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CN111046102A - 基于以太坊的高性能区块链服务系统 - Google Patents

基于以太坊的高性能区块链服务系统 Download PDF

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CN111046102A CN201911182804.7A CN201911182804A CN111046102A CN 111046102 A CN111046102 A CN 111046102A CN 201911182804 A CN201911182804 A CN 201911182804A CN 111046102 A CN111046102 A CN 111046102A
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Abstract

一种基于以太坊的高性能区块链服务系统，该系统包括：区块链后台服务接口模块、区块链底层服务模块和任务调度与负载均衡模块，所述区块链后台服务接口模块用于与底层区块链平台之间的交互；所述区块链底层服务模块用于对用户提供区块链服务；所述任务调度与负载均衡模块用于将任务分发到底层区块链服务节点。

Description

基于以太坊的高性能区块链服务系统
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，特别是涉及一种基于以太坊的高性能区块链服务系统。
背景技术
BlockChain(区块链)的概念于2009年被中本聪提出，近年来一直是学术界和工业界非常热门的研究方向。随着工业4.0时代的到来，以及移动互联网的快速发展，使得区块链技术有更为广泛的应用场景，从最开始的数字货币领域，到现在应用到自然的交易信任场景中，如积分交易、版权保护以及私募股权项目信息交易等场景中。传统的区块链技术应用方式包括：
基于Linux系统构建底层区块链服务平台，通过平台提供的客户端对外服务，在应用层调用相应的接口实现服务的调用。区块链底层平台Ethereum一般基于Linux构建并且构建过程复杂，客户端参与区块链网络中的活动并对外提供相应的服务。即，区块链技术的应用可以包括三个部分：
(1)构建底层区块链服务平台。区块链服务平台如Ethereum、HyperLedger等均提供相应的客户端完成相应操作。以Ethereum为例，首先基于Linux操作构建服务环境，然后安装运行其客户端Geth Client。Geth Client参与区块链网络中的活动，如挖矿、管理账户等，对外开放8485端口供应用使用。
(2)编写智能合约。智能合约是运行在EVM中的将区块链相关的核心业务，合约一般使用Solidity编写，编译无错后发布到以太坊中。
(3)搭建后台服务接口。在应用端通过RPC调用连接Geth Client开放的8545接口，在服务端封装各种操作并对外提供接口。
由此可见，传统的区块链技术应用方式涉及模块多，且每个模块均可能出现故障，需要一定的冗余机制，且每个模块均需要提高其并发能力。
发明内容
本发明实施例提供一种基于以太坊的高性能区块服务系统，能够对外提供高性能的区块链服务。
本发明实施例之一，一种基于以太坊的高性能区块链服务系统，包括区块链后台服务接口模块、区块链底层服务模块和任务调度与负载均衡模块。所述区块链后台服务模块用于应用与底层区块链平台之间交互；所述区块链底层服务模块用于对用户提供高可靠性的区块链服务；所述负载均衡调度模块用于将任务分发到底层区块链服务节点使得整个系统的并发性能达到最高。所述区块链底层服务模块提供的区块链服务，包括运行智能合约、发布交易、参与维护一致性等操作。
所述区块链后台服务接口模块结合微服务思想构建，将业务横向拆分为读写业务纵向拆分为服务提供者和服务消费者，在提供者和消费者之间加入消息中间件做流量削锋和任务缓存。
所述区块链底层服务模块基于Docker容器构建，在服务能力不足的情况下增加服务节点的数量对外提供服务。
所述任务调度与负载均衡模块负责将区块链后台服务接口模块传来的任务按照负载均衡模型分配到区块链底层服务模块中。负载均衡模型的设计考虑容器的状态，选取容器状态中受影响变化最大的两个参数内存与磁盘IO大小建立容器状态平面。所述负载均衡参数为
Figure BDA0002291722460000021
其中m为容器的数量，Disave是所有容器在初始状态与即将负载崩溃状态下到原点距离的平均值，详细定义为
Figure BDA0002291722460000022
其中x11和x12是容器在初始状态下的内存占比和磁盘IO量的归一化取值，x21和x22是容器在即将崩溃前的内存占有率和磁盘IO量的归一化取值。所述任务调度与负载均衡模块在LBH<0的情况下对容器状态距离原点较远的容器进行资源回收再分配处理。
本发明实施例与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
