一种基于模块化区块链的自适应元宇宙系统

1.本发明涉及元宇宙技术领域，具体涉及一种基于模块化区块链的自适应元宇宙系统。


背景技术：

2.元宇宙的概念最初是由neal stephenson在1992年的科幻小说《雪崩》中引入的。近年来，元宇宙的概念在技术到社会科学等各个领域引起了越来越多的关注。研究人员和开发者一直在探索相关技术，从而重建小说中所描述的身临其境和互动的虚拟世界。最终目标是实现虚拟和物理世界的无缝整合，实现新的沟通、协作和创造形式。因此，元宇宙的发展对游戏、教育和电子商务等行业以及社会和文化实践都具有重要的影响。
3.区块链技术由于其去中心化、透明和不可篡改性，在加密货币领域取得了巨大成功，并被广泛认为是实现元宇宙的基本技术之一。元宇宙是一个虚拟现实世界，可以让用户在去中心化、开源的框架下与彼此和环境互动。利用区块链技术在元宇宙中进行安全交易，可以进行分散数据存储并创建数字资产，在用户之间以安全透明的方式进行交易或共享。许多研究深入探究了区块链技术在元宇宙中的作用，强调了区块链不仅是用来记录数据的分布式账本，而且更是元宇宙的核心组成部分，为不受信任的用户提供可信环境，从而提高了元宇宙生态系统的整体安全性。
4.然而，元宇宙内多用户交互的复杂和多方面性质需要大量的区块链链上资源。再加上区块链固有的链上资源成本和大量交易处理延迟，无疑会给参与元宇宙的用户带来沉重负担，从而阻碍元宇宙系统的增长和大规模使用。具体面临如下两个挑战：第一个挑战在于元宇宙动态环境与固定的共识/账本机制之间的不兼容性。具体而言，元宇宙中的场景和人员分布不断变化。例如，当元宇宙的大多数场景是公司内部工作时，用户熟悉并信任彼此，但当场景转变为不同公司之间的合作时，用户互相不信任，因此需要一个更安全和可信的交互环境。不同时间点的元宇宙参与者对元宇宙系统的安全级别有不同的要求。其次，元宇宙对计算能力的高需求增加了用户的进入门槛。具体而言，许多元宇宙场景，包括游戏和工业制造，在提供沉浸式体验和精确模型方面需要大量计算能力。然而，缺乏足够计算资源的用户很难参与，创造了高进入门槛，阻碍了元宇宙的广泛采用。目前，用户可以通过硬件升级或服务器出租/销售来获得计算能力。前者需要高资产要求，而后者则丰富了中心化服务提供商，利用了用户信任，并由于用户缺乏信心而扼杀了小型计算能力提供商。
5.申请号为cn202211583710.2的专利提出了一种基于区块链的元宇宙空间系统，该方案基于底层区块链可插拔组件进行设计，但是在元宇宙中，用户本身并不了解技术层面的问题，因此无法参与底层可插拔组件的更换，而如果仅仅开发人员才可更换底层组件，那意味着该方案并非是去中心化的；另外，该方案并未考虑低算力资源受限的用户如何参与元宇宙的活动。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决现有的基于区块链的元宇宙系统存在的上述问题，以满足链上交易要求并满足元宇宙参与者的计算能力需求。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于模块化区块链的自适应元宇宙系统，包括模块化区块链，所述模块化区块链通过自适应共识协议和账本协议，根据元宇宙的当前状态自动确定最合适的共识和账本，以提供安全可靠的交互环境；其中，所述自适应共识协议采用预训练的自适应共识模型获取最佳共识算法，当达成更新共识时，进行共识算法的更新。
8.优选地，所述自适应账本协议采用账本插件以实现新、旧账本之间的转换；账本插件仅在达成升级共识后被激活，接受历史的顺序账本块，并允许作为多个历史块的接续块。
9.优选地，所述的自适应元宇宙系统还包括非同质化资源，所述非同质化资源为虚拟化的设备资源，用以在元宇宙系统中进行共享或出租；非同质化资源以代币的形式在区块链上注册、并完成交易中的结算。
10.优选地，所述的设备资源包括大型计算机或小型传感器；用户将空闲的设备资源集成到元宇宙的设备管理器中；通过设备管理器虚拟化和抽象化大量异构设备的资源，将设备的内存、存储、cpu/gpu映射到共享资源空间中。
11.优选地，所述的自适应元宇宙系统还包括可信元宇宙环境；所述可信元宇宙环境采用本地信任模型为参与元宇宙任务的节点创建受信任的临时环境；节点利用所述的可信元宇宙环境进行非同质化资源的交易或使用。
12.优选地，本地信任模型中的节点根据特定的计算任务选择信任评估算法，获得相应的信任等级；本地信任模型的信任评估过程被记录在区块链上，智能合约根据其计算任务和信任等级为该本地信任模型分配相应的非同质化资源。
