一种基于可删除/加入区块的链拓扑结构

技术领域

本发明属于信息处理领域，尤其涉及一种基于可删除/加入区块的链拓扑结构。

背景技术

涉及基于边缘的物联网系统，其中边缘服务器使用区块链技术形成分布式物联网数据网络，用来存储和共享物联网数据。其中，多媒体和网络物理数据的智能处理发生在通过区块链处理关键交易的边缘节点上。

随着物联网的飞速发展，物联网终端的数量越来越多，需要保护的数据也越来月庞大，目前主要面临以下问题：1.数据的私密性越加需要保护，所以本课题将物联网和区块链技术相结合，将传统的集中式物联网结构变为分散式结构，所有节点分散部署具有，具有防篡改和防伪造能功能。2.物联网终端采集的数据越来越庞大，集中式的处理无疑会加重数据处理负担和存储容量。所以本课题将边缘计算引入到具有区块链技术的物联网中，采用区块链技术在物联网节点部署边缘节点，可以极大提高数据传输和处理速度。

发明内容

本发明将边缘计算引入到具有区块链技术的物联网中，采用区块链技术在物联网节点部署边缘节点，可以极大提高数据传输和处理速度。针对在传统的物联网区块链技术中，区块不断增加，存储容量不断减小，能耗增加，提出基于删除/加入区块的处理方法，来增加边缘存储器存储容量和减小运算负担；在基于对有限生命区块删除的基础上，必然会降低区块高度，通过设计区块链结构，提高区块高度，从而来增加区块链的安全性。

本发明实施例提供了如下技术方案：

当区块链中的某块被删除，或者有新的块持续加入时，原有的区块链结构会发生变化，可能存在二种情况：一，会使整个链断开，二，原有链具有鲁棒性，不会断开。基于上述情况，提出二种区块链拓扑结构，第一个具有树结构的图，基于生命周期的到期顺序；第二个具有线性结构的图，基于常规链中的创建顺序。在这两种结构下，基于具有存储优先级/生命周期区块的删除以及加入。

1)基于生命周期的块删除

在具有线性连接块的传统区块链中，如果在稍后创建的块的结束时间之前删除一个块，则该区块链将被断开。考虑如下确保块连接的结构。具有基于块结束时间顺序的图结构。创建一个块时，将创建一个从新块到现有块的有向边。边缘方向表示新块的哈希是所连接块的哈希的函数。图2描述了如何在现有区块链中插入新区块。对于第i个时间创建的块用bi表示，其中i＝1、2，...。用ti表示创建第i个块的时间戳，用ei表示bi的结束时间。

A.假设存在结束时间晚于新块bi的块。在这些块中，bi以有向边链接一个从bi到所连接的块结束时间最早的一个块；

B.如果现有块的所有结束时间都早于新块bi的结束时间，则将bi连接到具有从bi到G的有向边的创世块G。假定G的寿命是无限的；

图3描述插入规则获得的有向图称为结束时间排序图(EOG)。根据结束时间的优先级关系，EOG将具有树形拓扑，其中根节点为创世块G。

图4描述了区块的删除方法，对于给定的有向边，将边的头部称为父节点，将边的尾部称为子节点。对于块bi，在整个本文中，根据结束时间排序的bi的父节点用b

2)基于生命周期的引用块删除

在区块链中，每个交易都引用一个或多个以前的交易来支持其有效性。图5中实线椭圆形表示有用的区块，虚线的椭圆形表示可删除的区块，实线正方形表示有效的、在生命周期内的，虚线正方形表示的可删除或者无用的交易。相互引用事务的结构如图5所示。在输入字段中，交易引用属于一个或多个先前事务的输出列表，并指示交易的索引所属交易中的输出。在区块链中，执行交易验证的节点称为完整节点。完整节点需要十多个过程来验证事务是否有效。最基本的想法是检查用于支付新生成的交易的资产。因此，对于正在验证的交易中的每个输入，完全节点将检查引用的输出是否存在。否则，交易将被拒绝。此外，完整节点还保护区块链免受双重支出问题的影响。