—相较于传统区块链应用方式，降低了系统的耦合度，能够在资源消耗最小的代价下根据需求扩展系统；
—实现了将以太坊服务平台搭建到容器中，可动态增加以太坊服务平台的服务性能；
—设计了针对区块链应用场景的负载均衡策略，可以提高区块链服务系统的服务并发性。
本发明可以应用到区块链技术应用领域如版权保护、私募股权项目信息募集与交易等，降低区块链技术的应用难度，提高了区块链服务性能。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1是根据本发明实施例之一的区块链后台服务接口模块框架图。
图2是根据本发明实施例之一的区块链底层服务模块框架图。
图3是根据本发明实施例之一获得的实验效果图。
具体实施方式
根据一个或者多个实施例，一种基于以太坊的高性能区块链服务系统，包括区块链后台服务接口模块、区块链底层服务模块和任务调度与负载均衡模块，所述区块链后台服务模块用于应用与底层区块链平台之间交互；所述区块链底层服务模块用于对用户提供高可靠性的区块链服务；所述负载均衡调度模块用于将任务分发到底层区块链服务节点使得整个系统的并发性能达到最高。
所述区块链后台服务接口模块结合微服务思想构建，将业务横向拆分为读写业务纵向拆分为服务提供者和服务消费者，在提供者和消费者之间加入消息中间件做流量削锋和任务缓存，并对所有子模块进行实时状态监控以确保系统正常运行。
所述区块链底层服务模块基于Docker容器构建，在服务能力不足的情况下增加服务节点的数量对外提供服务。
所述任务调度与负载均衡模块负责将区块链后台服务接口模块传来的任务按照负载均衡模型分配到区块链底层服务模块中。负载均衡模型的设计考虑容器的状态，选取容器状态中受影响变化最大的两个参数内存与磁盘IO大小建立容器状态平面。所述负载均衡参数为
Figure BDA0002291722460000041
其中m为容器的数量，Disave是所有容器在初始状态与即将负载崩溃状态下到原点距离的平均值，详细定义为
Figure BDA0002291722460000042
其中x11和x12是容器在初始状态下的内存占比和磁盘IO量的归一化取值，x21和x22是容器在即将崩溃前的内存占有率和磁盘IO量的归一化取值。所述任务调度与负载均衡模块在LBH<0的情况下对容器状态距离原点较远的容器进行资源回收再分配处理。
根据一个或者多个实施例，如图1所示，一种基于微服务的区块链后台服务接口模块，进一步包括服务提供者模块、服务消费者模块、服务发现与注册中心模块、API网关模块、消息队列模块。所述服务提供者模块用于与底层区块链平台交互并向上提供服务；所述服务消费者模块对外提供API接口；所述服务发现与注册中心模块用于管理整个后台接口服务系统中的子系统运行状况；所述API网关模块整合所有服务消费者的接口对外提供统一的接口；所述消息队列模块用于缓存任务，达到流量削锋的效果。
根据一个或者多个实施例，如图2所示，一种基于以太坊的区块链底层服务模块，基于Docker容器构建以太坊官方客户端Geth Client对外提供服务，旨在解决单服务端对外提供服务能力不足的情况。该区块链底层服务模块包括状态监控模块与客户端服务模块，所述状态监控模块用于监控Geth客户端的运行状况；所述客户端服务模块用于处理区块链相关业务如发布和运行智能合约、转账等。所述客户端服务模块中有多客户端对外提供服务，因此需要设计适应区块链服务化场景下的负载均衡策略。
根据一个或者多个实施例，一种任务调度与负载均衡模块，该模块的运行包括四个步骤，包括建立容器状态向量模型、定义负载系统健康状态参数、构建任务优先级分配模型、构建任务分配模型。
所述建立容器状态向量模型是根据容器运行中的状态的变化较大的参数内存占用率和磁盘读取量建立容器的状态分布图；所述定义负载系统健康状态参数用于建立整个负载系统的健康评价指标，根据该指标调整负载系统的运行情况；所述构建任务优先级分配模型用于根据任务的不同特点进行分类，确定任务之间的优先级；所述构建任务分配模型是将任务分配到最合适的容器上以实现整个区块链服务系统的并发性能的最大化。
进一步的，当运行Geth Client的容器在执行任务过程中，内存和磁盘IO量两个参数变化较大，因此选用这两个参数的归一化后的值建立容器的状态分布图。容器在未执行任务的初始状态时投影到状态分布图中的点较接近原点，即内存占用率低、未有大量的磁盘IO数据。在执行任务之后，内存占用率升高且有大量的磁盘IO数据，因此我们根据容器在状态空间中的分布作为负载调度依据。
分别计算m个容器在未执行任务时的状态投影到原点距离的平均值
Figure BDA0002291722460000051
以及容器在执行任务到即将发生组设时的状态投影到原点的平均值
Figure BDA0002291722460000052
求其平均值为
Figure BDA0002291722460000053
此平均值可以作为容器健康状态的指标，如果容器状态投影到原点的距离小于该值，说明容器状态健康，容器越小说明越健康；如果容器状态投影到原点的距离大于该值，说明容器状态非健康，越大越不健康。定义负载系统的健康参数为
Figure BDA0002291722460000054
