一种基于分层多域区块链网络的数据管理系统及方法与流程

本发明属于区块链技术领域，具体技术涉及一种基于分层多域区块链网络的数据管理系统及方法。

背景技术：

区块链具有去中心化分布式、智能合约、透明共享、安全性高等良好特性，在食品安全、能源、医疗、金融等领域具有广阔的应用场景。尤其在食品安全领域，如果能够共享食品行业数据，那么食品行业的发展将会获得巨大的收益，有助于研究如何优化产业链，提高食品质量监管和防伪水平；通过将食品产业链各环节企业接入区块链网络，可实现信息的透明共享、防止个人/企业恶意篡改有效信息、保障用户隐私、实现电子取证、全程监管等功能。然而存在问题：

当前区块链网络主要采用主干网设计理念，难以满足社会层级化监管需求；

拜占庭算法普遍存在的百节点陷阱问题致使区块链网络后期扩展困难，后期将呈现严重性能瓶颈，严重影响数据共享管理。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种基于分层多域区块链网络的数据管理系统及方法。

本发明系统的技术方案为一种基于分层多域区块链网络的数据管理系统，其特征在于，包括：采集端、多台节点服务器、用户终端；

所述采集端与所述多台节点服务器中每台节点服务器依次连接；所述多台节点服务器中任意两台节点服务器互相连接；所述用户终端与所述多台节点服务器中每台节点服务器依次连接。

本发明方法的技术方案为一种基于分层多域区块链网络的数据管理方法，具体包括如下步骤：

步骤1：将多台节点服务器分为多个区块链网络区域，在区块链网络区域中选择一台节点服务器作为监管节点服务器，将剩余节点服务器作为背书节点服务器，以构建下层区块链网络；

步骤2：通过多个区块链网络的区域网络中监管节点服务器构建上层区块链网络；

步骤3：采集端采用电子识别技术自动采集产业链中各环节的数据，传输至其所属下层区块链网络中区块链网络的区域网络中的背书节点服务器，并通过网关背书节点服务器生成区块链网络区域中数字签名、调用数据验证智能合约验证数据，网关背书节点服务器将数字签名与验证结果传输至用户终端；

步骤4：用户终端对区块链网络中区块链网络区域返回的数字签名进行验证，数字签名验证通过则将各环节的数据传输至步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器，并由监管节点服务器验证各环节的数据的有效性，并排序并生成一个新的数据块；

步骤5：监管节点服务器将产业链中各环节的数据依据merkletree方式打包成一个新的数据块，并在其上层区块链网络中及监管下层区块链网络中区块链网络区域内广播；

步骤6：上层区块链网络中其它监管节点服务器及监管下层区块链网络中区块链网络中背书节点服务器接收数据块，更新本地数据信息，实现区域内网络数据信息的同步。

作为优选，步骤1中所述将多台节点服务器分为多个区块链网络区域为：

将多台节点服务器根据时间与空间等因素分为l个区块链网络区域，第k个区块链网络区域中节点服务器的数量为sk，k∈[1,l]；

步骤1中所述通过多台节点服务器选择一台节点服务器作为监管节点服务器为：

在第k个区块链网络区域中，通过基于熵权的模糊综合评价算法建立区域节点服务器信用评价的量化体系，以选择第k个区块链网络区域的监管节点服务器，具体步骤如下：

步骤1.1,建立评价因子集合：

定义影响因素集合为：

u＝(u1,u2,…,un)

其中，ui＝(si,1,si,2,si,3,…,si,m)表示第i个影响因素集合，n为影响因素集合的数量，该影响因素集合中影响因子的数量为m，si,j|i∈[1,n],j∈[1,m]表示第i个影响因素集合中第j个影响因子；

步骤1.2,确定评价等级标准：

结合中国网络安全等级标准，定义评价标准v＝(v1,v2,v3,v4)，v1表示优，v2表示良，v3表示合格，v4表示差；

步骤1.3,构建模糊评价矩阵：

根据3σ准则,选择6σ作为隶属函数的域，则评价等级标准隶属度函数为：

其中，其中，xi为专家对第i个影响因素的评价值，σ为隶属度函数标准差，δ1为隶属度函数pi,1第一标准差，σ20为隶属度函数pi,2第二标准差，σ21为隶属度函数pi,2第三标准差，σ30为隶属度函数pi,3第四标准差，σ31为隶属度函数pi,3第五标准差，σ4为隶属度函数pi,4第六标准差，vl|l＝[1,4]为第l级评价等级，e为自然对数的底数，pi,l为第i个影响因素的第l级评价等级的隶属度值；

