多链跨链场景下的链间交互负载动态调控方法及系统

1.本发明属于区块链跨链数据交互与跨链资源分配领域，具体涉及一种多链跨链场景下的链间交互负载动态调控方法及系统。


背景技术：

2.近年来，区块链技术作为一种新兴的分布式计算机系统，已经广泛的普及于工业界和学术界。但由于区块链系统本身的技术特点，不同区块链之间形成了信息和数据相对隔离的“孤岛”，区块链之间的互通性极大限制了区块链系统的应用空间。如何高效、低成本的完成不同区块链之间数据交互，不断提高区块链系统的可扩展性，一直是公众关注的热点问题。
3.区块链(blockchain)是一个不断增长的区块列表，每个区块中存有若干条记录，并通过密码学技术来来链接至前一个区块上，从而形成链状结构；区块能够以永久并且可验证的方式记录下其所链接的前一个区块的哈希值，以及当前区块的时间戳和交易记录，并且保证这些记录和区块中的数据不会被恶意篡改。区块链作为去中心化的数据存储结构，负责保存所有已经被记录的数据，所有在区块链上记录的数据均不可修改，并且整个区块链会分布在其所处共识网络的所有节点之中，也杜绝了数据被更改的可能。
4.跨链(cross-chain)技术是一种使得各个区块链之间能够实现数据交互，实现不同区块链之间互通的一种系统架构或方法，是区块链向外拓展和连接的桥梁。广义的跨链技术还包括整合了多条区块链的多链系统或架构，即多链(mutil-chain)系统。多链系统通过利用多个区块链的共识机制以及可验证的链间数据传输机制，向系统外提供多链的数据交互、跨链合约调用等跨链方法，并且能够高效快捷的实现系统内的跨链数据传输和资源分配。
5.负载均衡(load balance)是一种将工作任务平衡的分摊带多个操作单元上进行执行的技术，在原有的网络结构之上提供了一种廉价有效的方法扩展带宽、加强网络数据处理能力、增加吞吐量、提高网络服务的的可用性和灵活性；在区块链领域，业务端需要先对接区块链上某个节点才能提供服务。当某个时刻交易量过大时，业务端的交易可能会导致节点的拥堵；因此区块链业务也与经典网络服务相同，需要采用负载均衡技术对业务端的请求做分配，然后转发至链上的若干节点。在跨链或多链应用场景中，还会出现某条或少量链上大部分节点设备均已高负载工作，而其余链上的跨链业务需要等待的情景。
6.综上所述，当前急需一种能够在多链通信场景下实现负载均衡的方法或系统，提高整个跨链或多链系统中单一区块链的负载瓶颈问题。现有的区块链负载均衡机制均仅考虑了单链数据下各个区块链节点的负载，通过现有方法进行跨链负载调配会挤占本就不充裕的跨链数据通道。因此，设计并实现一种针对跨链信息传递情境下的多链负载均衡方法毫无疑问会带来巨大的通用性和实用价值。


技术实现要素：

7.针对现有的跨链和多链系统存在的问题，为了提高跨链和多链系统的信息交互效率，本发明提供了多链跨链场景下的链间交互负载动态调控方法及系统，解决了跨链信息传递情境下各链的负载均衡问题，提高了系统的灵活性和信息传递效率。
8.具体技术方案如下：
9.本发明首先提供了一种多链跨链场景下的链间交互负载动态调控方法，包括以下步骤：
10.1)跨链业务产生时，业务端与接入区块链通信并提交执行跨链业务的交易；
11.2)接入区块链接收到执行跨链业务的交易，接入区块链通过跨链信息接口确认交易的目标区块链并获取目标区块链的负载信息；接入区块链根据获取的目标区块链负载信息度量目标区块链的负载程度；
12.3)接入区块链根据度量的目标区块链负载程度从跨链调用或接入切换中选择执行方式；
13.4)目标区块链根据步骤3)选择的执行方式完成跨链业务的执行。
14.作为本发明的优选方案，步骤1)中所述接入区块链为业务端的账户发生交易时所在的区块链。
15.作为本发明的优选方案，步骤2)中所述跨链信息接口为智能合约账户，所述智能合约账户用于记录所有区块链的账户所对应的接入区块链的id，智能合约账户在每条区块链中共用同一个地址。所述目标链为跨链业务产生时，需要执行跨链业务的区块链。
