系统，其多模网络标识路由寻址由域内管家节点或委员节点完成，获取的数据实体存放在区块链之外，这样一方面减轻了区块链节点的存储压力，另一方面能直接为标识寻址服务提供高性能的数据访问以及认证。

[0086] 依靠区块链网络节点的高性能共识机制可以对全网的域名进行统一管理以及控制器域内节点智能感知分析，当某一个标识寻址服务不可达宕机时区块链数据库可以对该宕机标识进行感知并查询相对应的同内容的其他网络标识以及全网资源的特征以及动态行为进行感知，将原标识替换为新的路由标识以完成路由寻址服务，从而为多模网络标识路由的功能提供底层基础支援组件功能。

[0087] 系统业务流程

[0088] 本发明所构建的一种用于多模网络标识产生及管理系统架构中，将转发平面与控制平面相分离。转发平面的网元功能相对单一，采取分域管理、逻辑分层及多模态重构完成数据包转发，支持业务普适；控制平面主要由负责管理转发网元的智能代理组成，智能代理一方面要负责本域内转发网元的多维感知、资源管理、网络可重构，以及多模网络标识的生成，另一方面负责域间的智能协调，完成域间寻路、标识映射、资源调度、维护等工作。

[0089] 标识注册步骤如下：

[0090] 步骤 1. 注册标识。在新构建的融合区块链的共管共治的多模网络标识系统中，任何能被路由寻址的标识都需要事先在网络中进行注册。只有当标识通过联盟链的认证并分配相应标识之后，该资源才能被网络中其他节点访问。

[0091] 步骤 2. 联盟链节点认证。本域联盟链在接收到用户传输的标识注册请求之后

，联盟链节点将对其内容进行相关审查，并通过 PoV共识算法对该通过的资源标识进行注册。随后将产生的标识注册区块上传至上一级联盟链并加上本地的标识前缀。

[0092] 步骤 3. 标识注册区块传输。当上一级区块链节点接收到标识注册区块之后，按照一定的路由协议将其注册标识报文传输到其所在域的控制器进行后续认证及注册操作。

[0093] 步骤 4. 标识校验。顶级联盟链节点在接收到二级区块链的标识注册区块之后，将对该区块内的数据进行校验并将返回给原申请节点相应的确认信号。由于采用区块链数据库与区块内容相分离的原则，原标识信息将存储在顶级域名的区块链数据库之上，每当有一个记账完成之时，全网将进行相应的区块链数据库同步工作以确认各个顶级域名之间的资源标识信息对等且统一。

[0094] 网络资源请求流程如下：

[0095] 步骤 1. 向最近的路由器传送兴趣（Interest）包。当请求的内容已获得网络注册时，客户端即可使用相应的统一资源标识符（Uniform Resource

Identifier, URl）获取所需要的资源数据（Data）包。

[0096] 步骤 2. 本地标识数据查询。当最近的路由器接收到用户所发出的请求之后，通过查询转发表来确定是否要向上级域名服务器转发请求。如果相应的标识内容已存放在本域联盟链中，即返回相应的标识内容，否则，进行步骤 3。

[0097] 步骤 3. 请求查询传输。当本域联盟链数据库内没有相应的标识内容时，将此查询请求上传至上一级联盟链节点之中。上一级联盟链节点在接受到下一级所发送的查询请求之后，将按照步骤 1至步骤 2进行查询。如果查询到相应的标识内容，将返回给相应的内容标识给下一级联盟链节点，否则，将此查询请求接着传递给上一级联盟链节点，直到顶级联盟链节点。

[0098] 步骤 4. 标识查询验证。若顶级联盟链服务器查询到相关已被注册标识，则自动根据现有网络的动态拓扑结构来下发相关的最短路径。网络中的转发线路上的相关路由器将收到新的转发路径表，通过多跳路由建立数据传输通路。若顶级联盟链节点未查询到相应的标识，进行步骤 5。

[0099] 步骤 5. 标识请求下发。顶级联盟链节点根据标识的第一个前缀对查询请求进行下发至特定的联盟链，直至到达查询请求所指定的最下级联盟链节点进行本地查询。若成功查询到相应标识内容，则将相应的资源内容传递给查询请求方，否则，返回查询错误信息。如图 3所示。

