一种基于存储应用场景的区块链多层级构架及其运行方法与流程

本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及基于存储应用场景的区块链多层级构架及其运行方法。

背景技术：

在本申请中，采用“区块链”该技术术语用以涵盖所有形式的基于电子、计算机的分布式账本，即包括但不限于基于共识的区块链和交易链技术、许可和未许可的账本、共享账本及其变型。

其中区块链技术最广为人知的应用是比特币账本，但目前现有技术中已存在基于其架构开发出其他区块链实现方式。虽然本文出于方便和说明的目的引用比特币进行示例说明，但本领域技术人员应了解，本发明并不限于与比特币区块链一起使用，因此任何基于该“区块链”技术及其概念所产生的替代的区块链实现方式和协议，均落入本发明的揭示范围内。

区块链作为一种电子账本，其被实现为基于计算机的去中心化的分布式系统，该系统由多个区块组成，而这些区块又由多笔交易组成。每笔交易是对区块链系统中的参与者之间的数字资产的控制的转移进行编码的数据结构，并且每笔交易包括至少一个输入和至少一个输出。每个区块包含前一个区块的散列，从而这些区块变为链接在一起，以创建自从区块链起始已写入区块链的所有交易，并永远不可再更改的记录。

而为了将交易写入区块链，必须对交易进行“验证”。网络节点（矿工）必须执行工作以确保每笔交易是有效的，并使无效交易受拒于网络。即安装在节点上的软件客户端通过执行其锁定脚本和解锁脚本，对未花费的交易(utxo)执行此验证工作。如果锁定脚本和解锁脚本的执行被评估为真(true)，则交易有效并且交易写入区块链。因此，为了将交易写入区块链，该交易必须：1由接收交易的第一节点验证，如果交易被验证，则节点将该交易中继到网络中的其他节点；2添加到由矿工建造的新区块；以及；3被开采，即添加到过去交易的公共账本。

尽管区块链技术以加密货币实现方式的应用而广为人知，但数字企业家已经开始探索比特币所基于的加密安全系统以及可存储在区块链上以实现新系统的数据的应用。如果区块链可以用于不限于加密货币领域的自动化任务和处理，那将是非常有利的。这样的解决方案将能够利用区块链的优点(例如事件的永久性、防篡改记录、分布式处理等)，来升级现有的商业网络方案。

目前现有技术领域研究的一个方面是区块链在实施“智能合约”方面的应用。这些智能合约是设计于自动执行机器可读合约或协议条款的计算机程序。与将用自然语言编写的传统合约不同，智能合约是一种机器可执行程序，该机器可执行程序包括可以处理输入以产生结果的规则，然后可以使得取决于这些结果执行动作。

而本发明则结合了各种现有技术构思，以期提供能够在不同方之间提供的基于区块链机制的存储服务的基础架构。而本领域所面临的技术难题在于，当前区块链的设计在面对存储服务应用场景时无法直接适用，即便勉强采用也有着严重的性能延迟问题，从而一直困扰着本领域技术人员。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种基于存储应用场景的区块链多层级构架及其运行方法，以在原单链区块链技术基础之上，面向去中心化分布式存储业务场景，提出多层级架构方案，以实现高并发存储任务、高可靠存储数据的功能，从而解决现有区块链技术在面向存储应用场景时的性能延迟问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于存储应用场景的区块链多层级构架，其包括：在主区块链上注册合约链，使其依附于主链之下；在合约链上注册证明链，使其依附与合约链条之下：该合约链上存储并维护有交易合约，通过接收来自证明链的存储证明事件，以在交易合约中进行结算。

优选地，该基于存储应用场景的区块链多层级构架，还包括：用户节点及存储节点在合约链上发起注册，形成供需方，当用户节点发起交易合约后，由任务调度器撮合符合条件的存储节点进行交易，并为存储节点指定对应证明链，以供存储节点给出执行存储任务的存储证明事件。

优选地，其中合约链根据证明链上传的存储证明事件依据交易合约，做出执行包括：签订交易合约任务、交易合约存续任务、交易合约重新调度任务、交易合约终止任务、交易合约结算任务中的至少一种任务，并更新交易合约。

优选地，其中交易合约包括：记录各存储节点所负责的用户节点的存储标的的智能合约，该智能合约包括：存储标的id、存储时长、存储价格、用户节点id、存储节点id中的至少一种数据。