16.作为本发明的优选方案，步骤2)中度量区块链的负载程度时，其度量标准包括以下几部分：
17.2.1)内部交易负载度量因子用以表示第i条链上内部交易的负载量，其中sto
used
和sto
total
表示本链内部交易已使用和总共可使用的区块内存储空间；ki为一个动态负载因子，用以调整该链交易量的度量占比；gas(tx
internal
)表示内部交易所使用的gas量；
18.2.2)跨链合约执行负载度量因子μi＝gas(tx
crosscont
)*mi，用以表示第i条链上为了完成跨链合约执行所增加的负载量；其中gas(tx
crosscont
)表示用以执行目标在本链的跨链合约调用所使用的gas量；mi为一个动态负载因子，用以调整该链跨链执行的度量占比；
19.2.3)跨链合约调用负载度量因子πi＝num(tx
crosscont
)*ni，用以表示第i条链上请求跨链合约执行的负载量，其中num(tx
crosscont
)表示本区块中需要请求跨链合约执行的数量；ni为一个动态负载因子，用以调整该链负载量的度量占比。
20.作为本发明的优选方案，步骤3)中选择执行方式的方法为：
21.综合比较多链跨链场景中每条区块链的三种负载因子，所述负载因子包括内部交易负载度量因子φi、跨链合约执行负载度量因子μi以及跨链合约调用负载度量因子πi；
22.当目标区块链的跨链合约执行负载度量因子μi低于接入区块链的跨链合约执行负载度量因子μi，且目标区块链的内部交易负载度量因子φi不高于接入区块链的内部交易负载度量因子φi时选择跨链调用的执行方式；
23.当目标区块链的跨链合约执行负载度量因子μi高于接入区块链的跨链合约执行
负载度量因子μi，且目标区块链的跨链合约调用负载度量因子πi不高于接入区块链的跨链合约调用负载度量因子πi时选择接入切换的执行方式。
24.作为本发明的优选方案，步骤4)中，
25.跨链调用的执行方式具体为：
26.3.1)接入区块链从跨链信息接口中获取目标区块链的id，将跨链调用中的调用方法与调用数据封装为跨链合约调用交易，并生成本链后续区块；后续区块生成时，接入区块链将会把跨链合约调用交易与目标区块链id打包放入所述区块的跨链交易请求区；
27.3.2)目标区块链生成区块时，引用步骤3.1)接入区块链生成的区块，目标区块链将会执行接入区块链生成区块的跨链交易请求区中所请求的跨链合约调用交易，跨链调用将会被完成，并记录在目标区块链生成区块的跨链交易执行区；
28.接入切换的执行方式具体为：
29.4.1)接入区块链从跨链信息接口中获取目标区块链的id，将账户信息与验证信息封装为跨链接入切换交易，并生成本链后续区块；后续区块生成时，接入区块链将会把跨链接入切换交易与目标区块链id打包放入所述区块的跨链交易请求区；所述验证信息为目标区块链中账户merkle树上对应hash序列；所述账户信息为发起跨链业务账户的地址以及交易历史。
30.4.2)目标区块链生成区块时，引用步骤4.1)接入区块链生成的区块，目标区块链将会执行接入区块链生成区块的跨链交易请求区中所请求的跨链接入切换交易，验证并写入账户信息，并记录在目标区块链生成区块的跨链交易执行区。
31.作为本发明的优选方案，接入区块链与目标区块链生成的区块均包括区块头、区块体、跨链交易执行区以及跨链交易请求区；所述区块头包含了整个生成区块的哈希值并引用了多链跨链场景下其他区块链新生成区块的hash值；所述区块体包含了本链内部交易的区块头以及本链内部执行的交易；跨链交易执行区中存放了本区块中已经执行完成的源自其他区块链的交易；跨链交易请求区中存放了本区块中需要在其他区块链中完成的交易。该场景下的所有区块链既形成了同一条区块链的分片关系，又互相之间形成了镜像关系，通过分片状态下的互相引用完成了快速的链间信息交互。