[0100] 区块链共识机制

[0101] 本发明所构建的一种用于多模网络标识产生及管理系统架构中，将基于投票证明的共识机制作为区块链的共识机制。基于投票证明的共识机制将区块链系统的节点分为用户、管家候选、管家和委员四种身份，其中管家节点负责产生区块，委员节点负责验证区块和投票选举出管家节点，因此委员节点是整个区块链系统的中心，不同委员节点之间实现去中心化，从而实现联盟间的多方共管和降低共识过程所需的通信复杂度。用户节点可以自愿申请成为管家候选节点，委员节点从管家候选节点中选出固定数量的管家节点来负责在一个任职周期中轮流产生区块，管家候选节点也可以自愿退出管家候选的身份而转变成为普通节点。普通用户在获得半数以上委员同意后可以申请成为委员节点，委员节点也可以自愿退出委员的身份从而转变为用户节点。基于投票证明的共识机制的运行过程以共识周期为单位，每个共识周期中产生的区块是一个人为设定的固定值，记为

，产生的前 - 1 个区块为普通区块，存储了普通交易，第

% 个区块为特殊区块，存储了管家节点的选举交易。每个区块中指定了下一共识周期负责产生区块的管家。

[0102] 各个身份转换流程如下：

[0103] 用户申请成为管家候选。

[0104] 1、用户节点向任意一个委员节点请求获取推荐信。

[0105] 2、用户节点将推荐信和申请信息签名后发送给所有委员节点。

[0106] 3、接收到推荐信和申请信息的委员节点验证推荐信的有效性，若验证通过，则对申请信息进行签名并把签名发送给用户节点，否则，不作任何处理。

[0107] 4、用户节点获取半数以上的委员签名后将推荐信、申请信息和半数以上的委员签名封装为交易并发布该交易。

[0108] 二、用户申请成为委员。

[0109] 1、用户发送申请信息给所有委员节点。

[0110] 2、若委员节点同意该用户成为委员，则对申请信息进行签名并把签名发送给该用户，否则不做任何处理。

[0111] 3、用户收集到半数以上的委员签名后将签名及申请信息封装成为一个交易发布到网络中。

[0112] 三、退出管家候选。

[0113] 1、管家候选发布包含自身签名的退出管家候选申请交易到网络中。

[0114] 四、退出委员候选。

[0115] 1、委员发布包含自身签名的退出委员候选申请交易到网络中。

[0116] 五、选举管家。

[0117] 1、委员节点从管家候选中选择一批固定数量的管家候选名单作为选票交易发送给所有管家节点。

[0118] 2、负责打包区块的管家在收集到所有的委员投票后统计票数，获票数最多的管家序列当选下一任管家团队，当值管家将选举结果封装在预区块中。

[0119] 共识过程流程如下：

[0120] 1、负责产生区块的管家从交易池中选取一定数量的交易打包进预区块中并将预区块发送给所有委员请求签名。

[0121] 2、委员验证预区块的正确性，若验证通过，则对区块头进行签名并发回管家节点。否则不做任何处理。

[0122] 3、管家节点收集到半数以上委员签名后将签名列表存放进区块头中，加上时间戳后发布区块。

[0123] 多模网络标识的更新及修改：在多模标识网络系统中，由于数据存储在区块链上，因此在系统中对多模网络标识的修改视为一个新标识的注册过程。

[0124] 多模网络标识的删除：在多模网络标识系统中，由于数据存储在区块链上，链上数据无法被删除或者修改。因此区块链系统将人为的设置区块有效期，其存续时间参考现有 _DNS域名寻址系统。超出系统设置时间未重新对域名标识进行更新的话，系统将自动删除过期区块，同时线下数据库也将删除线下数据。此时多模网络标识将自动失效。