可计算得到第i个影响因素的隶属度pi＝[pi,1pi,2pi,3pi,4]；

对pi进行归一化处理得ri，具体过程为：

其中，ri＝[ri,1ri,2ri,3ri,4]；

步骤1.4,计算指标影响因素i的权重：

对各影响因素中的指标因子标准化处理：

计算第i个影响因素集合的权重:

步骤1.5,计算节点信誉综合评价指数

首先构建信誉模糊综合评价矩阵：

再计算节点服务器信誉综合评价指数：

cer＝z*v^t

在第k个区块链网络区域中，sk台节点服务器通过步骤1.1至步骤1.5计算各节点服务器信誉综合评价指数并在所属区域广播，选择cer最大值的节点服务器作为第k个区块链网络区域中监管节点服务器；

步骤1中所述构建下层区块链网络为：

剩余sk-1台节点服务器作为背书节点服务器,监管节点服务器以及sk-1台背书节点服务器构成下层区块链网络中的区域网络；

作为优选，步骤2中所述构建上层区块链网络为：

将步骤1中所述的第1个区块链网络区域中监管节点服务器、第2个区块链网络区域中监管节点服务器、…、第l个区块链网络区域中监管节点服务器，l台监管节点服务器构建上层区块链网络。

作为优选，步骤3中所述各环节的数据为：

datal,l∈[1,k]为第l环节的数据，k为产业链中环节的数量；

区块链网络区域中的背书节点服务器为nodek,q：

第k个区块链网络区域中第q台背书节点服务器；

k∈[1,l],q∈[1,sk-1]；

l为下层区块链网络中区块链网络区域的数量，(sk-1)为第k个区块链网络区域中背书节点服务器的数量；

步骤3中所述网关背书节点服务器为：

将nodek,q作为第k个区块链网络区域中网关背书节点服务器，将datal,l∈[1,k]广播至剩余的(sk-2)背书节点服务器及监管者节点服务器；

步骤3中所述通过网关背书节点服务器生成数字签名与验证结果为：

在第k个区块链网络区域中的(sk-1)台背书节点服务器分别通过数据验证智能合约，对datal,l∈[1,k]进行格式与有效性验证和过滤，生成对应的背书节点服务器验证结果为:

resultk,1,resultk,2,…,resultk,(sk-1)

将resultk,1,resultk,2,…,resultk,(sk-1)传输至网关背书节点服务器，通过实用拜占庭容错算法处理融合为第k个区块链网络区域中验证结果resultk，网关背书节点服务器将第k个区块链网络区域中验证结果resultk及对datal,l∈[1,k]的数字签名传输至用户终端；

作为优选，步骤4中监管节点服务器验证各环节的数据的有效性，并排序并生成一个新的数据块，具体过程为：

步骤4中所述各环节数据为步骤3中所述datal,l∈[1,k]为第l环节的数据，k为产业链中环节的数量；

通过综合分析第k个区块链网络区域中的(sk-1)台背书节点服务器的数据验证智能合约的共识结果resultk与步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器判定结果，若不一致，由上层网络进行仲裁，仲裁结果与步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器结果不一致，第k个区块链网络区域将重选监管节点服务器，具体处理流程如下：

新的或陌生的各环节数据datal,l∈[1,k]被所述下层区块链网络中第k个区块链区域网络中的(sk-1)台背书节点服务器经数据验证智能合约共识验证，生成区域共识结果resultx1提交给本区域监管者节点，由步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器对各环节数据datal,l∈[1,k]通过调用数据块验证智能合约对数据块进行校验核查生成结果resultx2：

如果resultx1＝＝resultx2，系统维护验证结果resultx1并在第k个区块链区域网络及上层区块链网络广播；

如果resultx1！＝resultx2，由包含步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器的上层区块链网络仲裁，判断步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器是否被沦陷或懒政滥权；如果仲裁结果resultx3与步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器结果resultx2相等，则维护步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器结果resultx2，并在第k个区块链区域网络区域及上层区块链网络内广播；

否则，表明步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器滥用职权或被攻陷，将步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器的评价等级降低一级，并重新选择第k个区块链区域网络区域监管者节点；

