技术领域

[0001] 本发明属于互联网技术改进领域， 尤其涉及一种多层级区块链系统之间索引与 链拓扑结构的维护方法。

背景技术

[0002] 2008年 11月 1日， 一个自称中本聪 (Satoshi Nakamoto)的人在一个隐秘的密码学 讨论组上贴出了一篇研究报告， 报告阐述了他对电子货币的新构想一比特币 就此问世。 而剥离比特币的经济属性， 其依托的区块链技术， 具有非常好的应 用前景。 起源自比特币的区块链是用分布式数据库识别 、 传播和记载信息的智 能化对等网络， 它是一串使用密码学方法相关联产生的数据块 ， 每一个数据块 中包含了若干次比特币网络交易的信息， 用于验证其信息的有效性 （防伪） 和 生成下一个区块。 在区块链网络中， 没有核心节点， 所有节点的功能、 权益都 是一样， 所有节点使用一种共识的算法争做下一轮的记 账人。

[0003] 在这种网络中， 所有的节点都遵循既定的规则， 所有的结果都要经过多数节点 确认。 通过这样的架构形式， 确保了分布式系统在拜占庭将军问题下依旧能 够 达成最终一致性。 基于这种技术思想， 我们希望能够通过多层级的区块链串联 的方式， 实现一个高内聚， 低耦合的服务系统。 而其中核心的问题在与如何将 多条区块链的连接， 同吋怎样去维护区块链的拓扑架构， 让提供的服务具有高 效性， 可用性与健壮性。

[0004] 目前基于比特币延伸出的楔入式侧链技术 （pegged sidechains) ， 就像英镑 挂钩到金条一样。 侧链是以融合的方式实现加密货币金融生态的 目标， 而不是 像其它加密货币一样排斥现有的系统。 它将实现比特币和其他数字资产在多个 区块链间的转移， 这就意味着用户们在使用他们已有资产的情况 下， 就可以访 问新的加密货币系统。 可以存在多个链接到比特币上的侧链， 特性和目的各不 相同， 所有这些侧链依赖于比特币主区块链保障的弹 性和稀缺性。 在这基础上 ， 侧链技术进一步扩展了区块链技术的应用范围 和创新空间， 使传统区块链可 以支持多种资产类型， 以及小微支付、 智能合约、 安全处理机制、 真实世界财 产注册等， 并可以增强区块链的隐私保护。

技术问题

[0005] 现有的楔入式侧链技术存在着一些缺陷。

[0006] a. 过度耦合： 过度依赖比特币的主区块链， 将一切安全性与一致性的保障依 托于比特币的主区块链， 但由于比特币设计之初并没有考量楔入式侧链 的存在

， 导致跨链的流程复杂且耦合度极高。

[0007] b. 功能局限： 沿用了比特币通过密码货币的设计， 功能点集中于资产运作， 账户管理， 过于局限了区块链本身能够提供的服务。 并没有发挥区块链本身模 块化， 功能可定制化的特性。

[0008] c 管理混乱： 各个侧链对于下层区块链定义与执行逻辑各不 相同， 没有统一 定位的标准接口， 并没有统一的维护的方式。

问题的解决方案

技术解决方案

[0009] 本发明的目的在于提供一种多层级区块链系统 之间索引与链拓扑结构的维护方 法， 旨在解决的问题。

[0010] 本发明是这样实现的， 一种多层级区块链系统之间索引与链拓扑结构 的维护方 法， 所述维护方法包括以下步骤：

[0011] A、 顶层区块链通过在区块的交易记录中记录下一 个种子节点索引下层区块链

[0012] B、 维护一个分布式监控集群定期对顶级区块链中 记录的种子节点列表下对应 I

P地址与端口的可用性进行定期检测；

[0013] C、 下层区块链的每个节点需要维护一个共同的全 局路由表结构来存储整个区 块链集群的拓扑结构， 通过基于 Gossip的协议传播方式来维护全局路由表的最终 一致性。

[0014] 本发明的进一步技术方案是： 所述步骤 B中还包括以下步骤：

[0015] Bl、 在发现种子节点失效对下层区块链管理者进行 通知并对种子节点进行维护 或修改。

[0016] 本发明的进一步技术方案是： 所述步骤 C中链上的任意一个节点通过获取任意 一个可用节点的 IP地址与端口获取对应的数据与服务。

[0017] 本发明的进一步技术方案是： 所述顶级区块链使用交易中的 Coinbase字段来记 录对应的种子节点。

[0018] 本发明的进一步技术方案是： 所述顶级区块链中的节点可以通过缓存种子节 点 列表从监控节点获取种子节点的负载信息。

[0019] 本发明的进一步技术方案是： 所述下层区块链的服务者确保种子节点有效性 并 通过区块链的记账流程更新种子节点的列表。

[0020] 本发明的进一步技术方案是： 所述顶层区块链中客户端索引下层区块链获取 对 应的数据与服务。

[0021] 本发明的进一步技术方案是： 所述客户端连接任意下层区块链的节点均可以 获 取自己需要的服务或数据。

[0022] 本发明的进一步技术方案是： 所述顶层区块链通过定期査询监控集群获取种 子 节点的负载情况。

发明的有益效果

有益效果

[0023] 本发明的有益效果是： 多层级的区块链可以快速通过区块链中的记录 索引到下 层级的区块链； 由于种子节点之上维护了一个完整区块链的拓 扑结构， 所以任 意客户端可以通过种子节点获取完整区块链的 可响应节点； 通过分布式监控集 群可以维系种子节点的活性， 同吋可以通过监控集群让种子节点实现负载均 衡 ； 同吋使用了分布式账本技术， 避免了因单点故障导致的系统失效； 通过节点 的路由表维护， 可以实现区块链全局拓扑结构的维护与各个节 点的负载均衡。 对附图的简要说明