32.当上述两种情况均不满足时，多条区块链均处于负载过量状态，暂缓处理业务。
33.本发明还提供了一种上述链间交互负载动态调控方法的调控系统，包括：
34.交易请求模块，用于跨链业务产生时，业务端与接入区块链通信并提交跨链业务的交易；
35.负载监测模块，用于接入区块链接收到跨链业务的交易，并通过跨链信息接口确认交易的目标区块链并获取目标区块链的负载信息；以及用于接入区块链根据获取的目标区块链负载信息度量目标区块链的负载程度；
36.执行方式选择模块，用于接入区块链根据度量的目标区块链负载程度从跨链调用或接入切换中选择执行方式；
37.跨链业务执行模块，用于选择执行方式并完成跨链业务的执行。
38.本发明不仅具有良好的通用性和实用价值，而且具有很好的借鉴意义，具体有益技术效果和创新性主要表现在以下几个方面：
39.1.本发明的多链架构使用了链间交互负载动态调控系统，解决了跨链或多链系统
中单一区块链的负载瓶颈问题，从而提高了系统负载下限。
40.2.本发明采用了镜像技术与分片技术构建区块链多链架构，解决了跨链或多链系统区块链之间的通信问题，外界与系统的交互体验和单一区块链的交互体验类似，使得业务对外界透明。
41.3.本发明的链间交互负载动态调控系统采用了整合形成新区块的架构方法，解决了跨链或多链系统区块链之间的数据格式一致性的问题，从而使得该系统具有高通用性。
42.4.本发明的链间交互负载动态调控系统的调控方法采用了动态调整的负载度量因子作为度量标准，可根据多链系统负载特性定制各链不同的负载种类与程度，从而使得该调控方法适用于各类节点类型与应用场景。
附图说明
43.图1为本发明多链架构中各区块链单链区块数据结构示意图。
44.图2为本发明区块链多链架构框架结构简易图。
45.图3为本发明解决负载均衡问题的跨链请求案例实施示意图。
具体实施方式
46.为了清晰地阐述本发明，使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
47.为了提高跨链和多链系统的信息交互效率，本发明提供了一种多链跨链场景下的链间交互负载动态调控方法；包括以下步骤：
48.1)跨链业务产生时，业务端与接入区块链通信并提交跨链业务的交易；其中入区块链为业务端的账户发生交易时所在的区块链；
49.2)接入区块链接收到跨链业务的交易，并通过跨链信息接口确认交易的目标区块链并获取目标区块链的负载信息；接入区块链根据获取的内部交易负载度量因子φi、跨链合约执行负载度量因子μi以及跨链合约调用负载度量因子πi来度量目标区块链的负载程度；跨链信息接口为智能合约账户，所述智能合约账户用于记录所有区块链的账户所对应的接入区块链的id，智能合约账户在每条区块链中共用同一个地址；目标链为跨链业务的交易发生时，需要执行交易的区块链。
50.其中内部交易负载度量因子用以表示第i条链上内部交易的负载量，其中sto
used
和sto
total
表示本链内部交易已使用和总共可使用的区块内存储空间；ki为一个动态负载因子，用以调整该链交易量的度量占比；gas(tx
internal
)表示内部交易所使用的gas量；
51.跨链合约执行负载度量因子μi＝gas(tx
crosscont
)*mi，用以表示第i条链上为了完成跨链合约执行所增加的负载量；其中gas(tx
crosscont
)表示用以执行目标在本链的跨链合约调用所使用的gas量；mi为一个动态负载因子，用以调整该链跨链执行的度量占比；
52.跨链合约调用负载度量因子πi＝num(tx
crosscont
)*ni，用以表示第i条链上请求跨链合约执行的负载量，其中num(tx
crosscont
)表示本区块中需要请求跨链合约执行的数量；ni为
一个动态负载因子，用以调整该链负载量的度量占比。
53.3)综合比较多链跨链场景中每条区块链的三种负载因子，所述负载因子包括内部交易负载度量因子φi、跨链合约执行负载度量因子μi以及跨链合约调用负载度量因子πi；
