一种基于拜占庭容错共识的动态分片方法

本发明属于计算机科学与，尤其涉及一种基于拜占庭容错共识的动态分片方法。

背景技术：

1、当今，区块链源凭借去中心化、不可篡改、可追溯的种种特性引起了社会各界的广泛关注，使区块链成为继大数据、人工智能之后的又一项前沿热点技术。区块链技术涉及到多个学科技术领域，包括密码学、计算机技术与科学、网络安全、数学等，是点对点网络、加密算法、共识机制、智能合约、分布式数据存储等多种技术的集成式创新。

2、现有的区块链可扩展性优化方案有闪电网络、有向无环图(directed acyclicgraph,dag)技术、状态通道和分片技术等。分片技术属于链上扩容技术之一，是在不损失其去中心化程度前提下，提升区块链性能的有效方案。分片技术通过将区块链数据分成多个分片，每个分片由不同的节点组成，多个分片可以并行处理交易，每个分片通过节点的冗余存储数据不仅解决了区块链的安全性，而且通过分区并行处理交易可以线性地提升区块链的交易吞吐量。

3、elastic是第一个能够容忍拜占庭故障的分片式无许可区块链；omniledger在elastico的去中心化和高故障概率方面进行了改进，并提供了更高的性能；rapidchai是第一个支持最多f<n/3个拜占庭故障的分片式区块链；sschain通过避免分片委员会的轮换，在不需要下载块和状态的情况下对状态进行分片。然而现有的分片技术无法进行有效地管理分片，包括分片的数量、大小的动态调整等，不能适应网络的变化和需求，并确保分片之间的负载均衡和公平性差异。同时为了确保区块链网络的安全，以防止拜占庭故障、恶意节点攻击等，节点的加入和离开、分片的更改等操作都需要进行适当的验证和身份验证。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于拜占庭容错共识的动态分片方法，包括：

2、基于动态分片算法，通过应用层对分片开启、分片关闭、分片离开进行控制，进而对系统节点进行分组管理；

3、所述应用层向底层提供分片结果查询接口，当分片事务触发后，系统节点调用所述分片结果查询接口，判断所述分片事务是否与自身相关，若相关，则进行相应的节点迁移、状态更改操作。

4、优选地，所述动态分片算法的设计包括：

5、对tendermint共识内核中的consensus reactor，p2p reactor进行改造，改变原有共识算法节点间的交流模式，同时增加节点可操作共识实体个数；

6、通过增加修改动态分片共识算法内部交互所需的接口来调整系统abci；

7、设计应用层分片操作范式，针对分片开启、分片关闭、分片加入、分片离开撰写原操作代码；

8、设计应用层传入机制，通过appdb存储系统shard初始信息，用户通过调用delivertx和query函数发送分片操作、查询请求；

9、设计共识内核同步信息机制，修改applyblock函数，定期向app同步分片操作请求信息，并在rescbfirsttime函数中过滤无关消息；

10、添加共识内核指针，根据系统运行状态，使所述共识内核指针指向主共识、分片共识，实现动态分片。

11、优选地，通过所述应用层进行分片开启的过程包括：

12、当用户适时提出请求后，调用相关合约函数提交createshard申请，输入分片参数后开启分片，或加入已有分片来提升系统性能；

13、所述分片参数包括但不限于分片数量、每个分片大小、安全检验条件。

14、优选地，所述输入分片参数开启分片的过程包括：

15、收到分片开启请求后，tendermint共识内核保存现有共识内容，初始化新分片信息，并将共识内核指针指向新的分片；

16、基于所述应用层记录发生变化的分片数据，并通过tendermint共识内核捕捉所述发生变化的分片数据后，所述tendermint共识内核调用abci接口对分片信息进行查询，未加入节点的各个分片进行正常的共识出块。

