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CN107688999B - 一种基于区块链的并行交易执行方法 - Google Patents

一种基于区块链的并行交易执行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链的并行交易执行方法,首先对链上的数据单元进行索引编号,用户的并发交易除了基本的交易内容外,需再提供交易执行所需读取和写入的数据索引。用户的串行交易只需提供基本的交易内容。节点根据并发交易的数据依赖关系,安排并发处理,并发处理完成后,再将无法并发的交易和串行交易进行顺序执行。

Description

一种基于区块链的并行交易执行方法
技术领域
本发明涉及区块链模型状态索引的创建,并发交易的生成、执行和校验的相关领域,改进了原有区块链模型中交易无法并发处理,或并发处理会出现大范围冲突的情况。
背景技术
区块链是一种新的分布式技术,由一个个顺序排列而成的交易组成块,再由一个个顺序排列而成的块组成链,每个块包含一个自增的高度作为编号,还有一个时间戳用于记载打包时间。
现有区块链内一般以账户为基本单元,账户内有各种属性,包括余额、交易数、合约代码、合约存储数据结构等。区块链内的一个交易会涉及两个或多个账户属性的相互读写操作,这些属性的状态存在前后线性依赖关系,以解决双花问题。
区块链为了追求全链状态的确定性,要求交易在块内以列表形式存在,并且由所有节点一个个地顺序执行,不能出现随机跳序或随意并发执行的情况,否则各个节点的计算结果可能会出现不一致,最终无法达成共识。完全串行执行使节点的物理机器性能无法得到完全发挥,节点处理能力受制于单核CPU的最高主频,无法发挥多核优势和集群优势,严重影响区块链技术的处理性能。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种基于区块链的并行交易执行方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:一种基于区块链的并行交易执行方法,该方法中,首先对区块链中的交易所涉及的数据单元进行划分,每个数据单元产生唯一性索引index。各用户节点实时同步出块节点的最新区块,保持本地最新的链状态备份。用户发起交易时,选择交易类型,如果选择的交易类型为“串行执行”,直接将交易内容Data签名广播;如果选择的交易类型为“并行执行”,根据本地最新状态,对交易内容进行模拟执行,获得状态依赖信息State,并签名广播。其中State包含如下内容:上述模拟执行过程中会读取的数据单元的索引集合read_indexes;模拟执行过程会写入的数据单元的索引集合write_indexes;以及状态冲突处理方法:“交易报错”或“改为串行”。
出块节点执行交易、打包出块的方法如下:
(1)出块节点生成一个空的列表serial_txs用于存放串行交易。
(2)构建一个空的集合rely_txs,用于存放多组并行交易列表;构建一个空的集合rely_indexes用于存放一系列子集。rely_txs中的每组并行交易列表会生成一组对应的依赖数据单元,rely_indexes的每一个子集就是用于存放这组依赖数据单元的索引集合的。具体如下:
出块节点逐个选择交易类型为“并行执行”的交易。假设当前选择的“并行执行”交易为tx,当前已生成的rely_indexes子集个数为N个,出块节点对这N个子集进行遍历。假设当前正在遍历的子集为rely_indexes_%i%,如果该子集对应的并行交易列表rely_indexes_%i%为空列表,即子集rely_indexes_%i%为空,或tx的read_indexes和write_index的并集与rely_indexes_%i%存在交集,则将tx加入到rely_txs_%i%中,将tx的write_indexes加入到rely_indexes_%i%中。
如果对所有子集遍历完成,均不存在交集或空元素,则新建子集,将tx中的write_indexes中的数据单元索引加入到rely_indexes的N+1个子集中,并在rely_txs中建立新的并行交易列表,将该交易tx加入到该新建的交易列表中。
(3)出块节点并行执行rely_txs中的的并行交易列表,串行执行每个并行交易列表内部的交易。在执行某交易的过程中,如果该交易所读取的数据单元信息集合read_indexes’和写入的数据单元索引集合write_indexes’,与该交易的状态依赖信息State中声明的read_indexes或write_indexes不一致,则根据状态冲突处理方法进行处理,如果是“交易报错”则按照错误交易处理,如果是“改为串行”,将该交易添加到串行交易列表serial_txs中。
(4)所有并发交易执行完毕后,逐个选择类型为“串行执行”的交易添加到串行交易列表serial_txs中,并串行执行serial_txs中的所有交易。
(5)出块节点在执行完rely_txs的所有并行交易和serial_txs中的所有串行交易后,将这些列表分别存储于块中,并广播区块。