54.当目标区块链的跨链合约执行负载度量因子μi低于接入区块链的跨链合约执行负载度量因子μi，且目标区块链的内部交易负载度量因子φi不高于接入区块链的内部交易负载度量因子φi时选择跨链调用的执行方式；
55.当目标区块链的跨链合约执行负载度量因子μi高于接入区块链的跨链合约执行负载度量因子μi，且目标区块链的跨链合约调用负载度量因子πi不高于接入区块链的跨链合约调用负载度量因子πi时选择接入切换的执行方式。
56.4)目标区块链根据步骤3)选择的执行方式完成跨链业务的执行。
57.其中跨链调用的执行方式具体为：
58.3.1)接入区块链从跨链信息接口中获取目标区块链的id，将跨链调用中的调用方法与调用数据封装为跨链合约调用交易，并生成本链后续区块；后续区块生成时，接入区块链将会把跨链合约调用交易与目标区块链id打包放入所述区块的跨链交易请求区；
59.3.2)目标区块链生成区块时，引用步骤3.1)接入区块链生成的区块，目标区块链将会执行接入区块链生成区块的跨链交易请求区中所请求的跨链合约调用交易，跨链调用将会被完成，并记录在目标区块链生成区块的跨链交易执行区；
60.接入切换的执行方式具体为：
61.4.1)接入区块链从跨链信息接口中获取目标区块链的id，将账户信息与验证信息封装为跨链接入切换交易，并生成本链后续区块；后续区块生成时，接入区块链将会把跨链接入切换交易与目标区块链id打包放入所述区块的跨链交易请求区；所述验证信息为目标区块链中账户merkle树上对应hash序列；所述账户信息为发起跨链业务账户的地址以及交易历史。
62.4.2)目标区块链生成区块时，引用步骤4.1)接入区块链生成的区块，目标区块链将会执行接入区块链生成区块的跨链交易请求区中所请求的跨链接入切换交易，验证并写入账户信息，并记录在目标区块链生成区块的跨链交易执行区。
63.具体实施例：
64.下面将附图结合具体实施方式对本发明的技术加以详细说明：
65.如图l所示，接入区块链与目标区块链生成的区块均包括区块头、区块体、跨链交易执行区以及跨链交易请求区；所述区块头包含了整个生成区块的哈希值并引用了多链跨链场景下其他区块链新生成区块的hash值；所述区块体包含了本链内部交易的区块头以及本链内部执行的交易；跨链交易执行区中存放了本区块中已经执行完成的源自其他区块链的交易；跨链交易请求区中存放了本区块中需要在其他区块链中完成的交易。
66.如图2所示，最简易的区块链多链架构中有两条镜像分片链，分别为链a与链b，链b上某一地址上部署了合约c，虚线箭头表示跨链引用关系，这是多链系统在交易前的初始状态。如图3所示，当链a与前端业务通信，并收到了一个调用合约c的交易时，将交易在链a的网络上广播，过程如下：
67.(1)链a上试图生成新区块时监听到此交易，并试图执行该合约调用；
68.(2)当链a执行合约调用时，链a会通过跨链信息接口查询所调用合约的接入链，发
现该合约c位于并非当前链的另一链b上，判断需要进行跨链数据通信；
69.(3)链a此时会根据负载监测方法返回的负载度量因子判断具体执行方式：
70.(3-a)当负载检测方法返回的链b上跨链合约执行负载度量因子μ不高，且内部交易负载度量因子φ不高时，负载动态调整机制选择将该交易中的合约调用通过跨链合约调用的方式实现；链a将调用方法与调用数据封装为跨链合约调用交易，并把此交易与链b的id打包放入链a的跨链交易请求区中并在链a的网络上广播；
71.(3-b)当负载检测方法返回的链b上跨链合约执行负载度量因子u高，但跨链合约调用负载因子π不高时，负载动态调整机制会选择将该交易涉及的接入账户调用通过账户接入切换请求的方式实现；链a将账户信息与验证信息封装为跨链接入切换交易，并把此交易与链b的id打包放入链a的跨链交易请求区中并在链a的网络上广播；
