一种基于物联网设备的区块链网络节点群可容错协助存储机制制造技术

本发明专利技术公开了一种基于物联网设备的区块链网络节点群可容错协助存储机制，该方法通过将物联网设备组建成节点群，较以往技术相比，在本发明专利技术中考虑地是动态区块链，依照物联网设备或节点的低容量，低计算资源等特性，为节约资源，节点可对自身不重要的原区块进行淘汰，在限制每个区块存储成本的条件下，通过制定节点选择策略，优化每个区块的总协助概率，保障群内节点发生故障离线时，其正常节点依旧可以对整个区块链副本任意一个区块进行协助。本发明专利技术提高了节点群运行区块链副本的稳定性以及容错性，增强了区块链技术的实用性及扩展性。增强了区块链技术的实用性及扩展性。增强了区块链技术的实用性及扩展性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于物联网设备的区块链网络节点群可容错协助存储机制


[0001]本专利技术涉及区块链
，特别一种基于物联网设备的区块链网络节点群可容错协助存储机制。

技术介绍

[0002]随着互联网技术的发展，加密数字货币逐渐出现在我们的生活中。比特币作为大众熟知的数字货币，它所使用的核心支撑技术来自于区块链技术。在区块链网络中采用的是点对点通信，其中每个节点即是服务器也是客户端，当节点发起新交易时，其他节点需要一致验证交易的有效性和正确性，达成共识的交易将会打包到区块中，通过节点算力求解获得区块记账权，从而将区块添加到链上，区块一旦添加到链上，其中数据就不可以被篡改。因此区块链技术拥有去中心化、数据不可篡改、数据持久、可追溯等特点。正是因为这些特点，区块链技术在金融经济、物流供应链、物联网、医疗、保险等领域具有较高的使用价值。
[0003]虽然区块链技术在未来的互联网中具有很大的潜力，但仍存在着许多挑战，其中存储可扩展性是一个重大挑战。由于区块链技术的去中心化思想，节点需要存储完整的副本保证数据的正确性。但是随着新区块的不断产生，区块链的总数据量是持续增长的，截止到2022年12月9日，以区块链技术为主导的比特币总数据量已达441.91GB，总区块数量已经达到766286个，对于庞大且增长的数据量，提高了节点加入区块链的门槛，愿意去维护以及加入它的用户越来越少，这将导致去中心化逐渐转为集中化，进一步影响区块链系统的安全性。
[0004]在目前存储可扩展性的研究现状中，将区块链中的数据存入第三方数据库中是一种解决方案。例如当前使用较多的星际文件系统(IPFS)是一种点对点的分布式文件系统，它将计算设备和相同文件系统连接在一起；在此模型中区块链只需存储IPFS哈希值即可，而IPFS哈希值是通过IPFS文件系统存储原区块链上的数据生成；因此区块链只需要存储IPFS哈希值就可以得到相应的数据。这种方法虽然能降低区块链的存储压力，但是区块链重要的数据存储在第三方数据库中，第三方数据库的状态将会直接影响区块链系统，这将存在一定风险。目前不依赖第三方数据库的解决方案中，分片技术是减轻节点的存储压力的方式之一。分片将节点分组去处理不同的交易或者维护不同的区块链副本段，因此分片技术能够提高区块链的响应性能以及可扩展性，但是每个分区之间的通信会变得更加复杂，此外还会降低区块链的总算力，导致区块链安全性能下降。除分片之外，共识单元同样也是一种解决方案，共识单元是指通过一组节点来共同存储至少一份区块链副本，在共识单元中，区块是最小的数据单位，节点优先保留自己关心的区块，对于自身没有存储的区块可以通过访问其他节点来临时获取。共识单元通过整合节点资源，降低单个节点的存储压力；它不需要第三方数据库来分担存储压力以及本身不存在分区也就不会存在更复杂的通信过程，因此共识单元可以应用到更多的场景。但共识单元中的节点来自同一社区或有合
作的关系，每个节点并不是完全可信任的，因此节点的状态将会直接影响整个共识单元的正常运行。
[0005]在当今万物互联的时代，智能家居设备、工业传感器、智能汽车、智能摄像头等设备都属于物联网设备，这些设备之间互联互通，实现信息共享与交换。然而这些物联网设备产生的数据需要上传到第三方进行处理，或者这些数据在它们进行共享交换信息的时候就已经被偷取，而区块链技术的去中心化，不可篡改、可追溯等特性可以为物联网设备的数据安全赋能。在现实场景中，物联网的设备是海量的，单个设备往往自身硬件水平不足以支持运行一个完整的区块链副本，为了提高区块链的存储可扩展性，使用共识单元的概念来整合这些小存储容量设备的存储资源来协同存储区块链副本是一种选择。因此我们采用共识单元的概念将这些需要使用区块链技术但自身存储能力不够的设备组成一个节点群。但与共识单元不同的是，节点群中的节点或者设备并不是来自同一个社区或者有合作的关系。在共识单元中，它更注重节点之间访问区块的通信成本，但是在实际应用场景中，除了访问区块的通信成本，节点存储区块往往需要考虑硬件、电力、维护等其他成本，这是无法忽略的因素。此外，共同协作的物联网设备或者节点同样也会存在掉线、故障等特殊情况，它们将在一段时间内无法为其他节点提供区块协助。因此我们需要为每个区块制定如何选择节点的策略，在控制存储成本，考虑节点发生故障，以及应对不断增长的数据量的情况下，尽可能保障和提高节点对群内其他节点的区块协助。