本发明优点在于，

通过设计分层多域区块链网络架构优化方案和二级校验机制，构建区域内节点共治、监管节点辅助校验及上级区域监督仲裁的监管体系，满足社会层级化监管需求，实现对区域监管节点进行监督、及时发现监管节点滥用权限恶意决策进行纠偏处理并更换监管节点；为选举区域内最优监管节点，提出信誉模糊综合评价模型，结合节点性能指标的多种影响因素，客观公正评价区域中各节点的综合信誉进行选举，提升区块链网络整体性能。

附图说明

图1：为本发明系统架构图；

图2：为本发明方法流程图；

图3：为本发明方法与基于实用拜占庭容错算法对比结果图。

具体实施方式

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实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的系统框结构图如图1所示，一种基于分层多域区块链网络的数据管理系统，其特征在于，包括：采集端、多台节点服务器、用户终端；

所述采集端与所述多台节点服务器中每台节点服务器依次连接；所述多台节点服务器中任意两台节点服务器互相连接；所述用户终端与所述多台节点服务器中每台节点服务器依次连接。

所述采集端选型为电子识别采集器即手持扫码枪；所述每台节点服务器的选型为戴尔r730；所述用户终端选型为智能手机。

下面结合图1至图3介绍本发明的具体实施方式为：

步骤1：将多台节点服务器分为多个区块链网络区域，在区块链网络区域中选择一台节点服务器作为监管节点服务器，将剩余节点服务器作为背书节点服务器，以构建下层区块链网络；

步骤1中所述将多台节点服务器分为多个区块链网络区域为：

将多台节点服务器随机分为l个区块链网络区域，第k个区块链网络区域中节点服务器的数量为sk，k∈[1,l]；

步骤1中所述通过多台节点服务器选择一台节点服务器作为监管节点服务器为：

在第k个区块链网络区域中，通过基于熵权的模糊综合评价算法建立区域节点服务器信用评价的量化体系，以选择第k个区块链网络区域的监管节点服务器，具体步骤如下：

步骤1.1,建立评价因子集合：

定义影响因素集合为：

u＝(u1,u2,…,un)

其中，ui＝(si,1,si,2,si,3,…,si,m)表示第i个影响因素集合，n为影响因素集合的数量，该影响因素集合中影响因子的数量为m，si,j|i∈[1,n],j∈[1,m]表示第i个影响因素集合中第j个影响因子；

步骤1.2,确定评价等级标准：

结合中国网络安全等级标准，定义评价标准v＝(v1,v2,v3,v4)＝(10,8,6,4)，v1表示优，v2表示良，v3表示合格，v4表示差；

步骤1.3,构建模糊评价矩阵：

根据3σ准则,选择6σ作为隶属函数的域，则评价等级标准隶属度函数为：

其中，其中，xi为专家对第i个影响因素的评价值，σ为隶属度函数标准差，δ1为隶属度函数pi,1第一标准差，σ20为隶属度函数pi,2第二标准差，σ21为隶属度函数pi,2第三标准差，σ30为隶属度函数pi,3第四标准差，σ31为隶属度函数pi,3第五标准差，σ4为隶属度函数pi,4第六标准差，vl|l＝[1,4]为第l级评价等级，e为自然对数的底数，pi,l为第i个影响因素的第l级评价等级的隶属度值；

可计算得到第i个影响因素的隶属度pi＝[pi,1pi,2,pi,3pi,4]；

对pi进行归一化处理得ri，具体过程为：

其中，ri＝[ri,1ri,2ri,3ri,4]；

步骤1.4,计算指标影响因素i的权重：

对各影响因素中的指标因子标准化处理：

计算第i个影响因素集合的权重:

步骤1.5,计算节点信誉综合评价指数

首先构建信誉模糊综合评价矩阵：

再计算节点服务器信誉综合评价指数：

cer＝z*v^t

在第k个区块链网络区域中，sk台节点服务器通过步骤1.1至步骤1.5计算各节点服务器信誉综合评价指数并在所属区域广播，选择cer最大值的节点服务器作为第k个区块链网络区域中监管节点服务器；

步骤1中所述构建下层区块链网络为：

剩余sk-1台节点服务器作为背书节点服务器,监管节点服务器以及sk-1台背书节点服务器构成下层区块链网络中的区域网络；

步骤2：通过多个区块链网络的区域网络中监管节点服务器构建上层区块链网络；

步骤2中所述构建上层区块链网络为：

将步骤1中所述的第1个区块链网络区域中监管节点服务器、第2个区块链网络区域中监管节点服务器、…、第l个区块链网络区域中监管节点服务器，l台监管节点服务器构建上层区块链网络。

