用于区块链的数据分片方法和装置

技术领域

本公开的实施例涉及计算机技术领域，具体涉及用于区块链的数据分片方法和装置。

背景技术

区块链是一种在去中心化的分布式网络中通过共识机制对操作执行次序达成全局一致性的一种分布式软件。受制于共识机制需要在全体网络节点中达成一致性，所以区块链的吞吐量一般只能做到几百到几千的上限，并且无法随着业务量上升而进行扩展。数据分片的特性正式为了解决区块链网络的可扩展性而提出的。

通过分片，将每个网络节点需要处理交易数量大大下降，从而使得通过增加网络节点来提高区块链处理能力的扩展机制成为可能。

现有分片技术分案的双层或多层的根链+子链结构，部署维护复杂，且交易在不同子链之间的路由也相对费时，子链之间存在业务依赖关系的话则需要更多的跨链操作来完成单笔交易的执行，增加了系统的复杂度且降低了执行效率。

对以Cosmos-SDK为代表的新一代通过模块化的软件架构快速构建定制化区块链的方案，不适用以太坊2.0这类针对通用区块链架构的分片方案，目前也缺乏对应的解决方案。

发明内容

本公开的实施例提出了用于区块链的数据分片方法和装置。

第一方面，本公开的实施例提供了一种用于区块链的数据分片方法，包括：挂载核心模块所对应的存储，并根据预先指定的分片角色挂载分片模块所对应的存储，其中，核心模块为区块链中所有节点的必备模块，分片模块为区块链中各节点的可选模块；响应于接收到包括交易类型的交易请求，根据分片角色确定是否需要执行交易类型的交易；若需要，则执行交易类型的交易，得到交易执行结果；若交易类型属于分片交易，则将交易执行结果写入分片模块所对应的存储，否则写入核心模块所对应的存储；将核心模块对应存储的哈希作为应用状态哈希放入区块头中进行全局一致性共识，并将分片模块的存储哈希写入区块头中对应分片的位置。

在一些实施例中，根据分片角色确定是否需要执行交易类型的交易，包括：如果交易类型为核心交易，则需要执行交易类型的交易。

在一些实施例中，根据分片角色确定是否需要执行交易类型的交易，包括：如果交易类型不是核心交易，则将交易类型与分片角色所分配的交易类型进行匹配；若匹配成功，则需要执行交易类型的交易。

在一些实施例中，该方法还包括：将本节点所不运行的分片模块的存储哈希写入空值。

在一些实施例中，该方法还包括：响应于接收到来自其它节点的分片模块的存储哈希，检测是否与本节点运行了相同分片；若双方都运行了相同分片，则进行分片模块的存储哈希的共识校验。

在一些实施例中，分片模块禁止对核心模块或其它外部进行写入。

第二方面，本公开的实施例提供了一种用于区块链的数据分片装置，包括：挂载单元，被配置成挂载核心模块所对应的存储，并根据预先指定的分片角色挂载分片模块所对应的存储，其中，核心模块为区块链中所有节点的必备模块，分片模块为区块链中各节点的可选模块；确定单元，被配置成响应于接收到包括交易类型的交易请求，根据分片角色确定是否需要执行交易类型的交易；执行单元，被配置成若需要，则执行交易类型的交易，得到交易执行结果；存储单元，被配置成若交易类型属于分片交易，则将交易执行结果写入分片模块所对应的存储，否则写入核心模块所对应的存储；提交单元，被配置成将核心模块对应存储的哈希作为应用状态哈希放入区块头中进行全局一致性共识，并将分片模块的存储哈希写入区块头中对应分片的位置。

在一些实施例中，确定单元进一步被配置成：如果交易类型为核心交易，则需要执行交易类型的交易。

在一些实施例中，确定单元进一步被配置成：如果交易类型不是核心交易，则将交易类型与分片角色所分配的交易类型进行匹配；若匹配成功，则需要执行交易类型的交易。

在一些实施例中，提交单元进一步被配置成：将本节点所不运行的分片模块的存储哈希写入空值。

在一些实施例中，该装置还包括分片共识单元，被配置成：响应于接收到来自其它节点的分片模块的存储哈希，检测是否与本节点运行了相同分片；若双方都运行了相同分片，则进行分片模块的存储哈希的共识校验。

在一些实施例中，分片模块禁止对核心模块或其它外部进行写入。

第三方面，本公开的实施例提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，其上存储有一个或多个程序，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现如第一方面中任一的方法。

第四方面，本公开的实施例提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，程序被处理器执行时实现如第一方面中任一的方法。