同步节点验证交易的方法如下:
(1)同步节点收到出块节点的新块后,首先并行执行所有并行交易列表,串行执行每个列表内部的交易,如果在执行过程中出现下列情况,则判断该区块中止执行。
(a)如果交易的类型为“串行执行”。
(b)如果交易所读取的数据单元信息集合read_state’和写入的数据单元索引集合write_index’,与用户发起的交易中的read_state或write_index不一致,且状态冲突处理方法字段为“改为串行”。
(2)同步节点串行执行serial_txs中的所有交易,完成后,该区块即同步完成。
进一步地,数据单元划分的方法,可以按照账户地址、UTXO输出或账户内部基本数据结构(int,map,struct)进行划分。
本发明的有益效果在于:本发明舍弃了区块链必须串行执行交易的规则,同时又不对交易进行简单并发执行,而是让用户首先进行简单模拟执行,简化节点端并发难度,最终使节点端可以高效地对交易进行并发处理,同时容忍并发失败和串行执行,极大地加快了节点的交易吞吐量。
附图说明
图1为本发明总体架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示,一种基于区块链的并行交易执行方法,该方法中,首先对区块链中的交易所涉及的数据单元进行划分,每个数据单元产生唯一性索引index。本发明不限制数据单元划分的方法,可以按照账户地址、UTXO输出、账户内部基本数据结构(int,map,struct)等进行划分,还需要考虑块高度、时间戳等非账户数据。
各用户节点实时同步出块节点的最新区块,保持本地最新的链状态备份。用户发起交易时,选择交易类型,如果选择的交易类型为“串行执行”,直接将交易内容Data签名广播;如果选择的交易类型为“并行执行”,根据本地最新状态,对交易内容进行模拟执行,获得状态依赖信息State,并签名广播。其中State包含如下内容:上述模拟执行过程中会读取的数据单元的索引集合read_indexes;模拟执行过程会写入的数据单元的索引集合write_indexes;以及状态冲突处理方法:“交易报错”或“改为串行”。
出块节点执行交易、打包出块的方法如下:
(1)出块节点生成一个空的列表serial_txs用于存放串行交易。
(2)构建一个空的集合rely_txs,用于存放多组并行交易列表;构建一个空的集合rely_indexes用于存放一系列子集。rely_txs中的每组并行交易列表会生成一组对应的依赖数据单元,rely_indexes的每一个子集就是用于存放这组依赖数据单元的索引集合的。具体如下:
出块节点逐个选择交易类型为“并行执行”的交易。假设当前选择的“并行执行”交易为tx,当前已生成的rely_indexes子集个数为N个,出块节点对这N个子集进行遍历。假设当前正在遍历的子集为rely_indexes_%i%,如果该子集对应的并行交易列表rely_indexes_%i%为空列表,即子集rely_indexes_%i%为空,或tx的read_indexes和write_index的并集与rely_indexes_%i%存在交集,则将tx加入到rely_txs_%i%中,将tx的write_indexes加入到rely_indexes_%i%中。
如果对所有子集遍历完成,均不存在交集或空元素,则新建子集,将tx中的write_indexes中的数据单元索引加入到rely_indexes的N+1个子集中,并在rely_txs中建立新的并行交易列表,将该交易tx加入到该新建的交易列表中。
(3)出块节点并行执行rely_txs中的的并行交易列表,串行执行每个并行交易列表内部的交易。在执行某交易的过程中,如果该交易所读取的数据单元信息集合read_indexes’和写入的数据单元索引集合write_indexes’,与该交易的状态依赖信息State中声明的read_indexes或write_indexes不一致,则根据状态冲突处理方法进行处理,如果是“交易报错”则按照错误交易处理,如果是“改为串行”,将该交易添加到串行交易列表serial_txs中。
(4)所有并发交易执行完毕后,逐个选择类型为“串行执行”的交易添加到串行交易列表serial_txs中,并串行执行serial_txs中的所有交易。
(5)出块节点在执行完rely_txs的所有并行交易和serial_txs中的所有串行交易后,将这些列表分别存储于块中,并广播区块。
同步节点验证交易的方法如下:
(1)同步节点收到出块节点的新块后,首先并行执行所有并行交易列表,串行执行每个列表内部的交易,如果在执行过程中出现下列情况,则判断该区块中止执行。
(a)如果交易的类型为“串行执行”。
(b)如果交易所读取的数据单元信息集合read_state’和写入的数据单元索引集合write_index’,与用户发起的交易中的read_state或write_index不一致,且状态冲突处理方法字段为“改为串行”。
(2)同步节点串行执行serial_txs中的所有交易,完成后,该区块即同步完成。

