1、 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（，）；辽宁省自然科学基金（）；辽宁省中央引导地方科技发展资金计划（）作者简介：丁琳琳（），女，辽宁阜新人，博士，副教授，研究方向：大数据管理、图数据管理、区块链技术 通讯作者：丁琳琳，：辽宁大学学报 自然科学版第 卷 第 期 年 面向时空数据区块链的对等网络（）通信机制丁琳琳，华亚洲，陈 泽，王俊陆（辽宁大学 信息学院，辽宁 沈阳）摘 要：在传统区块链中，节点与节点之间是对等的，区块链网络中的所有节点组成了一个全分布式非结构化的对等网络（），即随机网络 节点之间采取泛洪的方式进行通信，泛洪通信机制存在单点信息爆炸、可控性差、容易形成泛洪循环等缺点，节点间
2、通信效率低 针对这些缺点，本文在时空数据区块链网络中，依据节点类别及节点间的通信需求，基于 算法提出了一种结构化的对等网络（）通信机制 首先，确定网络中的节点类别以及不同节点间的通信需求；然后，依据不同节点间的通信需求在节点之间建立结构化通信网络，同时建立节点路由信息 实验表明，本文所提结构化 通信机制 在节点通信效率方面，较随机网络有了较大提升关键词：结构化；节点聚类；节点通信；时空数据区块链中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（），（，）：，（），；，DOI:10.16197/ki.lnunse.2023.01.006 ，；，：；引言对等网络（，）与区块链结合的优势在于：）去中心化 网络
3、无中心节点，每个节点都是平等的，保证了区块链资源及服务的均衡分布，并通过共识机制保证了区块链的一致性）可扩展性 区块链网络中节点可以自由加入退出网络，加入和退出不会受到任何限制）健壮性 在不存在中心节点的情况下，即使有些节点被攻击，也不会影响区块链网络的整体安全性 因此，加强区块链与 网络相结合的研究具有重要意义近年来，随着区块链技术的迅速发展，网络规模不断扩大，节点数量越来越多 在区块链网络中，节点之间不存在组织关系，是完全对等的 在比特币区块链网络中，所有节点组成的是一个全分布式、非结构化的 随机网络，该网络结构简单、配置灵活、维护管理容易 在这种网络结构中，节点之间的通信方式为泛洪（）通
4、信，即通过邻居节点之间的路由转发来实现节点之间的通信需求 查询方式存在单点信息爆炸、可控性差等问题 以太坊区块链网络采用 协议组织网络中的节点，随着网络规模的扩大以及节点数量的增加，协议存在如下问题：）存在 桶更新迟缓，即节点信息填充延迟；）节点的负载失衡，这是由于 协议假设所有节点的能力相当，并未考虑节点间的性能差异；）网络拓扑失配，这是由于 协议仅考虑逻辑拓扑，并未考虑物理拓扑基于全分布式非结构化随机网络以及 协议存在的问题，本文在时空数据区块链中，针对区块链网络中节点的不同角色，以及不同节点之间的通信需求，通过节点聚类提出了一种基于 算法的结构化的 通信机制，（）本文创新如下：）针对随机
5、网络以及 协议存在的问题，通过节点聚类，本文提出了一种基于 算法的结构化 的 通信机制 通过降低无通信需求节点之间的耦合度，提升节点之间的通信效率）依据节点分类及节点间通信需求，本文给出了 通信机制的构建算法，基于 通信机制给出了节点间的资源搜索过程，以及节点的加入和退出机制）最后，通过实验证明，相比于传统区块链中的 随机网络、协议以及原始 算法，本文所提出的结构化 的 通信机制，对于提升节点通信效率、资源搜索速度、路由性能等方面具有更高的支持度 相关工作本节主要介绍时空数据区块链以及时空数据，时空数据区块链 网络中不同节点的类别及作 第 期 丁琳琳，等：面向时空数据区块链的对等网络（）通信机