本公开的实施例提供的用于区块链的数据分片方法和装置，给出了以业务模块为基础单元的分片方案。不同于现有方案普遍一个分片对应一条子链的做法，本方案将在单条链内完成分片操作，极大简化了区块链的部署维护工作。本技术方案使得区块链节点在有限的硬件计算存储资源下能够有效的提高处理能力，并且让不同的区块链参与节点可以专注与自身关注的业务逻辑。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1a、1b是本公开的一个实施例可以应用于其中的示例性系统架构图；

图2是根据本公开的用于区块链的数据分片方法的一个实施例的流程图；

图3是根据本公开的用于区块链的数据分片方法的区块链分层软件架构；

图4是根据本公开的用于区块链的数据分片方法的一个应用场景的示意图；

图5是根据本公开的用于区块链的数据分片装置的一个实施例的结构示意图；

图6是适于用来实现本公开的实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

图1a、1b示出了可以应用本公开的用于区块链的数据分片方法或用于区块链的数据分片装置的实施例的示例性系统架构100。

如图1a所示，系统架构100可以包括本地终端101、共识节点102、第三方服务器103和共识终端104。本地终端101、共识节点102、第三方服务器103和共识终端104之间通过网络通信。网络可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。

图1b所示为用于区块链的数据分片方法的网络结构示意图。一个共识节点可供一个用户独享，也可与其它用户共享。

用户可以使本地终端101和通过网络与共识节点102、第三方服务器103和共识终端104交互，以接收或发送消息等。本地终端101和共识终端上可以安装有各种通讯客户端应用，例如网页浏览器应用、购物类应用、搜索类应用、即时通信工具、邮箱客户端、社交平台软件等。

本地终端101和共识终端104可以是硬件，也可以是软件。当本地终端101和共识终端104为硬件时，可以是支持共识请求各种电子设备。任何与业务组织内节点相连的终端设备都可作为本地终端101，即本地终端101和共识终端104可以互换。可由某个用户通过终端主动发起隐私状态的共识请求，也可由第三方服务器控制业务组织内各节点发起隐私状态的共识请求。

共识节点A、B、C属于同一个业务组织S。业务组织S内的执行相同的可选交易。

区块链系统由共识层和应用层组成。共识层主要封装网络节点(即，共识节点)的各类共识算法。通过共识节点的投票，在很短的时间内完成对交易的验证和确认。对一笔交易，如果有效举证数量达到一定阈值，如超过组织成员数的三分之二的节点能够达成共识，我们就可以认为全网对此也能够达成共识。

如图3所示，模块化的区块链软件架构分为：

共识层：负责构建P2P网络及其数据广播并维护区块链的共识状态机，共识状态机中存储了区块数据、共识参数、验证人集合等数据。

应用层：应用层工作在共识层之上，负责验证和执行共识层中接收的和确认的交易。应用层又由App、Module、Store构成。App是应用层的执行入口，负责解析交易并将其转发到对应的Module中来完成执行；Module是区块链从业务功能上划分出来的单独的功能模块，负责处理执行该业务类型的交易并完成区块链共识状态机的更新；Store用来管理挂载在系统和各个不同Module下的存储分区，负责对区块链共识状态机进行持久化，并把状态哈希交给共识层完成一致性检查。Store包括levelDB和prefixDB，其中levelDB是底层的真实数据库，prefixDB是上面的抽象封装，来对DB做分区处理。

需要说明的是，共识节点可以实现成多个服务器组成的分布式服务器集群，也可以实现成单个服务器。

第三方服务器103可提供节点管理功能，例如增加/删除节点，分配各节点的分片角色等。

数据分片能够降低区块链节点的存储压力，并减少所需执行交易的数量。本发明在应用层中把业务模块分为核心模块与分片模块。对于核心模块，网络中的任何节点都必须存储和执行对应交易；对于分片模块，网络节点根据自身的分片类型来决定是否存储和执行对应交易。

分片模块即可选模块，节点允许在启动时，选择加载的模块列表。例如系统中现有的如下可选模块：

其中record可以代表“存证”功能，service可以代表“服务”功能，Contract代表“合约”功能。

分片角色定义了区块链节点的分片类型，描述了节点启动时加载运行的模块列表。节点可以根据需求自定义分片角色，自行选择加载的模块列表，也可以使用预置的分片角色。目前系统创建了几个预置分片角色full,record-service，contract-only，分别表示存储所有分片模块的全节点，存储record和service模块的分片节点，只存储evm智能合约模块的分片节点。

分片角色作为应用层配置信息的一部分，需要在启动节点时进行指定，并登记在应用的上下文环境中。

需要说明的是，本公开的实施例所提供的用于区块链的数据分片方法一般由共识节点102执行，业务组织内的任何一个节点都可发起共识请求。相应地，用于区块链的数据分片装置一般设置于共识节点102中。

