一种满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法及系统技术方案

本发明专利技术适用于区块链技术改进领域，提供了一种满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法,所述满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法包括递归及互连，每次递归使得原先的一个节点变成一个域，定义第r层的域编号为i

【技术实现步骤摘要】
一种满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法及系统


[0001]本专利技术属于联盟链技术改进领域，尤其涉及一种满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法及系统。

技术介绍

[0002]比特币作为第一个广泛部署、去中心化的全球加密货币，其核心的去中心化基础设施——区块链技术引发了数百种不同的加密货币系统。尽管前人已经提出了许多协议来提高区块链的性能，但它们都没有摆脱分布式理论中的CAP(Consistency一致性，Availability可用性，Partition tolerance分区容忍性)三难困境。具体来说，在分布式系统中，一致性、可用性和分区容忍性无法同时被完全满足。
[0003]为了平衡CAP三难困境中的三个性质，一些方法在共识层进行了优化。原来的共识协议通过分叉选择规则满足良好的分区容忍性，例如最长主链原则。但是主链中的分叉会在一段时间内将强一致性转变为弱一致性或最终一致性，导致确认时间长、吞吐量有限。此外，一些性能驱动的共识协议通过代表机制保证一致性和分区容忍性，但会降低参与共识的核心节点数量。
[0004]还有一些方法集中于优化结构化P2P网络的拓扑结构，以加快交易和区块在区块链中的传播。C.Decker构造了星型子图，将星型子图作为中心通信枢纽，以减少节点之间的路由跳数。F.Muntadher提出一种基于超级节点的区块链网络聚类协议，称为BCBSN(Bitcoin Clustering Based on Super Node)，通过基于节点局部性的聚类，减少了交易和区块在同一集群中的传播延迟。进一步他提出了LBC(Location Based Clustering)协议和BCBPT(Bitcoin Clustering Based on Ping Time)协议，根据地理位置和Ping时间等物理位置指标将区块链网络中的节点进行聚类，以减少相邻节点的传播延迟。
[0005]虽然有些方法考虑了物理结构对性能的影响，但并不能完全解决逻辑拓扑和物理拓扑之间不匹配的问题，提升性能有限。此外，与公有链不同，联盟链中的节点更可控，因此上述方法均不适用于联盟链。
[0006]针对联盟链中的结构化P2P网络，我们已经基于多维超立方体设计了超级节点间的一般物理拓扑结构。超级节点和普通节点间可以通过树型拓扑连接来实现管理。该拓扑不仅适用于完全分布式P2P网络，也适用于半分布式P2P网络。
[0007]在基b＝2的一般超立方体拓扑中，每个节点具有相同的职责。网络直径，即节点跳数最多的节点之间的最短路径，等于log2N(N为节点数)。因此，基于超立方体的网络拓扑结构在负载均衡和良好冗余等方面具有良好的特性。
[0008]在一般的区块链网络中，我们采用多维超立方体或其变体来构造物理拓扑。完全超立方体是一种封闭、紧致和凸的图形，它的一维骨架是由一组等长线段组成的，这些线段与它们所在空间的每个维度对齐，其中相对线段彼此平行，相交于一点的线段彼此正交。图1
‑
3给出了基于3
‑
5维超立方体构建的拓扑示例，其中叉表示对应的节点和链路在网络中未分配或无效。蓝色和紫色分别表示移动前后的低维超立方体，绿色为移动路径。
[0009]对于每个节点，都会分配一个ID来唯一标识该节点。此时，超立方体支持在距离为2
i
的节点对之间建立链路，以提高查询效率，即ID仅相差1位的节点对之间的逻辑距离为1。因此，在结构化P2P网络中，超立方体拓扑结构可以很好地匹配上层协议。
[0010]此外，无效链路将在有限时间内被主动修复。如果P2P网络不幸被分区，被隔离的节点将首先向其邻居节点请求数据同步，然后再继续执行工作。
[0011]图1
‑
3从3维演化到5维的完全或不完全超立方体拓扑结构的例子。图1是一个完全的3维立方体，包含8个节点和12条链路。图2是一个不完全的4维超立方体，包含15个节点和29条链路。图3是一个不完全的5维超立方体，包含32个节点和75条链路。
[0012]随着网络规模的扩大，使用上述基于超立方体的物理拓扑会导致链路冗余过多，路由算法等上层算法的复杂度也会增加。因此，递归是一种很好的扩展方法。
[0013]在节点数量较多的情况下，我们已经构建了由多个域组成的层次化递归拓扑结构。靠近的节点组成一个域，这些域构成层次化的递归关系。如图4所示，每个域用(i
1 i
2 i3…
i
r
)表示，左边第i位表示在第i层的递归从属关系。
[0014]同一个域中的节点可以采用基于超立方体的拓扑，也可以采用任意拓扑。此外，在域内建立一个专用节点用来与相邻域保持连接和通信。
[0015]在此基础上，我们设计了三种构造物理拓扑的递归方法：完全对称、半对称和非对称。在完全对称的方法中，每次递归都取相同维度的超立方体。在半对称的方法中，递归的同一层使用相同维度的超立方体，层与层之间使用不同维度的超立方体。在非对称的方法中，每次递归都使用不同维度的超立方体。图5所示为层次化递归物理拓扑的最低边界。图6
‑
8给出了上述三种方法的示例。
[0016]图5
‑
8层次化递归拓扑结构的例子。图5为最低边界情况。图6是完全对称情况。图7为半对称情况。图8为分别有4、8、4个二级域采用4维超立方体、3维立方体和7点全连接拓扑结构的非对称情况。
[0017]传统的层次化递归方法在域内设置了一个专用节点负责与相邻域的通信，导致递归后的拓扑未能保留超立方体强规则性的优点。因此，我们拟设计一种优化的层次化递归方法。