步骤3：采集端采用电子识别技术自动采集产业链中各环节的数据，传输至其所属下层区块链网络中区块链网络的区域网络中的背书节点服务器，并通过网关背书节点服务器生成区块链网络区域中数字签名、调用数据验证智能合约验证数据，网关背书节点服务器将数字签名与验证结果传输至用户终端；

步骤3中所述各环节的数据为：

datal,l∈[1,k]为第l环节的数据，k为产业链中环节的数量；

区块链网络区域中的背书节点服务器为nodek,q：

第k个区块链网络区域中第q台背书节点服务器；

k∈[1,l],q∈[1,sk-1]；

l为下层区块链网络中区块链网络区域的数量，(sk-1)为第k个区块链网络区域中背书节点服务器的数量；

步骤3中所述网关背书节点服务器为：

将nodek,q作为第k个区块链网络区域中网关背书节点服务器，将datal,l∈[1,k]广播至剩余的(sk-2)背书节点服务器及监管者节点服务器；

步骤3中所述通过网关背书节点服务器生成数字签名与验证结果为：

在第k个区块链网络区域中的(sk-1)台背书节点服务器分别通过数据验证智能合约，对datal,l∈[1,k]进行格式与有效性验证和过滤，生成对应的背书节点服务器验证结果为:

resultk,1,resultk,2,…,resultk,(sk-1)

将resultk,1,resultk,2,…,resultk,(sk-1)传输至网关背书节点服务器，通过实用拜占庭容错算法处理融合为第k个区块链网络区域中验证结果resultk，网关背书节点服务器将第k个区块链网络区域中验证结果resultk及对datal,l∈[1,k]的数字签名传输至用户终端；

步骤4：用户终端对区块链网络中区块链网络区域返回的数字签名进行验证，数字签名验证通过则将各环节的数据传输至步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器，并由监管节点服务器验证各环节的数据的有效性，并排序并生成一个新的数据块；

步骤4中监管节点服务器验证各环节的数据的有效性，并排序并生成一个新的数据块，具体过程为：

步骤4中所述各环节数据为步骤3中所述datal,l∈[1,k]为第l环节的数据，k为产业链中环节的数量；

通过综合分析第k个区块链网络区域中的(sk-1)台背书节点服务器的数据验证智能合约的共识结果resultk与步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器判定结果，若不一致，由上层网络进行仲裁，仲裁结果与步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器结果不一致，第k个区块链网络区域将重选监管节点服务器，具体处理流程如下：

新的或陌生的各环节数据datal,l∈[1,k]被所述下层区块链网络中第k个区块链区域网络中的(sk-1)台背书节点服务器经数据验证智能合约共识验证，生成区域共识结果resultx1提交给本区域监管者节点，由步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器对各环节数据datal,l∈[1,k]进行校验核查生成结果resultx2：

如果resultx1＝＝resultx2，系统维护验证结果resultx1并在第k个区块链区域网络及上层区块链网络广播；

如果resultx1！＝resultx2，由包含步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器的上层区块链网络仲裁，判断步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器是否被沦陷或懒政滥权；如果仲裁结果resultx3与步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器结果resultx2相等，则维护步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器结果resultx2，并在第k个区块链区域网络区域及上层区块链网络内广播；

否则，表明步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器滥用职权或被攻陷，将步骤1中所述区块链网络区域中监管节点服务器的评价等级降低一级，并重新选择第k个区块链区域网络区域监管者节点；

步骤5：监管节点服务器将产业链中各环节的数据依据merkletree方式打包成一个新的数据块，并在其上层区块链网络中及监管下层区块链网络中区块链网络区域内广播；

步骤6：上层区块链网络中其它监管节点服务器及监管下层区块链网络中区块链网络中背书节点服务器接收数据块，更新本地数据信息，实现区域内网络数据信息的同步。

如图3所示，本发明分层多域设计的区块链网络方案易扩展，对比其它基于实用拜占庭容错算法区块链技术可知，本发明能将系统整体性能提升m²(其中m表示每层拥有的区域数量；x表示每个区域拥有的节点数)，可有效满足社会日益发展的实际需求。、本发明提出信誉模糊综合评价模型，结合节点性能指标的多重影响因素，客观公正评价区域中各节点的综合信誉进行实现监管节点的优化选择，有助提升区块链网络整体性能。

尽管本文较多地使用了采集端、多台节点服务器、用户终端等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。