[0125] 系统性能描述

[0126] 本发明所设计的多层次化、分片化区块链系统解决了现阶段区块链系统所存在的系统吞吐量不足的痛点问题。以多模网络系统在中国范围内部署为例对整体性能进行评估：参考中国现阶段的行政级别，以中国现有的 294个地级市作为多层级区块链的基础层，其以主要的网络运营商为联盟链管家节点，相应政府网络管理办为该联盟链的委员节点，每个地级市预计至少部署 10条多模网络标识管理的联盟链，以 PoV投票共识算法作为测试基准，其单链的 TPS在 500左右。因此，对每个地级市而言，多层级的区块链系统架构其 TPS至少为 5000。行政级别较高的行政主体处于多层级区块链中的较高层，例如，省级单位所在的区块链为市级单位所在区块链的上层链，并提供相应的索引接口以提供网络标识的快速查询。在多层级区块链架构中，在国家顶级链节点中，工信部相关管理单位以及大型域名寻址公司作为中国的网络标识区块链的顶层节点。全中国域内的多层次化、分片化区块链架构中预计多模网络标识处理的 TPS为 147万次每秒。同时考虑网络带宽以及传输信道延迟等问题，整体的系统性能约为 117万次每秒。

[0127] 本发明的另一目的在于提供基于联盟链投票共识算法产生及管理多模网络标识的系统，所述系统包括

[0128] 标识生成模块，用于利用区块链技术将网络中的内容进行标识、寻址生成多模标识网络；

[0129] 层级化管理模块，用于将多模标识网络进行域划分构成层级化区块链系统并通过 PoV投票共识算法对每个网络域进行管理；

[0130] 多模标识生成模块，用于多模标识网络根据区块链架构形成多模标识网络系统

[0131] 共识管理模块，用于利用联盟链的共识算法对多模标识网络系统进行全网共识管理。

[0132] 所述多模标识网络系统根据联盟链的共识算法的全网共识管理自上而下分为控制层、路由层及数据层；所述控制层包括区块链管理子层及区块链控制子层；

[0133] 所述区块链控制子层，用于完成区块信息校验并达成区块链共识后以区块形式记录域内的路由状态以及完成域内多模网络标识注册请求的认证；

[0134] 所述区块链管理子层，用于负责多模标识网络管理及寻址、系统权限管理及线下相结合的事务。

[0135] 所述路由层，用于完成对 IP地址标识、内容标识、身份标识的多种网络标识的生成、管理及路由寻找并负责数据包的转发及过滤，同时各级节点依靠投票共识算法实现各层级区块链的数据一致性。

[0136] 所述数据层包括区块链数据子层和云存储子层；

[0137] 所述区块链数据子层，用于存放多模网络标识路由寻址必需的数据，称为链上数据，其数据存储格式采用区块链链式存储；

[0138] 所述云存储子层，用于存放网络标识的全部信息，称为链下数据，其数据存储在本地数据库。 [0139] 所述链上数据及所述链下数据采用哈希校验来保证数据的正确性及不可篡改性

[0140] 所述多模网络标识系统中顶层区块链作为下层区块链的数据交互入口。

[0141] 所述多模标识网络系统架构模型中控制功能是位于控制层的一个管理功能，为管理面中的业务承载管理提供分布式数据存储、多模网络标识管理、高性能路由寻址的服务，在区块链多模网络标识系统中多模网络标识路由寻址由域内管家节点或委员节点完成，获取的数据实体存放在区块链之外。

[0142] 所述多模网络标识系统中将转发平面与控制平面相分离，所述转发平面采用分域管理、逻辑分层及多模态重构完成数据包转发；所述控制平面由负责管理转发网元的智能代理组成，所述智能代理负责本域内转发网元的多维感知、资源管理、网络可重构及多模网络标识的生成，负责域间的智能协调，完成域间寻路、标识映射、资源调度、维护的工作。