72.(4)链b上生成新区块时会接入链a上新生成的区块，并在该区块的跨链交易请求区发现需要链b进行执行的跨链合约交易或账户接入切换操作，从交易数据中获取调用方法与数据，并执行合约c的调用操作；
73.(5)交易执行完成后将交易与链a的id打包记录在新区块的跨链交易执行区并在链b的网络上广播。
74.至此合约调用执行完毕，前端业务后续可通过查询合约c状态完成后续操作。
75.在本发明的一个优选实施例中，多链跨链场景下的链间交互负载动态调控方法并不局限于单次合约调用，而是长期使用时，系统管理者可通过调整各链上的动态负载因子，使得特定的某些链在接入优先与运算优先中调整负载优先类型，从而针对性的更改各链上的资源分配策略，在本实施例场景中，链a与外界前端业务有大量信息交互，用户对账户的各项操作也大都在链a上进行；链b计算能力相较于链a偏高，但网络通信负载能力偏低，且整体资源量多于链a；为更高效的利用各链上资源，链a上应承担更多的前端业务接入操作，链b则应承担更多的运算负载，且链b整体负载量应高于链a；为实现这一负载分配方式，本方法所述多链系统各链负载动态调整机制可以在链a设定较低的动态负载因子ni、在链b设定较低的动态负载因子ki与mi.
76.至此各链负载策略设定完毕，长期使用本方法所述系统时，各链将会以设定的资源分配策略执行负载均衡机制。
77.上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多链跨链场景下的链间交互负载动态调控方法，其特征在于，包括以下步骤：1)跨链业务产生时，业务端与接入区块链通信并提交执行跨链业务的交易；2)接入区块链接收到执行跨链业务的交易，接入区块链通过跨链信息接口确认交易的目标区块链并获取目标区块链的负载信息；接入区块链根据获取的目标区块链负载信息度量目标区块链的负载程度；3)接入区块链根据度量的目标区块链负载程度从跨链调用或接入切换中选择执行方式；4)目标区块链根据步骤3)选择的执行方式完成跨链业务的执行。2.根据权利要求1所述的链间交互负载动态调控方法，其特征在于，步骤1)中所述接入区块链为业务端的账户发生交易时所在的区块链。3.根据权利要求1所述的链间交互负载动态调控方法，其特征在于，步骤2)中所述跨链信息接口为智能合约账户，所述智能合约账户用于记录所有区块链的账户所对应的接入区块链的id，智能合约账户在每条区块链中共用同一个地址。4.根据权利要求1所述的链间交互负载动态调控方法，其特征在于，步骤2)中所述目标链为跨链业务产生时，需要执行跨链业务的区块链。5.根据权利要求1所述的链间交互负载动态调控方法，其特征在于，步骤2)中度量区块链的负载程度时，其度量标准包括以下几部分：2.1)内部交易负载度量因子用以表示第i条链上内部交易的负载量，其中sto
used
和sto
total
表示本链内部交易已使用和总共可使用的区块内存储空间；k
i
为一个动态负载因子，用以调整该链交易量的度量占比；gas(tx
internal
)表示内部交易所使用的gas量；2.2)跨链合约执行负载度量因子μ
i
＝gas(tx
crosscont
)*m
i
，用以表示第i条链上为了完成跨链合约执行所增加的负载量；其中gas(tx
crosscont
)表示用以执行目标在本链的跨链合约调用所使用的gas量；m
i
为一个动态负载因子，用以调整该链跨链执行的度量占比；2.3)跨链合约调用负载度量因子π
i
＝num(tx
crosscont
)*n
i
，用以表示第i条链上请求跨链合约执行的负载量，其中num(tx
crosscont
)表示本区块中需要请求跨链合约执行的数量；n
i
为一个动态负载因子，用以调整该链负载量的度量占比。6.根据权利要求1所述的链间交互负载动态调控方法，其特征在于，步骤3)中选择执行方式的方法为：综合比较多链跨链场景中每条区块链的三种负载因子，所述负载因子包括内部交易负载度量因子φ
i
、跨链合约执行负载度量因子μ
i
以及跨链合约调用负载度量因子π