应该理解，图1中的本地终端、共识节点、第三方服务器和共识终端的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的本地终端、共识节点、第三方服务器和共识终端。

继续参考图2，示出了根据本公开的用于区块链的数据分片方法的一个实施例的流程200。该用于区块链的数据分片方法，包括以下步骤：

步骤201，挂载核心模块所对应的存储，并根据预先指定的分片角色挂载分片模块所对应的存储。

在本实施例中，用于区块链的数据分片方法的执行主体(例如图1a所示的共识节点)预先被指定了分片角色。该节点除了要执行核心模块的功能之外，还要执行分配的角色的功能。其中，核心模块为区块链中所有节点的必备模块，例如转账模块、参数管理模块、链上自理、stake模块等。分片模块为区块链中各节点的可选模块，例如存证模块、业务功能模块等。

区块链节点启动时可以指定该节点的分片角色，如chain start--node-role＝"contract-only"或chain start--node-role＝"record,contract"。节点首先会挂载所有的核心模块所对应的存储，然后根据命令行所指定的分片角色，即当前节点的node-role来决定挂载哪些存储。在后续初始化的过程中，根据当前节点的node-role来决定是否调用对应分片模块的方法。与核心模块的实现不同，分片模块的实现中需要严格禁止对其他核心模块或其他外部进行写入，只能改变自身的应用状态。这一限制是要把分片模块对应用状态的变更局限在其自身的沙盒环境中，避免对全局状态造成污染。

挂载指的是在app里面注册对应模块存储的名字、路径。会有一个store被创建出来，给这个模块使用，然后这个store被注册在app的root multi store(存储管理)中。

步骤202，响应于接收到包括交易类型的交易请求，根据分片角色确定是否需要执行交易类型的交易。

在本实施例中，接收到交易请求后，解析出交易类型。交易类型可包括核心交易和分片交易2大类，分片交易又可根据具体交易细分为不同的小类。如果是核心交易，则无论当前节点的分片角色是什么都是必须执行的，执行后得到核心交易执行结果。如果是分片交易，则根据具体的分片类型与分片角色指定的交易类型进行匹配，若匹配成功，则需要执行所述交易类型的交易。例如，如果当前节点的分片角色为"contract-only"，即只执行合约交易，如果收到了“record”的分片交易请求，则不执行该分片交易。如果收到了“contract”的分片交易请求，则需要执行该分片交易请求。

步骤203，若需要，则执行交易类型的交易，得到交易执行结果。

在本实施例中，如果在步骤202中判断出需要执行收到的交易请求，才能开始执行，否则不需要执行。

步骤204，若交易类型属于分片交易，则将交易执行结果写入分片模块所对应的存储，否则写入核心模块所对应的存储。

在本实施例中，在交易执行结果中，加入TagSharding来标识该交易是否是分片交易。在共识层中接收到交易执行结果后，解析TagSharding，如果是分片交易则不存储其执行结果(否则不同节点的交易执行结果集合不一致，导致共识冲突)。

步骤205，将核心模块对应存储的哈希作为应用状态哈希放入区块头中进行全局一致性共识，并将分片模块的存储哈希写入区块头中对应分片的位置。

在本实施例中，在更新区块状态阶段，需要把核心模块和分片模块的存储分别进行提交。根据现有技术约定的Hash计算方法，根据各模块的存储的数据计算出Hash值，例如默克尔Hash。核心模块对应存储的默克尔Hash作为应用状态Hash放入区块头中进行全局一致性共识；不同节点将自己所运行的分片模块的存储默克尔Hash写入区块头中对应分片的位置，自己所不运行的分片Hash写入空值，所以共识层在对分片模块的Hash进行共识校验的时候，仅对双方都运行了相同分片时才进行。可用字符串和分隔符来标识各分片Hash。

继续参见图4，图4是根据本实施例的用于区块链的数据分片方法的应用场景的一个示意图。在图4的应用场景中，三个节点被指派了不同的分片角色。节点A需要执行分片交易1，节点B需要执行分片交易1和分片交易2，节点C需要执行分片交易2。节点A、B、C都必须执行核心交易，分别得到各自节点的核心交易结果后生成AppHash。节点A、B、C还分别执行分片交易，得到分片交易结果后生成分片Hash。其中，节点A除得到AppHash外还得到了分片1Hash，节点B除得到AppHash外还得到了分片1Hash和分片2Hash，节点C除得到AppHash外还得到了分片2Hash。最后节点A、B、C可通过AppHash进行共识。节点A的分片1Hash和节点B的分片1Hash可进行校验。节点B的分片2Hash和节点C的分片2Hash可进行校验。而节点A和节点C之间没有相同分片可校验。