13.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
14.(1)本发明提出了一个基于模块化区块链的自适应去中心化元宇宙系统，强调了区块链在构建和保护元宇宙中的重要性；
15.(2)提出了一种基于模块化区块链的自适应共识模型，实现了对元宇宙多样化环境的动态适应，在保证元宇宙安全的同时，该模型优化了不同元宇宙环境中的资源消耗和执行速度；
16.(3)提出了一种在元宇宙中租用计算资源的方法，有效地整合了空闲的计算能力，为其他急需计算能力的节点提供帮助，从而优化了元宇宙中节点的资源分配；
17.(4)设计了一种临时可信元宇宙环境的构建方法，保证了多个用户可以在元宇宙系统中进行安全交互。
附图说明
18.图1为本发明实施例中基于模块化区块链的自适应元宇宙系统的整体架构；
19.图2为本地信任模型示意图；
20.图3为可信元宇宙环境操作流程图。
具体实施方式
21.为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。
22.如图1所示，本发明提供的自适应元宇宙系统的架构是基于模块化区块链设计的，以支持元宇宙的运作，用户可以通过vr眼镜和其他设备参与元宇宙互动。
23.一、模块化区块链的自适应共识和账本
24.首先，考虑到不断变化的元宇宙场景对区块链共识和分类账的挑战，本发明提出了一种自适应共识/账本协议，它可以根据整个元宇宙的当前状态自动确定最合适的共识/账本，并通过热插拔替换共识/账本，有效提高元宇宙的安全性并节省系统资源。整个设计基于模块化区块链设计，有利于降低更改共识的成本。可热插拔的共识/账本替换避免了停机更新的不足之处。引入具有机器学习算法的自适应协议减少了人为因素的干扰，增加了系统的安全性。
25.在执行协自适应共识协议之前，构建并预训练自适应共识模型，需要准备一个数据集和一些机器学习算法。具体来说，基于一个支持热插拔共识的模块化区块链，本发明通过在不同网络规模、错误节点比率和网络延迟下测试各种共识算法的吞吐量和延迟来制作数据集。数据集的标签是各种共识算法，特征包括网络规模、错误节点比率和网络延迟等指标。本发明可以使用多种机器学习算法进行训练和测试不同的自适应共识模型，如随机森林、梯度提升决策树(gbdt)、xgboost和lightgbm。最后，选择准确率最高的模型。
26.自适应共识协议的整个执行过程如下：首先，自适应共识模型以固定间隔获取当前网络状态，以获取最佳共识算法，并将其与当前共识算法进行比较。如果是相同的共识算法，则更新将结束批处理。否则，会向区块链广播一个包含要更新的共识名称和要更新的区块高度的特殊交易tx。然后，当区块链节点接收到tx时，本发明设计一个投票系统来验证更改共识的提议的合法性。如果更改共识的提议经过投票批准，将规定在共识更新成功后自动执行交易内容并告知其他节点已更新成功。如果节点未能在约定时间内完成升级，则该节点将无法参与后续的共识，并需要与其他节点同步状态。当然，由于模块化区块链的共识算法库并非不可变，新的共识算法将被添加，此时需要手动测试和统计新共识算法的指标，并更新数据集，然后重新训练自适应共识模型。
27.本发明提出了自适应账本设计思路，以实现链式账本和dag账本之间的转换。具体来说，在自适应模块化区块链中，账本实现被设计为可升级且无需硬分叉。本发明允许新构建的区块链系统在初始阶段选择链式账本进行简化，而无需担心未来的需求，并且在未来的新账本结构被提出时立即利用最新的账本结构。为此，本发明设计一种账本插件。例如，基于dag的账本插件接受历史的顺序账本块，并允许作为多个历史块的接续块。如果一个新节点加入区块链网络并验证历史块，则未激活的插件仍然有效。这类似于以太坊执行层的升级，不同之处在于升级是在共识之后应用而不是集中式软件更新，即发布了新插件，并且区块链系统有权应用或拒绝新插件，从而避免了分叉。在达成升级决定之后，区块链客户端从点对点网络检索插件二进制文件，并加载插件，当块数量达到目标时激活插件。与以太坊升级方式相比，无需手动操作，并且运行客户端的人无需手动升级客户端以保持其在区块链网络中。注意，插件升级的共识过程与共识协议的更新过程相同。
28.二、非同质化资源
29.用户可以基于非同质化资源(nfr)设计，对闲置资源进行虚拟化，并将其上传到元宇宙区块链中以供出租。这些设备可以是大型计算机或小型传感器，最大化资源利用率。此外，本发明提出了与nfr相关的付款和激励机制，吸引更多愿意参与nfr交易的用户，并维护更好的元宇宙生态系统。