Claims (2)

1.一种基于区块链的并行交易执行方法,其特征在于,该方法中,首先对区块链中的交易所涉及的数据单元进行划分,每个数据单元产生唯一性索引index;各用户节点实时同步出块节点的最新区块,保持本地最新的链状态备份;用户发起交易时,选择交易类型,如果选择的交易类型为“串行执行”,直接将交易内容Data签名广播;如果选择的交易类型为“并行执行”,根据本地最新状态,对交易内容进行模拟执行,获得状态依赖信息State,并签名广播;其中State包含如下内容:上述模拟执行过程中会读取的数据单元的索引集合read_indexes;模拟执行过程会写入的数据单元的索引集合write_indexes;以及状态冲突处理方法:“交易报错”或“改为串行”;
出块节点执行交易、打包出块的方法如下:
(1)出块节点生成一个空的列表serial_txs用于存放串行交易;
(2)构建一个空的集合rely_txs,用于存放多组并行交易列表;构建一个空的集合rely_indexes用于存放一系列子集;rely_txs中的每组并行交易列表会生成一组对应的依赖数据单元,rely_indexes的每一个子集就是用于存放这组依赖数据单元的索引集合的;具体如下:
出块节点逐个选择交易类型为“并行执行”的交易;假设当前选择的“并行执行”交易为tx,当前已生成的rely_indexes子集个数为N个,出块节点对这N个子集进行遍历;假设当前正在遍历的子集为rely_indexes_%i%,如果该子集对应的并行交易列表为空列表,即子集rely_indexes_%i%为空,或tx的read_indexes和write_indexes的并集与rely_indexes_%i%存在交集,则将tx加入到rely_txs_%i%中,将tx的write_indexes加入到rely_indexes_%i%中;
如果对所有子集遍历完成,均不存在交集或空元素,则新建子集,将tx中的write_indexes中的数据单元索引加入到rely_indexes的N+1个子集中,并在rely_txs中建立新的并行交易列表,将该交易tx加入到该新建的交易列表中;
(3)出块节点并行执行rely_txs中的并行交易列表,串行执行每个并行交易列表内部的交易;在执行某交易的过程中,如果该交易所读取的数据单元索引集合read_indexes’和写入的数据单元索引集合write_indexes’,与该交易的状态依赖信息State中声明的read_indexes或write_indexes不一致,则根据状态冲突处理方法进行处理,如果是“交易报错”则按照错误交易处理,如果是“改为串行”,将该交易添加到串行交易列表serial_txs中;
(4)所有并发交易执行完毕后,逐个选择类型为“串行执行”的交易添加到串行交易列表serial_txs中,并串行执行serial_txs中的所有交易;
(5)出块节点在执行完rely_txs的所有并行交易和serial_txs中的所有串行交易后,将这些列表分别存储于块中,并广播区块;
同步节点验证交易的方法如下:
(1)同步节点收到出块节点的新块后,首先并行执行所有并行交易列表,串行执行每个列表内部的交易,如果在执行过程中出现下列情况,则判断该区块中止执行;
(a)如果交易的类型为“串行执行”;
(b)如果交易所读取的数据单元索引集合read__indexes’和写入的数据单元索引集合write_indexes’,与用户发起的交易中的状态依赖信息State中声明的read_indexes或write_indexes不一致,且状态冲突处理方法字段为“改为串行”;
(2)同步节点串行执行serial_txs中的所有交易,完成后,该区块即同步完成。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,数据单元划分的方法,按照账户地址、UTXO输出或账户内部基本数据结构int、map或struct,进行划分。
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