[0143] 所述多模网络标识系统中的标识注册包括

[0144] 标识注册请求单元，用于能够被寻址的用户向就近的多模标识网络节点申请标识注册请求；

[0145] 审查认证注册标识单元，用于本域联盟链对接收的用户标识注册请求进行审查认证注册标识区块并上传；

[0146] 认证和注册单元，用于上级区块链节点将接收的标识注册区块按照要求将其报文传输到其所在域控制器进行认证和注册；

[0147] 校验反馈单元，顶级联盟链节点接收下级区块链的标识注册区块后对数据进行校验并反馈原节点确认信号。

[0148] 所述节点请求网络资源包括以下步骤：

[0149] 兴趣包传送单元，用于标识注册节点向就近的路由器传送兴趣包；

[0150] 本地标识数据查询单元，用于就近路由器查询转发表判断查询的标识内容是否存放在本域联盟链中，如是，则并返回相应的标识内容，如否，则向上级多模网络标识服务器转发请求并执行请求查询传输单元；

[0151] 请求查询传输单元，用于上一级联盟链节点根据接收的查询请求，在联盟链中进行标识内容查询，如查询到标识内容，返回标识内容给下一级联盟链节点，如查询不到标识内容，将查询请求转发给上一级联盟链节点，直到顶级联盟链节点；

[0152] 判断单元，用于判断顶级联盟链服务器是否查询到相关已被注册网络标识，若查询到，则将自动根据现有网络的动态拓扑结构下发相关的最短路径，网络中的转发线路上的相关路由器将收到新的转发路径表，通过多跳路由建立数据传输通路，若查询不到，则执行转发查询单元；

[0153] 转发查询单元，用于顶级联盟链节点根据标识的第一个前缀将查询请求下发至特定的联盟链，到达查询请求所指定最下级联盟链节点进行本地查询；

[0154] 查询成功判断单元，用于判断在最下级联盟链节点本地查询是否成功，若查询成功，则将相应的资源内容传递给查询请求方，若查询不成功，则反馈错误查询信息。

[0155] 本发明—种用于多模网络标识产生及管理的结构化分片分层分布式的高通量联盟链投票共识算法，解决了许多现阶段区块链存在的痛点问题：（1）引入多层次、分片化的区块链模型架构从而大幅度提高了系统的处理性能。（2）多层级的区块链可以通过相应域内的管家节点以及委员节点快速访问其余各层级区块链的相关路由信息。（3）由于域内管理节点维护了本地域内的全部区块链数据，所以域内的任何客户端均可以通过域内管理节点进行快速路由信息获取。

（4）通过引入投票共识机制对网络标识信息进行有效地监管，避免了网络标识信息被恶意抢注。（5）使用了多模网络，避免了传统网络 IP细腰的结构性的缺陷。

[0156] 在本发明中，通过（1）使用分布式、去中心化的区块链技术作为多模网络模型的路由数据存储、查询底层技术，避免了传统 DNS域名系统的中心化的安全威胁。（2）通过多条区块链层级化、分片化管理来提供一个完整、高效的网络标识路由寻址服务。（3）提供了完整的多模网络标识管理的技术解决方案，构建一个基于区块链技术的完整的网络标识管理模块。（4）提供了一个多层级化、分片化的区块链数据管理方案，大幅度提升了原先区块链的系统处理性能。

[0157] 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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

权利要求书

[权利要求 1] 基于联盟链投票共识算法产生及管理多模网络标识的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

si、利用区块链技术将网络中的内容进行标识、寻址生成多模标识网络；

52、将多模标识网络进行域划分构成层级化区块链系统并通过 PoV投票共识算法对每个网络域进行管理；

53、多模标识网络根据区块链架构形成多模标识网络系统；

54、利用联盟链的共识算法对多模标识网络系统进行全网共识管理。

[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法，其特征在于，所述多模标识网络系统根据联盟链的共识算法的全网共识管理自上而下分为控制层、路由层及数据层；所述控制层包括区块链管理子层及区块链控制子层；

所述区块链控制子层，用于完成区块信息校验并达成区块链共识后以区块形式记录域内的路由状态以及完成域内多模网络标识注册请求的认证；

所述区块链管理子层，用于负责多模标识网络管理及寻址、系统权限管理及线下相结合的事务。

[权利要求 3] 根据权利要求 1或 2所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法，其特征在于，所述路由层，用于完成对 IP地址标识、内容标识、身份标识的多种网络标识的生成、管理及路由寻找并负责数据包的转发及过滤，同时各级节点依靠投票共识算法实现各层级区块链的数据一致性。