30.nfr可以实现资源的虚拟化，并以代币的形式在区块链上注册。具体而言，用户首先需要通过元宇宙系统的访问控制机制获得合法身份。元宇宙支持在零信任环境中进行网络和计算，因此需要对节点(包括用户和设备)进行严格的身份验证，并且需要支持对数据访问权限和资源使用权限进行细粒度管理。例如，如果用户alice需要在任务中使用用户bob的数据，则alice必须具有合法身份并获得使用数据的许可。然后，用户将空闲的设备资源集成到元宇宙的设备管理器中。设备管理器的主要功能是虚拟化和抽象化大量异构设备的资源。它将设备的内存、存储、cpu/gpu等映射到共享资源空间中，可以将大量异构设备抽象为一个巨大的计算机。区块链将记录用户共享资源的行为，并向用户返回唯一的代币。当用户收回相应的资源时，最终的结算可以通过代币在智能合约中完成。
31.上述是注册过程，还有另外三个关键步骤：租赁、清算和取消。这些功能允许用户请求任务、完成结算并分别取消nfr。本发明在元宇宙中引入了一种新的nfr激励机制与这三个步骤结合使用。(1)首先，在租赁步骤中，用户将计算任务(例如机器学习、数据共享和数据处理)提交到智能合约中，并指定任务类型、输入、付款金额、预期输出等。每个用户都映射到独特的地址，以便被网络识别和验证。此外，用户拥有钱包和账户，以支付或接收计算任务的收益。(2)然后，智能合约在接收用户计算任务后负责预处理任务，它将任务分解为受限制的条件下(例如任务时间限制、开销限制、数据安全级别)，指定输入和输出、数据存储位置、数据边界、数据流方向和资源限制。除此之外，智能合约为每个任务分配合理的资源并计算任务开销作为收入。由于复杂的计算任务通常需要多个底层设备的协作，并且可能需要数据的持久化存储，元宇宙系统应尽量减少由数据流引起的带宽开销，同时为数据提供安全保障。(3)最后，当任务完成时，智能合约执行结算步骤，并负责结算所消耗的资源，相应的nfr将在结算成功后被销毁。请注意，nfr的所有者可以执行取消步骤，向智能合约发送请求以主动取消它们在链上的nfr。智能合约会验证所有者和请求者的签名一致性，以取消相应的nfr。
32.三、可信元宇宙环境
33.本发明提出了基于nfr的按需可信元宇宙环境(tme)，允许用户租赁链上的nfr来解决资源限制问题，主要思想是为参与元宇宙任务的节点创建一个受信任的临时环境。除了购买和使用nfr之外，本发明还通过改进的本地信任模型和按需可信元宇宙集群为tme配备了增强的安全性、可靠性和并行处理能力。用户可以通过tme加入特定的元宇宙场景，如社交、nft和工作。nfr的交易记录被写入区块链，以确保不信任方之间的交互正确执行。大量计算任务在链下执行，以减少链上资源消耗，只有tme的一些状态信息需要记录在链上，例如open(开启)、run(交互)、suspend(暂停)和close(关闭)。
34.本发明采用了本地信任模型(local trust model，简称ltm)，并进一步完善了在ltm中评估可信度的评估标准和算法，ltm的本地性质意味着与元宇宙任务无关的节点不需要加入到任务的信任评估中，事实上，这些无关节点本身也不愿意参与其他任务子集以消
耗过多的资源。如图2所示，本发明提供了一个ltm的符号表达式。具体而言，将元宇宙网络定义为加权超图h＝(v,e,w)，其中v表示节点集合，e表示超边集合，w表示权重集合。例如，图2展示了由六个节点(标记为{v1,v2,
···
,v6})组成的元宇宙网络中的四个ltm。ltm 3包括三个节点{v2,v3,v4}，它们通过超边连接在一起。ltm 3的信任等级由{v2,v3,v4}之间的信任程度确定，根据具体计算任务考虑的因素可以包括网络大小、消息延迟、节点的历史行为等。本发明采用预言机机制聚合元宇宙网络数据来计算信任。在获得准确的数据后，ltm中的节点可以根据特定的计算任务从信任评估模块中选择合适的信任评估算法，并获得相应的信任等级。所有的交互过程都可以看作计算任务，不同交互过程需要的评价维度不一样，因此选择不同的信任评估算法，例如涉及金钱交易的交互过程侧重于资产、借款历史等，而涉及某些游戏的交互过程则侧重于游戏账号的等级、游戏在线时间等。常规的信任评估算法例如取平均数，取最大值，取加权平均数等。
35.注意，ltm的信任评估过程，如参与节点、选择的信任评估算法和信任等级，将被记录在区块链上，智能合约将根据其计算任务和信任等级为ltm分配相应的非同质化资源(nfr)。
