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

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。

Images