i
；当目标区块链的跨链合约执行负载度量因子μ
i
低于接入区块链的跨链合约执行负载度量因子μ
i
，且目标区块链的内部交易负载度量因子φ
i
不高于接入区块链的内部交易负载度量因子φ
i
时选择跨链调用的执行方式；当目标区块链的跨链合约执行负载度量因子μ
i
高于接入区块链的跨链合约执行负载度量因子μ
i
，且目标区块链的跨链合约调用负载度量因子π
i
不高于接入区块链的跨链合约调用负载度量因子π
i
时选择接入切换的执行方式。7.根据权利要求1所述的链间交互负载动态调控方法，其特征在于，步骤4中，
跨链调用的执行方式具体为：3.1)接入区块链从跨链信息接口中获取目标区块链的id，将跨链调用中的调用方法与调用数据封装为跨链合约调用交易，并生成本链后续区块；后续区块生成时，接入区块链将会把跨链合约调用交易与目标区块链id打包放入所述区块的跨链交易请求区；3.2)目标区块链生成区块时，引用步骤3.1)接入区块链生成的区块，目标区块链将会执行接入区块链生成区块的跨链交易请求区中所请求的跨链合约调用交易，跨链调用将会被完成，并记录在目标区块链生成区块的跨链交易执行区。8.根据权利要求1所述的链间交互负载动态调控方法，其特征在于，步骤4中，接入切换的执行方式具体为：4.1)接入区块链从跨链信息接口中获取目标区块链的id，将账户信息与验证信息封装为跨链接入切换交易，并生成本链后续区块；后续区块生成时，接入区块链将会把跨链接入切换交易与目标区块链id打包放入所述区块的跨链交易请求区；所述验证信息为目标区块链中账户merkle树上对应hash序列；所述账户信息为发起跨链业务账户的地址以及交易历史。4.2)目标区块链生成区块时，引用步骤4.1)接入区块链生成的区块，目标区块链将会执行接入区块链生成区块的跨链交易请求区中所请求的跨链接入切换交易，验证并写入账户信息，并记录在目标区块链生成区块的跨链交易执行区。9.根据权利要求7或8所述的链间交互负载动态调控方法，其特征在于，接入区块链与目标区块链生成的区块均包括区块头、区块体、跨链交易执行区以及跨链交易请求区；所述区块头包含了整个生成区块的哈希值并引用了多链跨链场景下其他区块链新生成区块的hash值；所述区块体包含了本链内部交易的区块头以及本链内部执行的交易；跨链交易执行区中存放了本区块中已经执行完成的源自其他区块链的交易；跨链交易请求区中存放了本区块中需要在其他区块链中完成的交易。10.一种基于权利要求1所述链间交互负载动态调控方法的调控系统，其特征在于，包括：交易请求模块，用于跨链业务产生时，业务端与接入区块链通信并提交跨链业务的交易；负载监测模块，用于接入区块链接收到跨链业务的交易，并通过跨链信息接口确认交易的目标区块链并获取目标区块链的负载信息；以及用于接入区块链根据获取的目标区块链负载信息度量目标区块链的负载程度；执行方式选择模块，用于接入区块链根据度量的目标区块链负载程度从跨链调用或接入切换中选择执行方式；跨链业务执行模块，用于选择执行方式并完成跨链业务的执行。

技术总结
本发明公开了一种多链跨链场景下的链间交互负载动态调控方法及系统，属于区块链跨链数据交互与跨链资源分配领域。本发明系统包括：交易请求模块、负载监测模块、执行方式选择模块以及跨链业务执行模块。本发明方法采用了动态调整的负载度量因子作为度量标准，可根据多链系统负载特性定制各链不同的负载种类与程度，从而使得该调控方法适用于各类节点类型与应用场景。本发明系统解决了跨链信息传递情境下各链的负载均衡问题，提高了跨链和多链系统的灵活性和信息传递效率，填补了跨链通信情境下负载调配技术的空缺，不仅具有良好的通用性和实用价值，而且具有很好的借鉴意义。而且具有很好的借鉴意义。而且具有很好的借鉴意义。


技术研发人员：陈建海 曾俊浩 卢志鹏 刘振广 何钦铭
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/8/9