优选地，其中存储证明事件包括：存储标的复制成功、存储标的存续证明、内容存储失败、存储节点友好离场、硬盘损坏以及存储节点离线中的至少一种变动事件数据。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种采用该基于存储应用场景的区块链多层级构架的运行方法，当执行签订交易合约任务时执行步骤包括：s1用户节点在合约链上创建交易合约，发起存储需求要约，包括给出存储需求大小，时长和可支付费用条件；s2任务调度器根据交易合约要求，匹配满足存储需求大小、时长和可支付费用条件的现有存储节点，匹配成功后，更新存储交易合约，将用户节点的支付费用和存储节点的抵押费用放入交易合约，并将存储节点的地址信息更新到交易合约；s3用户节点根据存储节点的地址信息发送存储标的给到匹配上的存储节点；s4存储节点完成接收存储标的之后，向证明链发送存储标的证明，证明链将该存储标的复制成功事件发送给合约链；s5合约链收到存储标的复制成功的存储证明事件后，更改对应的交易合约，使其生效。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种采用该基于存储应用场景的区块链多层级构架的运行方法，当执行交易合约存续任务时执行步骤包括：s1用户节点的交易合约在存续期间，存储节点持续向证明链提供存储标的存续证明事件，以证明存储节点在继续履约；s2证明链将该存储标的存续证明事件发送给合约链；s3合约链收到存储标的存续证明事件后，继续维持对应的交易合约有效性。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种采用该基于存储应用场景的区块链多层级构架的运行方法，当执行交易合约重新调度任务时执行步骤包括：s1当用户节点的交易合约在存续期间，存储节点无法持续提供状态正常的存储证明事件的，该交易合约将被重新调度，存储节点的抵押费用将被罚没；s2调度器根据交易合约要求，重新匹配满足存储需求大小、时长和可支付费用条件的现有存储节点，匹配成功后，更新交易合约，并将新匹配的存储节点的抵押费用放入合约；s3新匹配的存储节点从前任存储节点，或者存有该存储标的其他存储节点上择一方式获取该存储标的；s4新匹配的存储节点完成接收存储标的之后，向证明链发送存储标的复制成功事件，证明链将该存储标的复制成功存储证明事件发送给合约链；s5合约链收到存储标的复制成功的存储证明事件后，更改对应的交易合约，重新使其生效。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种采用该基于存储应用场景的区块链多层级构架的运行方法，当执行交易合约终止任务时执行步骤包括：s1用户节点的交易合约在存续期间由用户主动终止的，合约链根据存续时间结算后，将剩余费用退还至用户节点的账户中；s2用户节点的交易合约到期后，自然终止的，存储节点获得合约收益；s3存储节点通过证明链发送友好离场事件给合约链，使得该交易合约再次被调度的，存储节点的抵押费用部分被罚没。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种采用基于存储应用场景的区块链多层级构架的运行方法，当执行交易合约结算任务时执行步骤包括：存储节点在交易合约存续期间，持续向证明链提供存储标的存续证明事件，由证明链向合约链上报，以向交易合约索取存续期间所应得的收益，并以定期、不定期或一次性中任一方式提取收益。

通过本发明提供的，该基于存储应用场景的区块链多层级构架及其运行方法，能够实现高并发存储任务、高可靠存储数据的功能，从而解决现有区块链技术在面向存储应用场景时的性能延迟问题相比现有技术的云存储的中心化管理，更具有灵活性和抗风险性。

该系统框架，可以在网络中提供分布式存储服务，以根据用户的存储需求，通过合约链适配相应的存储节点，自动促成存储交易，同时为了确保存储可靠性，则通过存储节点的变动事件触发智能合约，以确保在预设机制下，自动适配并转移存储标的。

从而持续可靠的执行用户的交易合约，以形成去中心化的存储功效，充分利用网络中的空余存储资源获取利益，并避免存储在某一中心化存储器上的焦点攻击风险，降低所能遇到的存储丢失风险，形成高可靠性的分布式存储资源分配交易构架。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的基于存储应用场景的区块链多层级构架结构示意图；

图2是本发明的基于存储应用场景的区块链多层级构架结构示意图；

图3是本发明的基于存储应用场景的区块链多层级构架执行签订交易合约任务步骤示意图；

图4是本发明的基于存储应用场景的区块链多层级构架执行交易合约存续任务步骤示意图；

图5是本发明的基于存储应用场景的区块链多层级构架执行交易合约重新调度任务步骤示意图；

图6是本发明的基于存储应用场景的区块链多层级构架执行交易合约终止任务步骤示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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发明。

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，在本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“s1”、“s2”及等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