3)基于块高度K的安全性：增加块高度

如果删除块的数量多余新增加块的数量，潜在问题在于，以从块到原始块的距离来衡量，块的高度可能很浅。换句话说，从一个块开始并沿边缘方向追溯到G的路径长度可以很短。图6，在最右边的情况下，尽管不包括G的块总数为5，但是b5的高度仅为2。但是，在常规区块链中，b5的高度应为5。由于删除了区块，区块链的总大小可能并不总是会增加，这可能会创建低矮的分支。从安全的角度来看，较长的链是可取的，从区块链中所谓的“最长链规则”可以看出。当在区块链中创建多个新链时，将创世区块中最长的链选择为有效链。粗略的想法是，链条越长，解开该链条就越困难，因此该链条被认为更安全。

本发明有二种方法来增加区块的高度：一，新加入的区块，会使原来的区块高度增加。二，我们保持所删除对象区块里的非交易信息内容，只保留诸如块头和当前、以及前若干个区块的哈希值。这样就会大大提高所研究区块链的安全性。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明将边缘计算引入到具有区块链技术的物联网中，采用区块链技术在物联网节点部署边缘节点，可以极大提高数据传输和处理速度。针对在传统的物联网区块链技术中，区块不断增加，存储容量不断减小，能耗增加，提出基于删除/加入区块的处理方法，来增加边缘存储器存储容量和减小运算负担；在基于对有限生命区块删除的基础上，必然会降低区块高度，通过设计区块链结构，提高区块高度，从而来增加区块链的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例所提供的一种基于可删除/加入区块的链拓扑结构的流程示意图。

图2本发明区块生成顺序图；

图3本发明区块加入示意图；

图4本发明区块删除示意图；

图5本发明基于生命周期的引用块删除示意图；

图6本发明块高示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，本发明将边缘计算引入到具有区块链技术的物联网中，采用区块链技术在物联网节点部署边缘节点，可以极大提高数据传输和处理速度。

本发明针对在传统的物联网区块链技术中，区块不断增加，存储容量不断减小，能耗增加，提出基于删除/加入区块的处理方法，来增加边缘存储器存储容量和减小运算负担；在基于对有限生命区块删除的基础上，必然会降低区块高度，通过设计区块链结构，提高区块高度，从而来增加区块链的安全性。

本发明要达到的目标是：

(1)当物联网终端和数据急剧增加的情况下，采用区块链技术，如何使用边缘计算技术来解决边缘节点的存储问题，使其免受大容量存储和海量计算所带来的资源消费和资源浪费。

(2)使用区块链和边缘计算的物联网时，采取某种针对区块链中的块进行特定的删除或者增加，会大大降低由于海量数据所带来的存储问题，但这同时带来开销的增加所以我们的研究目标是如何来找到开销和对区块链操作二者之间的平衡。

(3)在删除和插入新区块时，整个物联网节点的存储会相应增加，但链的安全性能可能会进一步降低。所以本发明的另一个目标为由区块变化而引起的区块链安全问题。

本发明的主要内容是：

(1)基于优先级/生命周期的物联网区块

本发明主要研究主要集中于存储方面的问题。现有研究大部分都没有考虑对去区块链中区块的可删除性。本发明考虑对区块的可删除，比如多个人的隐私信息、一些过期的气象数据等，这些存在于块中的信息，当积累到一定程度时会大大影响物联网的存储空间，同时还会影响对这些无用数据所进行运算的资源浪费。可以对区块链可以删除过时的块，从而确保充当完整节点的边缘服务器的存储空间。