17、优选地，所述输入分片参数加入已有分片的过程包括：

18、收到加入分片指令后，tendermint共识内核判断用户权限信息，查询分片准入条件，若允许则将用户划入分片，在主共识和分片共识更新节点信息；

19、然后，用户提交joinshard申请，输入包含ip地址、分片编号在内的分片参数的相关信息，使合约所记录的分片-账户数据发生变化，通过tendermint共识内核捕捉所述发生变化的分片-账户数据后，所述tendermint共识内核对主链信息进行记录保存，同时将产出的主链区块复制到分片共识内核中，以所述主链区块为起点进行分片共识进程，主链将用户从主链共识验证者集合中去除，且所述用户不再参与主链共识。

20、优选地，通过所述应用层进行分片关闭的过程包括：

21、分片用户提交关闭分片申请退出分片，收到分片关闭指令后，tendermint共识内核保存分片共识内容，并压缩打包，将共识内核指针指向主共识，同时向主共识同步分片信息后，回归主链运行。

22、优选地，所述回归主链运行的过程包括：

23、用户向主链发送closeshard消息，经过共识提交后，将自身分片数据压缩打包，传输至主链中进行保存；

24、同时对tendermint共识内核的关键组件进行切换，将节点转移至主链状态，由此回归主链共识。

25、优选地，所述分片事务包括但不限于节点加入事务、分片创建事务以及分片关闭事务。

26、优选地，通过所述应用层进行分片离开的过程包括：

27、收到离开分片指令后，tendermint共识内核判断用户权限信息，查询分片准入条件，若允许则将用户移出分片，在主共识和分片共识更新节点信息。

28、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

29、本发明提出的基于拜占庭容错共识的动态分片方法，设计了动态分片系统的运行规范，能够约束用户创建，删除，加入，退出分片等一系列行为；设计了跨分片应用开发范式，方便用户基于开发跨链应用，提高跨链系统性能。

30、本发明提高了区块链系统的性能和可扩展性，实现大规模数据管理场景下的高吞吐、低时延和可拓展性需求。同时动态的特性使得系统具有更好的自适应性和可扩展性。

技术特征：

1.一种基于拜占庭容错共识的动态分片方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于拜占庭容错共识的动态分片方法，其特征在于，所述动态分片算法的设计包括：

3.根据权利要求1所述的基于拜占庭容错共识的动态分片方法，其特征在于，通过所述应用层进行分片开启的过程包括：

4.根据权利要求3所述的基于拜占庭容错共识的动态分片方法，其特征在于，所述输入分片参数开启分片的过程包括：

5.根据权利要求3所述的基于拜占庭容错共识的动态分片方法，其特征在于，所述输入分片参数加入已有分片的过程包括：

6.根据权利要求1所述的基于拜占庭容错共识的动态分片方法，其特征在于，通过所述应用层进行分片关闭的过程包括：

7.根据权利要求6所述的基于拜占庭容错共识的动态分片方法，其特征在于，所述回归主链运行的过程包括：

8.根据权利要求1所述的基于拜占庭容错共识的动态分片方法，其特征在于，所述分片事务包括但不限于节点加入事务、分片创建事务以及分片关闭事务。

9.根据权利要求1所述的基于拜占庭容错共识的动态分片方法，其特征在于，通过所述应用层进行分片离开的过程包括：

技术总结本发明公开了一种基于拜占庭容错共识的动态分片方法，包括：基于动态分片算法，通过应用层对分片开启、分片关闭、分片离开进行控制，进而对系统节点进行分组管理；应用层向底层提供分片结果查询接口，当分片事务触发后，系统节点调用分片结果查询接口，判断分片事务是否与自身相关，若相关，则进行相应的节点迁移、状态更改操作。本发明提高了区块链系统的性能和可扩展性，实现大规模数据管理场景下的高吞吐、低时延和可拓展性需求。同时动态的特性使得系统具有更好的自适应性和可扩展性。技术研发人员：史高伟,刘秀龙,李文信,马立原,吕智鹏,李德龙,李克秋受保护的技术使用者：天津大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25