为解决现有技术的缺陷，本发明实施例提供的该基于存储应用场景的区块链多层级构架，其采用p2p网络构架设计，以形成以“节点”或“对等点”的互连的计算设备之间共享工作和任务的分布式架构，从而形成去中心化网络，实现没有单独计算机受指定为“掌管”。

如图1至图2所示，本发明实施例提供的该基于存储应用场景的区块链多层级构架，其以现有区块链如比特币链为主链，设计了两层侧链，即合约链：管理智能合约的区块链，及证明链：管理存储证明的区块链，从而对主区块链交易所需存储的智能合约及相应证明信息进行扩容存储。

具体来说，该合约链依附于主链之下，可根据用户节点所发起的业务需求，形成若干条合约链，从而与主链上的各区块形成对应，籍此根据存储任务的增长及分布情况，弹性横向扩容，并承受高并发存储任务。进一步来说，该合约链用于维护及存储智能合约，并同时承载存储智能合约的结算任务，其通过接收来自证明链的存储证明事件，以在交易合约中进行结算。

而该证明链，即合约链的侧链。其中各个合约链之下可有若干证明链，该证明链的数量取决于该合约链上存储节点的数量。从而能够根据存储任务的增长及分布情况，弹性横向扩容。其中当存储节点被分配到指定的证明链上后，同一合约链下的存储节点只能在指定的证明链上的提供证明，以形成有序管理。而该证明链还负责记录存储节点上所存储标的的证明信息，及监控所存储标的的状态变动事件，即存储证明事件。

其中该变动事件包括内容复制成功或失败事件，或者存储节点离线，硬盘损坏等异常事件。这些变动事件会向合约链报告，触发合约链上智能合约进行相应的处理动作。

另一方面，该证明链在设计中被赋予验证服务和监控服务任务。该验证服务响应存储节点的存储证明请求，并将存储证明结果存储在证明链上。该监控服务用来监测存储节点的在线状态，如果存储节点离线，该离线事件也需要存储到证明链上，从而对交易执行方的任何执行动向进行信息搜集，以确保存储服务的高可靠性。

具体来说，本发明的该基于存储应用场景的区块链多层级构架方案，其基于p2p网络构架，提出了基于区块链技术的分布式存储构架，该构架能够允许发起存储需求的网络节点（用户节点）与满足用户节点存储需求的网络节点（存储节点）在合约链上进行节点注册，并形成供方和需求方，从而通过用户节点在该合约链上发起存储需求要约，由任务调度器调取符合存储需求的存储节点，以在智能合约的规则下，进行匹配及交易，而该证明链则用于存储该存储节点给出的已完成存储任务的存储证明事件，以供智能合约能够进行验证并更新，并在各相应区块链上记录相应信息，或将变动事件向合约链报告，触发合约链上智能合约的处理动作，以确保整体交易的稳定和可持续性。

因此，可以看出各个用户发起的存储服务的交易合约，都可衍生出各个独立的合约链及对应的复数证明链，从而满足存储用户的高并发存储任务的需求，并形成稳定高效且可靠的交易流程。

其中需要说明的是，该区块链在设计上，主要服务于用户存储服务场景的需求，并倚靠主区块链作为经济基础/支撑，因此实际具有存储需求/供给的用户节点/存储节点是在合约链上进行节点注册，并在合约链上发起存储需求交易，而该合约链则是在主区块链上进行注册并获得在相应账户，从而形成由合约链代理用户节点/存储节点向主区块链发起交易及记录的系统构架，并最终由各合约链上报主区块链完成并记录收支交易，形成一种依托主区块链金融体系的第三方交易及支付管理模式。

此外由于区块链技术基于交易和验证体系，因此本实施例中，该合约链需要用户节点/存储节点进行预先充值，才能在该合约链上进行存储交易服务的匹配使用。同时该用户节点和存储节点也可以通过其自身在主区块链上的节点账户，向主区块链上指定的合约链的节点账户进行充值，所充值的资产会转移到对应的合约链上各个用户节点和存储节点的账户中，然后在合约链上进行交易和消费。同样，用户节点或存储节点在合约链上赚取的资产，也可以通过上述逆向操作，进行提现，转移回至用户节点或存储节点在主区块链上的账户中，从而使得此类构架具有较高商业价值。

以下为了更好的说明该构架下的运行方法，首先对该交易合约及存储证明事件在本实施例下进行定义：

其中用户节点发起的该交易合约包括：记录各存储节点所负责的用户节点的存储标的的智能合约，该智能合约进一步包括：存储标的id，存储时长，存储价格，用户节点id，存储节点id等。同时该交易合约记录在合约链上，不可随意窜改。