技术实现思路

[0006]通过对现有技术的考察，为了解决现有技术的不足之处，能够让区块链技术能够更好的应用在物联网设备中，本专利技术提供了一种基于物联网设备区块链网络节点群可容错协助存储机制，在本专利技术中，将物联网设备映射为节点，随着区块动态增加，节点存储的区块越来越多，其自身存储区块的成本也将会越来越高，因此节点根据自身对区块的依赖性适当地将原有区块进行淘汰，我们将节点淘汰原有区块的概率称为淘汰率，在节点自身不故障以及不发生区块淘汰的情况下(区块存活状态)，节点可以为其他节点提供区块查询，进一步分析，假设其他节点发生淘汰的概率下，节点依然能够为其他节点提供区块查询的概率我们称为区块协助概率。本专利技术目的是当节点组建成节点群运行区块链副本时，在群内节点发生故障时(一个节点发生故障代表一个场景)，为每个区块在成本限制的条件下选择节点集存储，保证每个区块在所有场景下的总协助概率最大化，尽可能避免节点群因节点故障而导致其存储的区块无法提供给群内其他节点，从而保障节点群的有效运行。
[0007]为达到上述目的，一种基于物联网设备的区块链网络节点群可容错协助存储机制包括：
[0008]使用一定数量的物联网设备作为节点搭建节点群，所有节点协同运行同一个区块链副本。。
[0009]根据区块占用节点的存储资源、CPU的计算资源以及通信资源，计算节点存储区块的成本。
[0010]通过系统对区块的总访问次数，量化区块对于节点群的重要性，为每个区块设置存储成本限制，防止区块被大量节点共同存储，浪费节点存储资源；对于较频繁的区块，可提高区块成本限制。
[0011]考虑到数据是不断增加的，新的区块也将会被打包产生，因此在节点群中区块数量是动态增加的，因此节点需要将对自身不重要的原区块进行淘汰，通过节点对区块的需求量化淘汰率，从而进一步根据淘汰率计算节点存储区块带来的可协助概率。
[0012]将上述内容构建数学模型，设由m个区块组成的完整区块链副本B＝{b1,b2,
…
,b
m
}，一组群内节点集V＝{v1,v2,
…
,v
n
}，x(b
i
,v
j
)表示决策变量，区块b
i
选择节点v
j
存储，即决策变量x(b
i
,v
j
)＝1；区块b
i
被节点v
j
存储的成本为c(b
i
,v
j
)，区块b
i
在群内的总存储成本不超过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于物联网设备的区块链网络节点群可容错协助存储机制，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、使用物联网设备作为节点搭建节点群，所有节点协同运行同一个区块链副本；步骤2、根据区块占用节点的存储资源、CPU的计算资源以及通信资源，计算节点存储区块的成本；步骤3、通过系统对区块的总访问次数，量化区块对节点群的重要性，为每个区块设置存储成本限制；步骤4、节点需要将对自身不重要的原区块进行淘汰，通过节点对区块的需求量化淘汰率，从而进一步根据淘汰率计算节点存储区块带来的可协助概率；步骤5、构建数学模型，给出优化目标以及约束条件，具体如下：设由m个区块组成的完整区块链副本B＝{b1，b2，
…
，b
m
}，一组群内节点集V＝{v1，v2，
…
，v
n
}，x(b
i
，v
j
)表示决策变量，区块b
i
选择节点v
j
存储，即决策变量x(b
i
，v
j
)＝1；区块b
i
被节点v
j
存储的成本为c(b
i
，v
j
)，区块b
i
在群内的总存储成本不超过其成本限制θ(b
i
)；节点选择问题是为区块选择节点存储，但同一节点不能多次存储同一区块；表示当节点v
k
发生故障时，所选择的节点能够给其他节点的提供区块b
i
协助的概率之和(即区块总协助概率)，表示找到一个v
k
，当它发生故障时，所选节点提供区块协助概率之和最小；因此可知v
k
发生故障时，对群内区块协助概率影响是最大的，所以我们需要找到一种分配方式使在v
k
发生故障下，让最小的区块总协助概率最大化；即优化目标是在满足区块被节点存储的总成本不超过存储成本上限θ(b
i
)的条件下，找到区块总协助概率最差的故障节点v
k
，并选择一种分配方式最大化此故障节点下的区块总协助概率：约束条件：区块b
i
选择不同节点存储产生的成本总和不超过节点群对区块b
i
的存储成本限制；区块b
i
分配给同一节点最多一次，具体公式如下；分配给同一节点最多一次，具体公式如下；步骤6、通过设计了三种启发式方案实现每个区块对群中节点的选择；步骤7、考虑到实际场景中节点群内节点是动态的，因此基于约束条件的前提下，设计对应目标函数的两种节点动态新增删除方案。2.根据权利要求1所述的基于物联网设备的区块链网络节点群可容错协助存储机制，其特征在于，所述节点需要将对自身不重要的原区块进行淘汰，通过节点对区块的需求量化淘汰率，包括：数据打包成新的区块时，节点群会通过区块链网络接收到新区块，因此群内节点存储区块的数量是不断增长的；依照物联网设备或节点的低容量，低计算资源等特性，让节点对自身不重要的原区块进行淘汰，通过节点对区块的需求量化淘汰率，提高区块链技术应用
的可扩展性。3.根据权利要求1所述的基于物联网设备的区块链网络节点群可容错协助存储机制，其特征在于，所述为每个区块设置存储成本限制，让区块合理选择节点存储区块，避免造成资源浪费，节省节点存储带来的成本开销。4.根据权利要求1所述的基于物联网设备的区块链网络节点群可容错协助存储机制，其特征在于，所述节点v
k
发生故障为节点群中任意一个节点发生故障；因为在实际组建的节点群中，节点难免发生故...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹波，何法锦，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：