[发明专利]一种面向图式区块链的分片存储装置及方法

说明书

本发明涉及一种面向图式区块链的分片存储装置，其特征在于，至少包括第一分片处理模块和第二分片处理模块，其中，第一分片处理模块基于采用DAG结构组织的账本数据将具有不同资源能力的节点进行分片用以第二分片处理模块将交易分配至与其执行难度相匹配的分片，使得交易在与之对应的分片中被处理和存储。本发明将图式区块链与分片技术相结合，提出了一种面向图式区块链的分片存储方法，以缓解图式区块链系统节点的数据存储压力和交易处理压力，同时结合节点间资源的异构性，动态地划分节点、交易和数据，在进一步提升图式区块链系统性能的同时兼顾系统资源的高效利用。

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及一种面向图式区块链的分片存储装置及方法。

背景技术

随着物联网(IoT)技术的发展，越来越多的物联网设备走入我们的生活。通过物联网设备采集的信息具有巨大的分析和使用价值，例如应用在智能家居、自动化生产线等等。但传统的物联网模式采用中心化的数据中心来负责收集所连接的设备信息，这种方式满足不了日益增长的物联网生态体系的要求，且存在着数据安全性和隐私性的问题。区块链技术因其具有去中心化、不可篡改、透明性、匿名性等特点，受到了学术界和产业界的广泛关注。区块链提供了开放网络下新的信任模型，可以在分布式不可信环境下提供安全性高、隐私保护好的数据存储服务，这为物联网的可信数据管理提供了解决方案。但传统链式区块链在吞吐量、存储性能等方面并不具备可扩展性。主要因为其安全性依赖于区块链的高冗余分布式账本特性，即每个节点均需要处理每一笔交易，就一批交易组成的区块达成共识并存储整个交易历史。并且，传统区块链技术大多采用工作量证明机制(PoW)作为共识策略，这种策略会消耗大量资源，难以部署在资源受限的物联网设备中。因此，如何结合区块链技术为物联网设备提供可扩展的数据存储服务是一个需要解决的问题。

一种基于有向无环图(Directed Acyclic Graph，DAG)的方案被提出用以提升链式区块链的可扩展性。具体来说，基于DAG的图式区块链从数据层和共识层对传统的链式区块链系统进行了改进，以有向无环图的结构组织账本数据。与传统链式区块链只允许串行地向账本中添加区块的方案不同，DAG账本允许存储单元同时存在多条引用边，因此，多个节点可以独立并发地向账本中写入交易或区块，消除了串行写入的限制，从而能够在节点资源给定的情况下显著提升系统的吞吐量。IOTA是将图式区块链应用到物联网产业的杰出方案。IOTA基于新型的分布式账本——Tangle(缠结)。Tangle是一种直接由交易构成的有向无环图(Transaction-based DAG，TDAG)，能够克服传统区块链系统的低效性。IOTA拥有实时性强、伸缩性强以及交易费用低等优点，没有区块打包和挖矿的过程，避免了大量无用的计算，对资源要求较低，因此尤其适用于物联网场景。

虽然以IOTA为代表的图式区块链为物联网提供了一种新型的数据存储方案，并能够提供比传统链式区块链更高的吞吐量和更好的可扩展性，但仍然需要网络中的每个节点处理每一笔交易，并存储整个DAG账本。因此目前图式区块链的设计仍然存在着如下问题与挑战：在节点资源能力受限以及存在异构性的应用场景下，图式区块链难以发挥出理想的提升效果。具体表现为：

1)高并发场景对区块链节点的存储、计算、通讯能力提出了更高的要求，会给资源能力受限的节点造成存储、处理等方面的压力。具体地说，全副本存储无法应对海量数据的增长带来的存储需求；采用DAG结构组织账本提升系统吞吐量的同时，更进一步加快了区块链存储消耗；大多数物联网设备的存储资源受限，无法应对高昂的存储开销。此外，节点需要处理每一笔交易，高吞吐量更加重了节点的处理负担，节点处理能力的上限会限制系统性能的进一步提升。

2)区块链系统中节点资源的分布存在不均衡性，具体表现为不同节点或设备的处理能力、带宽、存储容量各不相同，这会大大降低区块链网络中资源的利用率，从而影响系统的整体效率。

3)高昂的资源开销会降低参与者的意愿，不利于系统的去中心化和安全性。