本公开的上述实施例提供的方法使得区块链节点在有限的硬件计算存储资源下能够有效的提高处理能力，并且让不同的区块链参与节点可以专注与自身关注的业务逻辑。

进一步参考图5，作为对上述各图所示方法的实现，本公开提供了一种用于区块链的数据分片装置的一个实施例，该装置实施例与图2所示的方法实施例相对应，该装置具体可以应用于各种电子设备中。

如图5所示，本实施例的用于区块链的数据分片装置500包括：挂载单元501、确定单元502、执行单元503、存储单元504和提交单元505。其中，挂载单元501，被配置成挂载核心模块所对应的存储，并根据预先指定的分片角色挂载分片模块所对应的存储，其中，核心模块为区块链中所有节点的必备模块，分片模块为区块链中各节点的可选模块；确定单元502，被配置成响应于接收到包括交易类型的交易请求，根据分片角色确定是否需要执行交易类型的交易；执行单元503，被配置成若需要，则执行交易类型的交易，得到交易执行结果；存储单元504，被配置成若交易类型属于分片交易，则将交易执行结果写入分片模块所对应的存储，否则写入核心模块所对应的存储；提交单元505，被配置成将核心模块对应存储的哈希作为应用状态哈希放入区块头中进行全局一致性共识，并将分片模块的存储哈希写入区块头中对应分片的位置。

在本实施例中，用于区块链的数据分片装置500的挂载单元501、确定单元502、执行单元503、存储单元504和提交单元505的具体处理可以参考图2对应实施例中的步骤201、步骤202、步骤203、步骤204和步骤205。

在本实施例的一些可选的实现方式中，确定单元502进一步被配置成：如果交易类型为核心交易，则需要执行交易类型的交易。

在本实施例的一些可选的实现方式中，确定单元502进一步被配置成：如果交易类型不是核心交易，则将交易类型与分片角色所分配的交易类型进行匹配；若匹配成功，则需要执行交易类型的交易。

在本实施例的一些可选的实现方式中，提交单元505进一步被配置成：将本节点所不运行的分片模块的存储哈希写入空值。

在本实施例的一些可选的实现方式中，装置500还包括分片共识单元(附图中未示出)，被配置成：响应于接收到来自其它节点的分片模块的存储哈希，检测是否与本节点运行了相同分片；若双方都运行了相同分片，则进行分片模块的存储哈希的共识校验。

在本实施例的一些可选的实现方式中，分片模块禁止对核心模块或其它外部进行写入。

下面参考图6，其示出了适于用来实现本公开的实施例的电子设备(例如图1中的共识终端)600的结构示意图。图6示出的共识终端仅仅是一个示例，不应对本公开的实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图6所示，电子设备600可以包括处理装置(例如中央处理器、图形处理器等)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的程序或者从存储装置608加载到随机访问存储器(RAM)603中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 603中，还存储有电子设备600操作所需的各种程序和数据。处理装置601、ROM 602以及RAM 603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。

通常，以下装置可以连接至I/O接口605：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风、加速度计、陀螺仪等的输入装置606；包括例如液晶显示器(LCD)、扬声器、振动器等的输出装置607；包括例如磁带、硬盘等的存储装置608；以及通信装置609。通信装置609可以允许电子设备600与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图6示出了具有各种装置的电子设备600，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。图6中示出的每个方框可以代表一个装置，也可以根据需要代表多个装置。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置609从网络上被下载和安装，或者从存储装置608被安装，或者从ROM 602被安装。在该计算机程序被处理装置601执行时，执行本公开的实施例的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本公开的实施例所述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开的实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。

上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：挂载核心模块所对应的存储，并根据预先指定的分片角色挂载分片模块所对应的存储，其中，核心模块为区块链中所有节点的必备模块，分片模块为区块链中各节点的可选模块；响应于接收到包括交易类型的交易请求，根据分片角色确定是否需要执行交易类型的交易；若需要，则执行交易类型的交易，得到交易执行结果；若交易类型属于分片交易，则将交易执行结果写入分片模块所对应的存储，否则写入核心模块所对应的存储；将核心模块对应存储的哈希作为应用状态哈希放入区块头中进行全局一致性共识，并将分片模块的存储哈希写入区块头中对应分片的位置。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的实施例的操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本公开的实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的单元也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种处理器包括挂载单元、确定单元、执行单元、存储单元和提交单元。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定，例如，挂载单元还可以被描述为“挂载核心模块所对应的存储，并根据预先指定的分片角色挂载分片模块所对应的存储的单元”。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。