(2)基于可删除区块的区块链拓扑

当区块链中的某块被删除，或者有新的块持续加入时，原有的区块链结构会发生变化，可能存在二种情况：一，会使整个链断开，二，原有链具有鲁棒性，不会断开。基于上述情况，发明提出二种区块链拓扑结构，第一个具有树结构的图，基于生命周期的到期顺序；第二个具有线性结构的图，基于常规链中的创建顺序。在这两种结构下，本发明基于具有存储优先级/生命周期区块的删除以及加入。

(3)基于区块可删除的区块链安全

区块链的特点是安全、防篡改和伪造，但这些都是基于理论的推算，是基于私钥、公钥、哈希值算法以及区块数目较多是的情况。当无用的或者存储优先级低的区块删除后，区块链的块高就会降低，则整个区块链的安全性就会降低。本发明提出一种新的区块链架构，提高了区块链的安全性。

本发明的具体技术方案是：

1、块删除的方法：

(1)基于生命周期的块删除

在具有线性连接块的传统区块链中，如果在稍后创建的块的结束时间之前删除一个块，则该区块链将被断开。考虑如下确保块连接的结构。具有基于块结束时间顺序的图结构。创建一个块时，将创建一个从新块到现有块的有向边。边缘方向表示新块的哈希是所连接块的哈希的函数。图2描述了如何在现有区块链中插入新区块，即生成顺序图。对于第i个时间创建的块用bi表示，其中i＝1、2，...。用ti表示创建第i个块的时间戳，用ei表示bi的结束时间。

A.假设存在结束时间晚于新块bi的块。在这些块中，bi以有向边链接一个从bi到所连接的块结束时间最早的一个块；

B.如果现有块的所有结束时间都早于新块bi的结束时间，则将bi连接到具有从bi到G的有向边的创世块G。假定G的寿命是无限的；

图3描述插入规则获得的有向图称为结束时间排序图(EOG)，即区块加入示意图。根据结束时间的优先级关系，EOG将具有树形拓扑，其中根节点为创世块G。

图4描述了区块的删除方法，即区块删除示意图，对于给定的有向边，将边的头部称为父节点，将边的尾部称为子节点。对于块bi，在整个本文中，根据结束时间排序的bi的父节点用b

(2)基于生命周期的引用块删除

在区块链中，每个交易都引用一个或多个以前的交易来支持其有效性。图5中实线椭圆形表示有用的区块，虚线的椭圆形表示可删除的区块，实线正方形表示有效的、在生命周期内的，虚线正方形表示的可删除或者无用的交易。相互引用事务的结构如图5所示，即基于生命周期的引用块删除示意图。在输入字段中，交易引用属于一个或多个先前事务的输出列表，并指示交易的索引所属交易中的输出。在区块链中，执行交易验证的节点称为完整节点。完整节点需要十多个过程来验证事务是否有效。最基本的想法是检查用于支付新生成的交易的资产。因此，对于正在验证的交易中的每个输入，完全节点将检查引用的输出是否存在。否则，交易将被拒绝。此外，完整节点还保护区块链免受双重支出问题的影响。

2、基于块高度K的安全性：增加块高度

如果删除块的数量多于新增加块的数量，潜在问题在于，以从块到原始块的距离来衡量，块的高度可能很浅。换句话说，从一个块开始并沿边缘方向追溯到G的路径长度可以很短。图6为块高示意图，在最右边的情况下，尽管不包括G的块总数为5，但是b5的高度仅为2。但是，在常规区块链中，b5的高度应为5。由于删除了区块，区块链的总大小可能并不总是会增加，这可能会创建低矮的分支。从安全的角度来看，较长的链是可取的，从区块链中所谓的“最长链规则”可以看出。当在区块链中创建多个新链时，将创世区块中最长的链(就总难度而言)选择为有效链。粗略的想法是，链条越长，解开该链条就越困难，因此该链条被认为更安全。

本发明有二种方法来增加区块的高度：一，新加入的区块，会使原来的区块高度增加(这里的区块链结构并非传统的链状链接)。二，我们保持所删除对象区块里的非交易信息内容，只保留诸如块头和当前、以及前若干个区块的哈希值。这样就会大大提高所研究区块链的安全性。