[权利要求 4] 根据权利要求 1-3任一项所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法，其特征在于，所述数据层包括区块链数据子层和云存储子层；

所述区块链数据子层，用于存放多模网络标识路由寻址必需的数据，称为链上数据，其数据存储格式采用区块链链式存储；所述云存储子层，用于存放网络标识的全部信息，称为链下数据，其数据存储在本地数据库。

[权利要求 5] 根据权利要求 4所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法，其特征在于，所述链上数据及所述链下数据采用哈希校验来保证数据的正确性及不可篡改性。

[权利要求 6] 根据权利要求 5所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法，其特征在于，所述多模网络标识系统中顶层区块链作为下层区块链的数据交互入口。

[权利要求 7] 根据权利要求 6所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法，其特征在于，所述多模标识网络系统架构模型中控制功能是位于控制层的一个管理功能，为管理面中的业务承载管理提供分布式数据存储、多模网络标识管理、高性能路由寻址的服务，在区块链多模网络标识系统中多模网络标识路由寻址由域内管家节点或委员节点完成，获取的数据实体存放在区块链之外。

[权利要求 8] 根据权利要求 7所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法，其特征在于，所述多模网络标识系统中将转发平面与控制平面相分离，所述转发平面采用分域管理、逻辑分层及多模态重构完成数据包转发；所述控制平面由负责管理转发网元的智能代理组成，所述智能代理负责本域内转发网元的多维感知、资源管理、网络可重构及多模网络标识的生成，负责域间的智能协调，完成域间寻路、标识映射、资源调度、维护的工作。

[权利要求 9] 根据权利要求 1-8任一项所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法，其特征在于，所述多模网络标识系统中的标识注册包括以下步骤：

511、能够被寻址的用户向就近的多模标识网络节点申请标识注册请求；

512、本域联盟链对接收的用户标识注册请求进行审查认证注册标识区块并上传； 513、上级区块链节点将接收的标识注册区块按照要求将其报文传输到其所在域控制器进行认证和注册；

514、顶级联盟链节点接收下级区块链的标识注册区块后对数据进行校验并反馈原节点确认信号。

[权利要求 10] 根据权利要求 9所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法，其特征在于，所述节点请求网络资源包括以下步骤：

521、标识注册节点向就近的路由器传送兴趣包;

522、就近路由器查询转发表判断查询的标识内容是否存放在本域联盟链中，如是，则并返回相应的标识内容，如否，则向上级多模网络标识服务器转发请求并执行下一步；

523、上一级联盟链节点根据接收的查询请求，在联盟链中进行标识内容查询，如查询到标识内容，返回标识内容给下一级联盟链节点，如查询不到标识内容，将查询请求转发给上一级联盟链节点，直到顶级联盟链节点；

524、判断顶级联盟链服务器是否查询到相关已被注册网络标识，若查询到，则将自动根据现有网络的动态拓扑结构下发相关的最短路径，网络中的转发线路上的相关路由器将收到新的转发路径表，通过多跳路由建立数据传输通路，若查询不到，则执行步骤 S25 ;

525、顶级联盟链节点根据标识的第一个前缀将查询请求下发至特定的联盟链，到达查询请求所指定最下级联盟链节点进行本地查询；

526、判断在最下级联盟链节点本地查询是否成功，若查询成功，则将相应的资源内容传递给查询请求方，若查询不成功，则反馈错误查询信息。

[权利要求 11] 基于联盟链投票共识算法产生及管理多模网络标识的系统，其特征在于，所述系统包括

标识生成模块，用于利用区块链技术将网络中的内容进行标识、寻址生成多模标识网络；

层级化管理模块，用于将多模标识网络进行域划分构成层级化区块链系统并通过 PoV投票共识算法对每个网络域进行管理；多模标识生成模块，用于多模标识网络根据区块链架构形成多模标识网络系统；

共识管理模块，用于利用联盟链的共识算法对多模标识网络系统进行全网共识管理。

[权利要求 12] 根据权利要求 11所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的系统，其特征在于，所述多模标识网络系统根据联盟链的共识算法的全网共识管理自上而下分为控制层、路由层及数据层；所述控制层包括区块链管理子层及区块链控制子层；