技术实现思路

[0018]本专利技术的目的在于提供一种满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法，旨在解决上述的技术问题。
[0019]本专利技术是这样实现的，一种满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法，所述满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法包括递归及互连，每次递归使得原先的一个节点变成一个域，定义第r层的域编号为i
r
递归后新的节点编号会在原先节点编号的基础上向后增加一位，将每个r级域的对应节点用物理链路连接成r
‑
1级域的拓扑结构构成域间的互连。
[0020]本专利技术的进一步技术方案是：所述递归中还包括以下步骤：
[0021]S11、利用一般拓扑结构的分区容忍概率来计算层级化递归拓扑的分区容忍概率；
[0022]S12、利用一般拓扑结构的平均最小修复时间来计算层级化递归拓扑的平均最小修复时间。
[0023]本专利技术的进一步技术方案是：所述分区容忍概率不仅与采取的拓扑结构有关，同时与所处的递归路径有关，得到整体分区容忍概率为：r为递归拓扑的总层级数，i
r
为第r层的域编号，为第r层的域的拓扑分区容忍概率。
[0024]本专利技术的进一步技术方案是：在步骤S12中根据递归过程中的拓扑平均最小修复时间可以得到整体平均最小修复时间为时间可以得到整体平均最小修本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法，其特征在于，所述满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法包括递归及互连，每次递归使得原先的一个节点变成一个域，定义第r层的域编号为i
r
递归后新的节点编号会在原先节点编号的基础上向后增加一位，将每个r级域的对应节点用物理链路连接成r
‑
1级域的拓扑结构构成域间的互连。2.根据权利要求1所述的满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法，其特征在于，所述递归中还包括以下步骤：S11、利用一般拓扑结构的分区容忍概率来计算层级化递归拓扑的分区容忍概率；S12、利用一般拓扑结构的平均最小修复时间来计算层级化递归拓扑的平均最小修复时间。3.根据权利要求2所述的满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法，其特征在于，所述分区容忍概率不仅与采取的拓扑结构有关，同时与所处的递归路径有关，得到整体分区容忍概率为：r为递归拓扑的总层级数，i
r
为第r层的域编号，为第r层的域的拓扑分区容忍概率。4.根据权利要求3所述的满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法，其特征在于，在步骤S12中根据递归过程中的拓扑平均最小修复时间可以得到整体平均最小修复时间为r为递归拓扑的总层级数，i
r
为第r层的域编号，为第r层的域的拓扑平均最小修复时间。5.根据权利要求4所述的满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法，其特征在于，依据整体分区容忍概率与整体平均最小修复时间得到递归路径对整体分区容忍性的影响大于域本身的拓扑结构。6.根据权利要求5所述的满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法，其特征在于，在递归过程中完全对称拓扑每个递归取相同的维度，对于任意(i1,i2,i3,
…
,i
r
)，都是一个固定值，表示为dim，r
‑
1级递归的节点数量是N
symm,r
＝2
dim
×
r
，在链路数量满足时，链路数量为L
symm,r
＝2
r
×
dim
‑1×
r
×
dim。7.根据权利要求5所述的满足联盟链分区容忍性的优化拓扑递归方法，其特征在于，在递归过程中半对称拓扑同一层的域使用相同维度的超立方体，对于任意i
r<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李挥，吕琦，王菡，王子贤，张明龙，张汉裕，褚晓理，刘绍瑜，蓝卡空，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：