6、制 用，网络的定义以及 网络的发展历程，以及本文要解决的问题 时空数据区块链及时空数据在以比特币及以太坊为代表的区块链中，区块内部数据主要为交易数据 时空数据区块链是指在区块内部所存数据类型为时空数据的区块链 时空数据指同时具有时间及空间维度以及其他属性的数据 通常将时空数据抽象为 ，其中，为由 经过哈希运算生成的哈希值；（），为时空数据 的时间属性；为其空间属性；表示 除了时空属性以外的其他属性 时空数据区块链网络节点在时空数据区块链中，节点主要包括用户节点、全节点以及共识节点 用户节点是产生时空数据的节点，对产生的时空数据进行签名确认，并将确认后的时空数据发布到时空数据区块链网络中 全节点
7、除了负责存储整个时空数据区块链的完整数据，还需要响应用户节点的查询请求 共识节点负责产生新区块，并为其提供防篡改证明 除此之外，在时空数据区块链网络中，为了降低区块之间的冗余度，额外引入了辅助节点，辅助节点分为超级辅助节点及普通辅助节点 超级辅助节点的作用是收集用户节点产生的时空数据，并存储在本地时空数据池中 当产生新区块时，共识节点与超级辅助节点进行数据交互，从而保证不同区块间时空数据的不一致，提升了时空数据区块链的可扩展性 网络定义及分类伴随着网络技术的不断发展，传统的 模式缺点明显，逐渐不能满足人们的需求，此时 新技术应运而生 作为以计算机网络为基础的覆盖网络，是分布式存储系统与计算机网
8、络相结合的产物 网络相较于传统的 模式架构，每个节点都处于同等地位，网络中的一切成员都是平等的，不再有客户和服务器之分，任何两个节点之间都能共享文件、传递消息随着 网络技术的不断发展，出现了不同类型的 网络架构，如图 所示 首先，最早出现的是中心化 网络结构，该网络结构与传统 模式类似，存在普通节点与中央服务器作为世界著名 共享软件，采用的就是中心化 网络结构 在中心化 网络之后，出现了全分布式非结构化的 网络，即前文所述的随机网络，该网络结构下的 节点具有较大的自由性，节点可以自由加入退出网络，该网络结构的主要协议为 协议，但是过于自由的网络机制，导致网络信息难以被新入网的节点所掌握，影响节
9、点入网，从而影响节点稳定性 在此之后，出现了全分布式结构化的 网络，其通过分布式加密散列表（）技术组织网络中的节点，结构能够自适应节点的加入和退出，该网络最经典的案例包括、图 不同类型 网络拓扑结构图 辽宁大学学报 自然科学版 年 以及 在全分布式结构化 网络之后，出现了半分布式 网络，其选择高性能的节点作为超级节点，每个超级节点与多个普通节点相连，形成了一个层次化的网络 在该网络结构中，算法仅在超级节点之间转发，提升了随机网络的通信效率，该网络结构的典型案例为 问题描述在传统区块链网络中，所有的节点组成的是一个全分布式非结构化的 随机网络，如图 所示 在这种情况下，节点耦合度较高，没有通信需
10、求的节点需要协助其他类型的节点完成通信，浪费了节点的带宽，另外随机网络的 通信方式存在可控性差、通信效率低等问题 当网络规模增加和节点数量增加时，以太坊的 协议，存在 桶更新缓慢、节点负载失衡、逻辑拓扑与物理拓扑不匹配加剧等问题 本文要解决的问题：一方面，通过在时空数据区块链中，分析不同类别节点之间的不同通信需求，通过节点聚类，提出了一种基于 算法的结构化 的 通信机制，以提高节点间的通信效率 另一方面，通过该结构化 的通信机制，提高用户节点的数据查询效率，以及整个时空数据区块链网络的节点通信效率图 随机网络结构图 通信机制本节主要内容包括：传统 协议的原理及存在的问题，时空数据区块链网络中不
11、同节点间的通信需求，的具体构建流程，以及基于 通信机制的节点间的通信过程、节点的加入和退出、节点间的资源搜索过程等 传统 协议及问题分析本小节主要介绍 协议中使用的 算法，传统 协议的工作原理，传统 协议的资源查找过程，以及 协议中节点的加入和退出机制，并分析传统 协议的本身缺陷，以及直接应用在时空数据区块链网络中存在的问题 传统 协议工作原理本文通过一致性 算法（例如 ），为每个节点和关键字分配一个 的标识符，即节点及关键字进行哈希运算的结果 算法会产生一个 的空间区域，每个区域为 字节的整数，所有的整数彼此连接成为一个超大的环形结构，该环称为 环 然后，每个关键字标识符通过 的顺序排列到标