附图说明

[0024] 图 1是本发明实施例提供的多层级区块链系统之� �索引与链拓扑结构的维护方 法；

[0025] 图 2是本发明实施例提供的整体系统架构图。 [0026] 图 3是本发明实施例提供的 Coinbase的数据结构。

[0027] 图 4是本发明实施例提供的 seed的数据类型示意图。

[0028] 图 5是本发明实施例提供的下层区块链的拓扑结� �的维护的示意图。

[0029] 图 6是本发明实施例提供的客户端响应请求的流� �图。

实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式

[0030] 在此处键入本发明的最佳实施方式描述段落。

本发明的实施方式

[0031] 本发明提出一种多层级区块链系统之间索引与 链拓扑结构的维护方法， 提出了 一套基于多层级区块链系统之间的跨链索引与 链拓扑结构维护统一的方式， 同 吋很大程度上提高了索引的效率与扩展性， 利用区块链的分布式性质来实现负 载均衡， 可以很容易的组织起一个低耦合的多层级区块 链系统， 同吋减少系统 的维护成本。

[0032] 一种多层级区块链系统之间索引与链拓扑结构 的维护方法满足下面 3个特点

： ( 1) 通过层级结构来组织整个区块链系统， 由顶层区块链索引下层的区块链 ， 来实现不同功能分层与定制。 下层链可以实现不同的处理实现逻辑， 来实现 不同的功能， 通过这样降低了系统的耦合度， 同吋实现了更加多样性的服务定 制。 （2) 由于上层链索引到下层链的节点并不能保证稳 定 （故障或退出） ， 必 须设计一套索引机制来确保系统具有足够的健 壮性， 透过顶层链记录的种子节 点可以正确的索引到下层链。 （3) 客户端并不用知道链的分布组织结构以及链 节点的负载情况， 需要通过多层级区块链的索引来定位对应所提 供数据的服务 器， 要求整个索引过程对用户完全透明。

[0033] 使用一种基于多层级区块链组建一个的区块链 服务网络， 该网络由多条区 块链共同组成维护， 顶层区块链通过区块链中记录的信息来索弓 I到下层区块链

。 但由于下层区块链链节点数目不确定， 所以下层区块链的拓扑结构由多个节 点构成并且不断变化， 所以由上层节点来存储下层链的拓扑结构并不 可取。 所 以我们通过记录一个种子节点列表来维系上层 区块链到下层区块链的索引， 同 吋使用一个第三方的分布式监控集群来确保种 子节点的可用性与负载均衡， 而 下层区块链通过全局可见的路由表来维护区块 链本身的拓扑结构， 并且对于由 顶层索引下来的来自客户端服务请求实现负载 平衡。

[0034] 图 1示出了本发明提供的多层级区块链系统之间� �引与链拓扑结构的维护方法 的流程图， 其详述如下：

[0035] 步骤 S 1， 顶层区块链通过在区块的交易记录中记录下一 个种子节点索弓 I下层区 块链； 顶层区块链通过在区块的交易记录中记录下一 个种子节点列表来索引下 层区块链。

[0036] 在顶层区块链中， 使用区块链中交易中的 Coinbase字段来记录对应的种子节点 ， 这个字段记录之中至少要存在一个可用的种子 节点， 让接下来的客户端可以 索引到下层区块链来获取对应的数据与服务。 在下层的区块链的环境中， 节点 中断或失效是常态性的事件。 所以下层区块链的服务者需要确保种子节点有 效 性， 同吋可以通过区块链的记账流程， 来更新种子节点的列表。 客户端通过顶 级链获取 Coinbase字段来解析对应的数据类型来获取对应� ��子节点的位置。 顶级 链中的节点可以通过缓存种子节点列表并且同 吋可以从监控节点获取种子节点 的负载信息， 通过负载由小到大排序对应的种子节点， 所以客户端优先连接的 总是下层区块链中负载较低的节点。

[0037] 步骤 S2， 维护一个分布式监控集群定期对顶级区块链中 记录的种子节点列表下 对应 IP地址与端口的可用性进行定期检测； 维护一个分布式监控集群定期对顶级 区块链中记录的种子节点列表下对应 IP地址与端口的可用性进行定期检测。 一旦 发现种子节点失效， 需要对下层区块链管理者进行通知， 要求对种子节点进行 维护或修改 （通过修改顶层区块链的记录） 。