而存储节点向证明链给出的存储证明事件包括：存储标的复制成功、存储标的存续证明、内容存储失败、存储节点友好离场，以及存储节点离线等变动事件。这些事件需要由存储证明链上报给合约链做相应的处理。

举例来说，请参阅图3至图6，在优选实施方式下，该基于存储应用场景的区块链多层级构架的具体运行方法为：

1）交易合约签订：

s1用户节点在合约链上创建交易合约，发起存储需求要约，包括给出存储需求大小，时长和可支付费用等条件。

s2任务调度器根据交易合约要求，匹配满足存储需求大小、时长和可支付费用条件的现有存储节点，匹配成功后，更新交易合约，并将用户节点的支付费用和存储节点的抵押费用放入交易合约，并将存储节点的地址信息更新到交易合约。

s3用户节点根据存储节点的地址信息，发送存储标的给到匹配上的存储节点。

s4存储节点完成接收存储标的之后，向证明链发送存储标的证明，证明链将该存储标的复制成功事件发送给合约链。

s5合约链收到存储标的复制成功的存储证明事件后，更改对应的交易合约，使其生效。

2）交易合约存续：

s1用户节点的交易合约在存续期间，需要存储节点持续提供存储标的存续证明事件来证明存储节点在继续履约。

s2存储节点向证明链发送存储标的存储证明事件，证明链将该存储标的存续证明事件发送给合约链。

s3合约链收到存储标的存续证明事件后，继续维持对应的交易合约有效性。

3）交易合约重新调度：

s1用户节点的交易合约在存续期间，如果存储节点不能持续提供存储证明来证明存储节点在继续履约，该交易合约将被重新调度，存储节点的抵押费用将被罚没。

具体来说，当证明链向合约链发送存储标的失败事件，或者存储节点离线等异常的变动事件，合约链将安排该合约进入重新调度状态。

s2调度器根据交易合约要求，重新匹配满足存储需求大小、时长和可支付费用条件的现有存储节点，匹配成功后，更新交易合约，并将新匹配的存储节点的抵押费用放入合约。

s3新匹配的存储节点从前任存储节点，或者存有该存储标的其他存储节点上择一方式获取该存储标的。

s4新匹配的存储节点完成接收存储标的之后，向证明链发送存储标的证明，证明链将该存储标的复制成功事件发送给合约链。

s5合约链收到存储标的复制成功的存储证明事件后，更改对应的交易合约，重新使其生效。

4）交易合约终止：

s1用户节点的交易合约在存续期间可以由用户主动终止，合约链根据存续时间结算后，将剩余费用退还至用户节点的账户中。

s2用户节点的交易合约到期后，自然终止，存储节点可以获得所有应得收益。

s3存储节点不能主动终止交易合约，但能够通过证明链发送友好离场事件给合约链，使得该交易合约再次被调度，存储节点的抵押费用部分被罚没。

5）交易合约收益：

s1存储节点在交易合约存续期间，只要能够定期提供正常存储的存储证明事件，就能够获得该段存续期所获得的收益。

s2存储节点可以定期或不定期向交易合约提取可获得的收益，或者等到合约履行完成后一次性提取。

综上所述，根据上述基于存储应用场景的区块链多层级构架及其运行方法的揭示，可知本发明的方案，相比现有技术的云存储的中心化管理，更具有灵活性和抗风险性。该系统框架，可以在网络中提供分布式存储服务，以根据用户的存储需求，通过合约链适配相应的存储节点，自动促成存储交易，同时为了确保存储可靠性，则通过存储节点的变动事件触发智能合约，以确保在预设机制下，自动适配并转移存储标的，从而持续可靠的执行用户的交易合约，以形成去中心化的存储功效，充分利用网络中的空余存储资源获取利益，并避免存储在某一中心化存储器上的焦点攻击风险，降低所能遇到的存储丢失风险，形成高可靠性的分布式存储资源分配交易构架。

且本发明的方案依附于现有主区块链金融体系及技术的衍生交易服务构架，及商业模式，具有较高的商业可实现性及经济价值，并解决了现有单一主区块链技术面向存储应用场景时的性能延迟问题。以在原单链区块链技术基础之上，面向去中心化分布式存储业务场景，给出多层级架构方案，实现了高并发存储任务、高可靠存储数据的功能。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器（processor）执行本申请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，randomaccessmemory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。