[权利要求 13] 根据权利要求 11或 12所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法，其特征在于，所述路由层，用于完成对 IP地址标识、内容标识、身份标识的多种网络标识的生成、管理及路由寻找并负责数据包的转发及过滤，同时各级节点依靠投票共识算法实现各层级区块链的数据一致性。

[权利要求 14] 根据权利要求 11-13任一项所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的系统，其特征在于，所述数据层包括区块链数据子层和云存储子层；

所述区块链数据子层，用于存放多模网络标识路由寻址必需的数据，称为链上数据，其数据存储格式采用区块链链式存储；

所述云存储子层，用于存放网络标识的全部信息，称为链下数据，其数据存储在本地数据库。

[权利要求 15] 根据权利要求 14所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的系统，其特征在于，所述链上数据及所述链下数据采用哈希校验来保证数据的正确性及不可篡改性。

[权利要求 16] 根据权利要求 15所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的系统，其特征在于，所述多模网络标识系统中顶层区块链作为下层区块链的数据交互入口。

[权利要求 17] 根据权利要求 16所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的系统，其特征在于，所述多模标识网络系统架构模型中控制功能是位于控制层的一个管理功能，为管理面中的业务承载管理提供分布式数据存储、多模网络标识管理、高性能路由寻址的服务，在区块链多模网络标识系统中多模网络标识路由寻址由域内管家节点或委员节点完成，获取的数据实体存放在区块链之外。

[权利要求 18] 根据权利要求 17所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的方法，其特征在于，所述多模网络标识系统中将转发平面与控制平面相分离，所述转发平面采用分域管理、逻辑分层及多模态重构完成数据包转发；所述控制平面由负责管理转发网元的智能代理组成，所述智能代理负责本域内转发网元的多维感知、资源管理、网络可重构及多模网络标识的生成，负责域间的智能协调，完成域间寻路、标识映射、资源调度、维护的工作。

[权利要求 19] 根据权利要求 11-18任一项所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的系统，其特征在于，所述多模网络标识系统中的标识注册包括

标识注册请求单元，用于能够被寻址的用户向就近的多模标识网络节点申请标识注册请求；

审查认证注册标识单元，用于本域联盟链对接收的用户标识注册请求进行审查认证注册标识区块并上传；

认证和注册单元，用于上级区块链节点将接收的标识注册区块按照要求将其报文传输到其所在域控制器进行认证和注册；

校验反馈单元，顶级联盟链节点接收下级区块链的标识注册区块后对数据进行校验并反馈原节点确认信号。 [权利要求 20] 根据权利要求 19所述的基于联盟链投票共识算法产生及管理多模标识网络的系统，其特征在于，所述节点请求网络资源包括以下步骤：兴趣包传送单元，用于标识注册节点向就近的路由器传送兴趣包；本地标识数据查询单元，用于就近路由器查询转发表判断查询的标识内容是否存放在本域联盟链中，如是，则并返回相应的标识内容，如否，则向上级多模网络标识服务器转发请求并执行请求查询传输单元请求查询传输单元，用于上一级联盟链节点根据接收的查询请求，在联盟链中进行标识内容查询，如查询到标识内容，返回标识内容给下一级联盟链节点，如查询不到标识内容，将查询请求转发给上一级联盟链节点，直到顶级联盟链节点；

判断单元，用于判断顶级联盟链服务器是否查询到相关已被注册网络标识，若查询到，则将自动根据现有网络的动态拓扑结构下发相关的最短路径，网络中的转发线路上的相关路由器将收到新的转发路径表，通过多跳路由建立数据传输通路，若查询不到，则执行转发查询单元；

转发查询单元，用于顶级联盟链节点根据标识的第一个前缀将查询请求下发至特定的联盟链，到达查询请求所指定最下级联盟链节点进行本地查询；

查询成功判断单元，用于判断在最下级联盟链节点本地查询是否成功，若查询成功，则将相应的资源内容传递给查询请求方，若查询不成功，则反馈错误查询信息。