[0038] 分布式监控集群由奇数个服务器搭建而成， 通过类 paxos的协议全盘监控对应 种子节点的活性， 由于分布式监控集群使用了类 paxos的一致性协议， 所以当且 仅当半数以上集群节点失效的情况下， 分布式监控集群才会失效。 种子节点会 主动向监控集群发起健康度的心跳检测， 定期汇报自己的运行状态和区块链的 运行状态。 而监控集群也会通过顶层区块链索引的种子节 点的列表与连接上的 种子节点的列表进行比对。 若种子节点失效， 监控集群可以通知下层区块链的 运维人员， 进行种子节点的修复工作。 同吋监控集群也记录下每个种子节点的 负载情况， 顶层的区块链节点可通过定期査询监控集群的 方式， 获取种子节点 的负载情况。

[0039] 步骤 S3， 下层区块链的每个节点需要维护一个共同的全 局路由表结构来存储整 个区块链集群的拓扑结构， 通过基于 Gossip的协议传播方式来维护全局路由表的 最终一致性。

[0040] 下层区块链中每个节点维护一个共同的全局路 由表结构来记录整个区块链集群 的拓扑结构， 也就是说下层区块链中的任意节点都可以充当 2.2.1中提及的种子 节点。

[0041] 路由表格需要记录下层区块链中其余节点的 IP地址， 端口号， 节点的 ID， 节点 对应的负载情况， 通过这样一个全局或局部性质的路由表， 从下层区块链的任 意一个节点可以索引出整个区块链的拓扑结构 ， 同吋由于区块链本身是一个分 布式的全局账本， 客户端只要连接任意下层区块链的节点， 都可以获取自己所 需的服务或数据。 同吋路由表中需要标识下层区块链的唯一全局 区块链 ID， 路 由表的创建吋间， 路由表最后一次的修改吋间。 下层区块链的节点， 需要间隔 性的将路由表的内容写入节点本地的持久性存 储。 若节点从失效状态恢复工作 ， 会优先从本地的持久性存储之中还原区块链的 路由表， 同吋比对节点本地吋 间与路由表上最后修改的吋间， 若表格修改吋间与本地吋间相近， 则认为该路 由表合法， 通过路由表中的记录连接上其余节点， 通过 Gossip协议恢复到路由表 最新的状态。 若表格过期过久， 节点可尝试索引顶层区块链记录的种子节点， 之后也通过 Gossip协议获取种子节点上的路由表。 每个节点需要自行维护节点的 路由表， 同吋该表格通过基于 Gossip的协议来传播节点的变动， 每个节点每间隔 一秒随机选择随机的对等节点， 两个节点有效地协调他们对应路由表记录的节 点情况， 来维持各个节点路由表的最终一致性。 若下层区块链为私有链， 则要 求这张路由表记录全局节点的信息。 若为公有链， 节点数目过于庞大， 则可利 用 p2p的路由协议 Chord, Chord协议中每个结点维护 O(logN)大小的路由表， 在 0( logN)跳之内可以跳转到需要访问的结点。

[0042] 当客户端要获取下层区块链中数据。 首先客户端可连接顶层区块链中的节点， 获取顶层区块链中记录下层区块链的种子节点 列表。 客户端会按照返回种子节 点列表的顺序， 尝试性地依次访问到首个可用的种子节点。 下层区块链中节点 收到客户端的访问请求会有两种处理逻辑： （1) 当前区块链的节点的负载量没 有超出预先设计的阀值， 则査询对应区块链上的数据， 响应客户端的请求。 （2

) 若当前区块链节点负载量超出预先设计的阀值 ， 则査询节点本地的路由表， 通过节点 IP地址与负载量的关系， 返回给客户端可访问的区块链节点列表。 客户 端收到当前节点返回区块链节点列表， 会先记录下当前节点负载量过载。 同吋 将当前节点返回的区块链节点列表替换本地缓 存中的区块链节点列表， 按照节 点列表顺序， 重复访问动作， 同吋在访问的数据包中附带一个列表。 列表中记 录下客户端之前访问的失效节点， 过载节点与对应的访问吋间。 被访问节点也 会通过客户端提供的信息动态的更新这些信息 到自己的路由表之中， 并且通过 G ossip协议， 将最新的路由信息扩散到全网中的其他区块链 节点。

[0043] 在一种多层级区块链系统之间索引与链拓扑结 构的维护方法中， 解决了多 层级区块链系统存在的主要问题： （1) 多层级的区块链可以快速通过区块链中 的记录索引到下层级的区块链。 （2) 由于种子节点之上维护了一个完整区块链 的拓扑结构， 所以任意客户端可以通过种子节点获取完整区 块链的可响应节点 。 （3) 通过分布式监控集群可以维系种子节点的活性 ， 同吋可以通过监控集群 让种子节点实现负载均衡。 （4) 同吋使用了分布式账本技术， 避免了因单点故 障导致的系统失效。 （5) 通过节点的路由表维护， 可以实现区块链全局拓扑结 构的维护与各个节点的负载均衡。

[0044] 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。

工业实用性

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序列表自由内容

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