图6中正方形的数字代表一个快的生命周期，虚线代表要删除的块。

本发明公开一种基于可删除/加入区块的链拓扑结构，如图1所示，包括：

当区块链中的某块被删除，或者有新的块持续加入时，原有的区块链结构会发生变化，可能存在二种情况：一，会使整个链断开，二，原有链具有鲁棒性，不会断开。基于上述情况，提出二种区块链拓扑结构，第一个具有树结构的图，基于生命周期的到期顺序；第二个具有线性结构的图，基于常规链中的创建顺序。在这两种结构下，基于具有存储优先级/生命周期区块的删除以及加入。

1)基于生命周期的块删除

在具有线性连接块的传统区块链中，如果在稍后创建的块的结束时间之前删除一个块，则该区块链将被断开。考虑如下确保块连接的结构。具有基于块结束时间顺序的图结构。创建一个块时，将创建一个从新块到现有块的有向边。边缘方向表示新块的哈希是所连接块的哈希的函数。图2描述了如何在现有区块链中插入新区块。对于第i个时间创建的块用bi表示，其中i＝1、2，...。用ti表示创建第i个块的时间戳，用ei表示bi的结束时间。

A.假设存在结束时间晚于新块bi的块。在这些块中，bi以有向边链接一个从bi到所连接的块结束时间最早的一个块；

B.如果现有块的所有结束时间都早于新块bi的结束时间，则将bi连接到具有从bi到G的有向边的创世块G。假定G的寿命是无限的；

图3描述插入规则获得的有向图称为结束时间排序图(EOG)。根据结束时间的优先级关系，EOG将具有树形拓扑，其中根节点为创世块G。

图4描述了区块的删除方法，对于给定的有向边，将边的头部称为父节点，将边的尾部称为子节点。对于块bi，在整个本文中，根据结束时间排序的bi的父节点用b

2)基于生命周期的引用块删除

在区块链中，每个交易都引用一个或多个以前的交易来支持其有效性。图5中实线椭圆形表示有用的区块，虚线的椭圆形表示可删除的区块，实线正方形表示有效的、在生命周期内的，虚线正方形表示的可删除或者无用的交易。相互引用事务的结构如图5所示。在输入字段中，交易引用属于一个或多个先前事务的输出列表，并指示交易的索引所属交易中的输出。在区块链中，执行交易验证的节点称为完整节点。完整节点需要十多个过程来验证事务是否有效。最基本的想法是检查用于支付新生成的交易的资产。因此，对于正在验证的交易中的每个输入，完全节点将检查引用的输出是否存在。否则，交易将被拒绝。此外，完整节点还保护区块链免受双重支出问题的影响。

3)基于块高度K的安全性：增加块高度

如果删除块的数量多余新增加块的数量，潜在问题在于，以从块到原始块的距离来衡量，块的高度可能很浅。换句话说，从一个块开始并沿边缘方向追溯到G的路径长度可以很短。图6，在最右边的情况下，尽管不包括G的块总数为5，但是b5的高度仅为2。但是，在常规区块链中，b5的高度应为5。由于删除了区块，区块链的总大小可能并不总是会增加，这可能会创建低矮的分支。从安全的角度来看，较长的链是可取的，从区块链中所谓的“最长链规则”可以看出。当在区块链中创建多个新链时，将创世区块中最长的链(就总难度而言)选择为有效链。粗略的想法是，链条越长，解开该链条就越困难，因此该链条被认为更安全。

本发明有二种方法来增加区块的高度：一，新加入的区块，会使原来的区块高度增加(这里的区块链结构并非传统的链状链接)。二，我们保持所删除对象区块里的非交易信息内容，只保留诸如块头和当前、以及前若干个区块的哈希值。这样就会大大提高所研究区块链的安全性。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。