一种面向物联网数据存储的区块链分片优化方法技术

本发明专利技术公开一种面向物联网数据存储的区块链分片优化方法，包括信誉管理和基于NSGA

【技术实现步骤摘要】
一种面向物联网数据存储的区块链分片优化方法


[0001]本专利技术涉及区块链
，特别是涉及一种面向物联网数据存储的区块链分片优化方法。

技术介绍

[0002]物联网在信息安全方面大多依靠于传统的集中式管理，这种方式难以保证物联网数据的隐私性和安全性。区块链技术具有去中心化、不可篡改、可追溯的特性，可以解决物联网中数据存储的隐私性和安全性问题，但物联网设备的计算能力和存储能力难以维护整个区块链网络。
[0003]区块链分片技术将区块链网络中的所有节点划分为不同的分片，每个分片并行处理不同的任务，以此有效的提升区块链性能，降低共识的通讯成本，减少数据的存储压力。分片技术可以保证区块链吞吐量随着参与节点的数量呈线性比例增加，利用分片技术可以有效的解决物联网设备算力小、存储小的问题，但也会降低区块链一定的去中心化和安全性。因此，在保证区块链的去中心化和安全性的前提下，提高物联网区块链分片的吞吐量逐渐成为研究的热点。
[0004]现有技术中包括Rapidchain和Nscheme分片机制，Rapidchain的分片机制是区块链节点随机分配到分片，但是这种分片技术的跨分片事务频率高，限制了区块链分片的吞吐量。Nscheme的分片机制是通过贪心的思想将节点根据事务量分配到分片中，但是贪心策略只可以得到局部最优解。此外传统PBFT类共识分片之后区块链的安全性会变低，PBFT类共识分片只具有容错能力而无法主动的去调节节点来维护系统安全。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种面向物联网数据存储的区块链分片优化方法，通过基于节点信誉和节点间的跨分片事务频率的NSGA
‑
II算法对分片方法进行优化，提高物联网的分片的安全性和数据存储效率。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种面向物联网数据存储的区块链分片优化方法，包括信誉管理和基于NSGA
‑
II的分片优化两部分，所述信誉管理包括：
[0008]S1.根据区块链网络中的各节点的硬件信息、行为信息与事务参与信息计算各节点信誉值；
[0009]S2.区块链网络中的leader节点根据最新的信誉表评价区块链网络中各分片的安全性；
[0010]S3.区块链网络中的超级节点根据最新的事务表评价区块链网络中中各分片的吞吐量性能；
[0011]基于NSGA
‑
II的分片优化包括：
[0012]S4.初始化物联网节点分片方案的种群并对分片方案进行评价排序；
[0013]S5.针对分片方案的种群进行选择、交叉和变异操作，筛选出更优的种群。
[0014]进一步的，S1具体包括以下步骤：
[0015]S101.区块链网络中的各节点在本地维护一张信誉表和一张事务表，信誉表记录区块链网络中各节点的信誉值，事务表记录区块链网络中各节点的事务交互；
[0016]S102.当某节点首次加入区块链网络中，根据其硬件能力赋予基础信誉值；
[0017]S103.根据区块链网络中各节点的共识结果判断其是否存在恶意行为以及是否参与事务打包；
[0018]S104.区块链网络中的各节点更新信誉表和事务表，并根据Gossip协议将最新的信誉表和事务表转发给其他节点，以同步区块链网络的全网状态。
[0019]进一步的，S102中，基础信誉值的计算公式如下：
[0020]BaseF
i
＝(CpuF
i
+CptF
i
+BWF
i
)/3
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0021][0022][0023][0024]其中BaseF
i
为节点i的基础信誉，CpuF
i
为CPU得分，其值为节点i的CPU算力与最大算力的比值；CptF
i
为磁盘得分，其值为节点i的磁盘容量与最大磁盘容量的比值；BWF
i
为带宽的得分，其值为节点i的带宽能力与最大带宽的比值。
[0025]进一步的，S103中，计算贡献信誉值和节点信誉值的公式如下：
[0026][0027]NodeRe
i
＝αBaseF
i
+βCtrF
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0028]CtrF
i
为节点i的贡献信誉值，BH
i
表示节点i的作恶行为，值为0或1，TrsM
i
为节点i验证事务数，TrsM
max
表示最大事务数，TOL
i
表示节点i的在线时长，TOL
max
为节点最大运行时长；NodeRe
i
为节点信誉值，简记为r
j
，由基础信誉值和贡献信誉值组成，其中α+β＝1，取α＝0.3，β＝0.7。
[0029]进一步的，S2具体包括以下步骤：