12、识符环上，被分配到标识符环上的第一个标识符等于或者紧随（标识符）的节点上，此节点称为 的后继节点，记为（）相应地，在 环中，对于任意节点，从顺时针出发，每一个 前面的节点称为前驱（），后面的节点称为后继 第 期 丁琳琳，等：面向时空数据区块链的对等网络（）通信机制（）距离节点 最近的前后两个节点，前面的为直接前驱，后面的为直接后继图 是一个表项为 的 环的示意图，所有节点按照顺时针从小到大的顺序依次排列，从图中可以看出，按照上述思想，关键字 将被定位到节点 上 相应地，关键字 将被定位到节点 上，关键字 将被定位到节点 上图 环以及指针表 传统 协议的资源查找过程在 环中，资源以关键字 的形式
13、表示 在进行资源查找之前，首先需要确定要查询的关键字的资源，关键字 对应的资源存储在 网络中的过程为，顺时针沿 环找到符合（）（）的第一个，称该 为这个关键字 的，即该节点为查找该 对应资源时的目的节点在 环中，不论进行怎样的资源搜索，如果搜遍了整个 环，那么一定能够找到目的资源，通过计算可知这种查询方式的复杂度为（），但当网络规模很大时，（）复杂度是无法接受的，所以通常 协议采取非线性搜索算法进行资源查找在非线性资源查找过程中，环中的所有节点都需要存储并周期性更新一张长度为 的 表，如图 所示，用 表示当前节点的下标值，表中的第 项存储节点 的第（）个（）在资源查询时，当节点 收到查找关键字
14、 信息的请求时，首先判断本地是否有该关键字，有则查找结束，否则查询节点 的指针表，查看关键字 是否在某两个表项之间，若在则查找结束，否则将查询请求转发到距离 最近且标识符小于 的节点，然后重复此过程，直到找到关键字 的，查询结束 图 中 环内部箭头表示 节点查找 为 的资源的查询过程 传统 协议节点的加入退出机制 算法能够自适应节点的加入和退出，当节点 请求加入 环时，整个 环网络通过规律的 不断与后继节点取得联系，通过判断自己是不是后继节点的前驱节点来判断是否有新节点加入，当不是时说明此时有新节点加入，节点需要及时更新自己的指针表；当 环中有节点 退出时，此时节点 所拥有的关键字便转移给其直
15、接后继节点，并及时更新节点 以及节点 前驱节点的指针表 辽宁大学学报 自然科学版 年 协议应用于时空数据区块链网络的问题在时空数据区块链网络中，用户节点为产生时空数据的节点，完整的时空数据区块链由所有的全节点及共识节点共同存储 首先，整个网络中并不存在资源标识符的概念；其次，如果所有的用户节点、全节点、共识节点以及辅助节点构建一个超级 环，虽然结构化的网络结构在一定程度上提升了节点间的效率，但是无通信需求的节点之间仍然具有较高的耦合度；最后，除了全节点的数据查询类似于传统 协议中的资源搜索外，多数情况下节点之间的通信为节点之间的数据交互 构建过程本节主要内容包括时空数据区块链 网络中节点间的通
16、信需求，通信机制的思想及构建过程，以及 模型工作机制等 通信机制思想在时空数据区块链中，完整的时空数据由全节点以及共识节点在本地存储，但是二者在时空数据区块链网络中的角色并不相同，通信需求也不同 在时空数据区块链网络中，构成节点之间的通信方式以及资源查询方式与传统的 网络并不相同 传统 网络中，在进行资源查询时首先需要知道要查询的资源的关键字，资源查询的过程即为查询关键字 的 的过程 但是在时空数据区块链中，所有完整的区块链数据由全节点存储，数据记录不存在具体的资源关键字 在时空数据区块链网络中，节点包括用户节点、全节点、共识节点以及额外引入的辅助节点 若将传统 协议直接应用于时空数据区块链网络，虽然结构化的节点组织方式克服了 查询算法的缺点，但在整个所有节点组成的超大 环中，无通信需求的节点之间的耦合度仍然较高，不利于整个网络通信效率的提升 为此，考虑不同节点间的通信需求，基于传统 协议，本文提出了一种既能满足节点间通信需求也能保证整个网络效率的结构化 通信机制 模型具体构建过程 模型建立在 协议基础上，该模型根据节点聚类的思想，在整个时空数据区块链网络中引入超级节点和多环的设计思想