36.图3展示了两个tme，即集群p和q，从开启到关闭，可以发现所有集群都是并行执行的。以p为例，讲述tme的具体过程。本发明用向量c
stateclusterdef
＝(cid,state,g,δt,nfr,results)来表示tme，其中cid是tme的唯一标识符，state表示tme的当前状态(state∈{open，run，suspend，close})，g表示参与节点，δt是规定向量可以持续的时间长度，nfr表示参与节点的资源借用记录，results是当向量尝试关闭时需要上传的结果集合。因此，可以使用来表示集群p的初始状态。具体而言，多个节点组成一个g
p
组，并将发送到区块链上以在时间t建立按需可信元宇宙集群p，持续时间为δ。请注意，本发明使用区块高度来测量δ，以防止g
p
参与者的时钟不同步问题。如果g
p
需要借用nfr资源，则需要在智能合约中存入一笔款项以便最终结算。然后，他们可以将自己的要求，例如计算功耗和时间，发送到智能合约中。智能合约将分配nfr资源给相应的用户，并在nfr
p
中记录。
37.在区块链共识之后，p从变为此时参与者可以开始进行交互。考虑到元宇宙任务可能在某段时间内没有互动要求或需要更多的nfr，为了节省计算资源，本发明在tme中设置了suspend状态，并将一旦参与者决定继续，他们就会将自己的状态从改回p需要在t+δ之前关闭，否则将受到惩罚(减少参与者的加密货币和信誉)。参与者将交互的结果上传到区块链上，矿工成功验证后关闭p。智能合约根据nfr
p
的内容结算nfr并退还超额金额。
38.值得一提的是，nfr使资源不足的用户能够利用tme加入元宇宙场景，降低了进入元宇宙的门槛，充分体现了以人为中心的元宇宙设计理念。

技术特征：
1.一种基于模块化区块链的自适应元宇宙系统，包括模块化区块链，其特征在于：所述模块化区块链通过自适应共识协议和自适应账本协议，根据元宇宙的当前状态自动确定最合适的共识和账本；其中，所述自适应共识协议采用预训练的自适应共识模型获取最佳共识算法，当达成更新共识时，进行共识算法的更新。2.根据权利要求1所述的基于模块化区块链的自适应元宇宙系统，其特征在于：所述自适应账本协议采用账本插件以实现新、旧账本之间的转换；账本插件仅在达成升级共识后被激活，接受历史的顺序账本块，并允许作为多个历史块的接续块。3.根据权利要求1所述的基于模块化区块链的自适应元宇宙系统，其特征在于：所述的自适应元宇宙系统还包括非同质化资源，所述非同质化资源为虚拟化的设备资源，用以在元宇宙系统中进行共享或租赁；非同质化资源以代币的形式在区块链上注册，并完成交易中的结算。4.根据权利要求3所述的基于模块化区块链的自适应元宇宙系统，其特征在于：所述的设备资源包括大型计算机或小型传感器；用户将空闲的设备资源集成到元宇宙的设备管理器中；通过设备管理器虚拟化和抽象化大量异构设备的资源，将设备的内存、存储、cpu/gpu映射到共享资源空间中。5.根据权利要求3所述的基于模块化区块链的自适应元宇宙系统，其特征在于：所述的自适应元宇宙系统还包括可信元宇宙环境；所述可信元宇宙环境采用本地信任模型为参与元宇宙任务的节点创建受信任的临时环境；节点利用所述的可信元宇宙环境进行非同质化资源的交易或使用。6.根据权利要求5所述的基于模块化区块链的自适应元宇宙系统，其特征在于：本地信任模型中的节点根据特定的计算任务选择信任评估算法，获得相应的信任等级；本地信任模型的信任评估过程被记录在区块链上，智能合约根据其计算任务和信任等级为该本地信任模型分配相应的非同质化资源。

技术总结
本发明涉及元宇宙技术领域，具体涉及一种基于模块化区块链的自适应元宇宙系统。一种基于模块化区块链的自适应元宇宙系统，包括模块化区块链，所述模块化区块链通过自适应共识协议和自适应账本协议，根据元宇宙的当前状态自动确定最合适的共识和账本；其中，所述自适应共识协议采用预训练的自适应共识模型获取最佳共识算法，当达成更新共识时，进行共识算法的更新。本发明基于模块化区块链的自适应共识模型，实现了对元宇宙多样化环境的动态适应；有效整合了空闲的计算能力，为其他急需计算能力的节点提供帮助，优化了资源分配；临时可信元宇宙环境的构建，保证了多个用户可以在元宇宙系统中进行安全交互。宙系统中进行安全交互。宙系统中进行安全交互。


技术研发人员：程业 国益豪 徐明辉 于东晓 成秀珍
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/7/25