[0030]S201.超级节点根据最新信誉表计算区块链网络所有集节点平均信誉值，记作网络平均信誉值，和区块链网络中各个分片中所有节点的平均信誉值，记作片内平均信誉值；
[0031]S202.超级节点根据公式(7)计算所有分片的片内平均信誉值的平均值与片内平均信誉值的差的绝对值之和，并将其记为危险评分，当前危险评分越低，区块链网络的安全性越高；
[0032][0033]Fit1为适应度函数，其中k为分片数，N为区块链网络中节点总数，N
i
为每个分片中的节点数,r
j
为节点j的信誉值，该函数值越低，区块链网络中各分片内的恶意节点分布越均匀。
[0034]进一步的，S3具体包括以下步骤：
[0035]S301.超级节点根据最新的事务表计算出区块链网络中的总事务数和片内事务数和分片间事务数；
[0036]S302.leader节点计算区块链网络内跨分片事务频率，并将跨分片事务频率记为事务评分；当前事务评分越低，区块链网络的吞吐量越高；
[0037][0038]Fit2为适应度函数，其中k是分片数，N
i
是第i个分片中的节点数，f
j
是节点j在分片内事务的频率，F为区块链网络中总事务频率，该函数值越低，区块链网络中跨分片事务越少。
[0039]进一步的，S4具体包括以下步骤：
[0040]S401.根据无偏差随机数生成方案RandHound随机产生200～1000个区块链网络的分片方案，根据这些分片方案的组合初始化父代种群；
[0041]S402.计算每个分片方案的危险评分和事务评分作为种群适应度，并根据种群适应度进行非支配排序，引入危险评分能够将恶意节点均匀分布，提高区块链网络的安全性；
[0042]S403.计算拥挤复杂度，计算公式如下，其中对于目标函数f
m
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向物联网数据存储的区块链分片优化方法，其特征在于，包括信誉管理和基于NSGA
‑
II的分片优化两部分，所述信誉管理包括：S1.根据区块链网络中的各节点的硬件信息、行为信息与事务参与信息计算各节点信誉值；S2.区块链网络中的leader节点根据最新的信誉表评价区块链网络中各分片的安全性；S3.区块链网络中的超级节点根据最新的事务表评价区块链网络中中各分片的吞吐量性能；基于NSGA
‑
II的分片优化包括：S4.初始化物联网节点分片方案的种群并对分片方案进行评价排序；S5.针对分片方案的种群进行选择、交叉和变异操作，筛选出更优的种群。2.根据权利要求1所述一种面向物联网数据存储的区块链分片优化方法，其特征在于，S1具体包括以下步骤：S101.区块链网络中的各节点在本地维护一张信誉表和一张事务表，信誉表记录区块链网络中各节点的信誉值，事务表记录区块链网络中各节点的事务交互；S102.当某节点首次加入区块链网络中，根据其硬件能力赋予基础信誉值；S103.根据区块链网络中各节点的共识结果判断其是否存在恶意行为以及是否参与事务打包；S104.区块链网络中的各节点更新信誉表和事务表，并根据Gossip协议将最新的信誉表和事务表转发给其他节点，以同步区块链网络的全网状态。3.根据权利要求2所述一种面向物联网数据存储的区块链分片优化方法，其特征在于，S102中，基础信誉值的计算公式如下：BaseF
i
＝(CpuF
i
+CptF
i
+BWF
i
)/3
ꢀꢀꢀꢀ
(1)(1)(1)其中BaseF
i
为节点i的基础信誉，CpuF
i
为CPU得分，其值为节点i的CPU算力与最大算力的比值；CptF
i
为磁盘得分，其值为节点i的磁盘容量与最大磁盘容量的比值；BWF
i
为带宽的得分，其值为节点i的带宽能力与最大带宽的比值。4.根据权利要求2所述一种面向物联网数据存储的区块链分片优化方法，其特征在于，S103中，计算贡献信誉值和节点信誉值的公式如下：NodeRe
i
＝αBaseF
i
+βCtrF
i
ꢀꢀꢀꢀ
(6)CtrF
i
为节点i的贡献信誉值，BH
i
表示节点i的作恶行为，值为0或1，TrsM
i
为节点i验证事务数，TrsM
max
表示最大事务数，TOL
i
表示节点i的在线时长，TOL
max
为节点最大运行时长；
NodeRe
i
为节点信誉值，简记为r
j
，由基础信誉值和贡献信誉值组成，其中α+β＝1，取α＝0.3，β＝0.7。5.根据权利要求1所述一种面向物联网数据存储的区块链分片优化方法，其特征在于，S2具体包括以下步骤：S201.超级节点根据最新信誉表计算区块链网络所有集节点平均信誉值，记作...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐天一，邱铁，刘卓，徐超，万志国，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：