当LBH>＝0时，整个负载系统处于健康状态，此时负载系统正常运行；当LBH<0时，负载系统处于非健康状态，此时负载系统需要对部分容器进行回收再分配资源处理。
区块链相关业务涉及向区块链上写数据与从区块链上读数据，读数据对资源的消耗极小(可忽略)，因此将读任务与写任务分离，其中读任务优先。向区块链数据写入数据的任务包括发布智能合约、操作账户和调用智能合约，所述发布智能合约任务在任务流中出现的频率最低但重要性最高；所述操作账户任务包括创建账户、解锁账户和获取账户代币余额等，此类任务出现频率大于发布智能合约任务，重要性更小；所述调用智能合约出现频率最高且重要性相对最低。据此构建任务优先级模型，读任务优先于写任务；写任务优先级从高到低为发布智能合约、操作账户和调用智能合约，相同类型任务按先来先服务原则执行。
根据Disave将状态空间分为两个区域，容器状态值小于等于Disave的为安全区域容器，反之为非安全区域的容器。读任务在安全区域与非安全区域的容器中运行均安全，写任务在安全区域的容器内运行安全，但是在非安全区域的容器中运行可能导致容器发生阻塞。因此构建如下任务分配模型：
(1)读任务优先分配到非安全区域，且从到原点的距离由低到高分配；
(2)当非安全区没有容器时，读任务分配到写安全区域，从Dis从高到低分配；
(3)写任务优先分配到安全区域中，从到原点的距离由高到低分配；
(4)当LBH<0时，利用消息队列缓存任务等待阻塞容器的回收；
(5)当LBH>＝0时，可以适当加大任务流。
性能测试通过与单客户端与单体区块链服务后台系统构成的区块链服务平台做并发性能对比。因区块链底层服务平台是多客户端架构的，为了测试多客户端在提供服务方面的能力，这里将采用的测试分别采用3客户端、5客户端和8客户端三种形式进行测试。对于并发性方面的测试，我们分别在200、600、1000和1200并发量的情况下测试响应时间。在200并发量的时候，单客户端的完成速度高于多客户端，这是因为在多客户端之间的切换需要消耗时间。因此在低并发情况下，单客户端架构性能优于多客户端架构。在并发量到600及往上的时候，多客户端架构的优越性逐渐体现出来，多客户端的任务完成时间小于单客户端的任务完成时间，而且随着客户端的数量的增加，任务完成的时间变得更短。在并发量达到1200的时候，单客户端因为阻塞问题导致无法正常完成功能。但是多客户端架构依然在没有影响的情况下完成任务。如图3的实验效果对比图。
不难发现，本发明实施例相较于传统的区块链技术应用方式增加了系统的容错机制，降低了系统的故障发生率。本发明实施例实现了区块链技术与微服务思想的结合，可大大的提高区块链服务的并发性，应用简单，可以应用到版权保护、交易平台等系统的构建中，提高系统的服务能力和可靠性。
应理解，在本发明实施例中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于以太坊的高性能区块链服务系统，其特征在于，该系统包括：区块链后台服务接口模块、区块链底层服务模块和任务调度与负载均衡模块，
所述区块链后台服务接口模块用于与底层区块链平台之间的交互；
所述区块链底层服务模块用于对用户提供区块链服务；
所述任务调度与负载均衡模块用于将任务分发到底层区块链服务节点。
2.根据权利要求1所述的区块链服务系统，其特征在于，所述区块链底层服务模块用于对外提供的区块链服务包括运行智能合约、发布交易和/或参与维护一致性操作。
3.根据权利要求1所述的区块链服务系统，其特征在于，所述区块链后台服务接口模块，将业务横向拆分为读写业务，纵向拆分成服务提供者与服务消费者，在服务提供者和服务消费者之间加入消息中间件做流量削锋和任务缓存。
4.根据权利要求1所述的区块链服务系统，其特征在于，所述区块链底层服务模块基于Docker容器构建，可以在服务能力不足的情况下增加容器数量，用以提升服务性能。
5.根据权利要求1所述的区块链服务系统，其特征在于，所述任务调度与负载均衡模块，包括四个步骤：
建立容器状态向量模型；
定义负载系统健康状态参数；
构建任务优先级分配模型；以及
构建任务分配模型，
所述建立容器状态向量模型是根据容器运行中的状态的变化较大的参数内存占用率和磁盘读取量建立容器的状态分布图；
所述定义负载系统健康状态参数用于建立整个负载系统的健康评价指标，根据该指标调整负载系统的运行情况；
所述构建任务优先级分配模型用于根据任务的不同特点进行分类，确定任务之间的优先级；
所述构建任务分配模型是将任务分配到最合适的容器上以实现整个区块链服务系统的并发性能的最大化。
6.根据权利要求5所述的区块链服务系统，其特征在于，所述任务调度与负载均衡模块，根据底层区块链服务模块的容器状态，根据容器状态中变化较大的参数建立容器状态平面，将容器状态分为两个区域；
分别计算m个容器在没有执行任务的状态和执行多次任务后下一次即将出现阻塞时的状态到原点的距离的平均值Disavemin与Disavemax，求取两者的平均值Disave，以其为两个区域的分界线；
将状态平面分区作为区块链相关业务调度依据。
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