高穩(wěn)定性區(qū)塊鏈節(jié)點存儲容量檢測仿真技術(shù)

李 凡，高 琳

(成都信息工程大學區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)學院，四川 成都 610225)

1 引言

區(qū)塊鏈是一個信息技術(shù)領(lǐng)域的術(shù)語，從結(jié)構(gòu)上來講，區(qū)塊鏈就是一個共享數(shù)據(jù)庫，是分布式數(shù)據(jù)儲存與點對點傳輸?shù)男滦蛻媚Ｊ剑叻€(wěn)定性區(qū)塊鏈具有全程留痕、追溯性強且公開透明等特征[1-2]。區(qū)塊鏈節(jié)點能夠按照數(shù)據(jù)的時間順序，采用鏈式結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進行組織，改變了原有信息數(shù)據(jù)的儲存?zhèn)鬏敺绞健?/p>

國外在檢測仿真區(qū)塊鏈節(jié)點儲存容量起步較早，現(xiàn)已經(jīng)設計得到的一種點對點分布式的節(jié)點結(jié)構(gòu)，研究得到了多種儲存容量的檢測方法和檢測算法，初步建立了一種分布式的節(jié)點儲存生態(tài)[3]。國內(nèi)在研究節(jié)點儲存容量檢測仿真起步較晚，當下的研究水平還處于起步階段，目前得到的檢測仿真技術(shù)只存在于理論階段，在實際應用層面上，還需要不斷地學習研究[4]。文獻[5]提出基于雙區(qū)塊鏈的醫(yī)療記錄安全存儲與共享方法，用兩個聯(lián)盟鏈分別對醫(yī)療記錄進行存儲和共享。該方案解決了傳統(tǒng)單鏈應用擴展性差、吞吐量低、醫(yī)療記錄共享和存儲分離等問題，利用區(qū)塊鏈的去中心化特性和智能合約的鏈上代碼實現(xiàn)對不可信任環(huán)境下的訪問控制，有效保護了存儲和共享過程中患者的隱私數(shù)據(jù)安全。文獻[6]提出區(qū)塊鏈技術(shù)的城市智能交通大數(shù)據(jù)平臺及仿真，以霧霾條件下道路網(wǎng)交通流數(shù)據(jù)丟失為模擬實例，提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的道路網(wǎng)交通流數(shù)據(jù)丟失的具體應用方法。以北京地區(qū)部分道路網(wǎng)為例進行模擬，結(jié)果表明，由于設備配置、分屬管理機構(gòu)等因素的限制，獲取的道路網(wǎng)數(shù)據(jù)覆蓋率受客觀環(huán)境的影響較大，可能導致數(shù)據(jù)丟失；所有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都要獨立運行，無法在網(wǎng)絡底層共享數(shù)據(jù)；基于區(qū)塊鏈技術(shù)的城市智能交通大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)，突破了組織機構(gòu)的局限性，實現(xiàn)了城市智能交通數(shù)據(jù)共享，進一步解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)中的數(shù)據(jù)丟失問題。雖然上述研究取得一定進展，但在節(jié)點存儲容量檢測存在一定局限性，為此設計一種高穩(wěn)定性區(qū)塊鏈節(jié)點儲存容量檢測仿真技術(shù)。在區(qū)塊鏈分布式儲存方式的控制下，能夠充分的利用硬盤空間，避免資源浪費。

2 高穩(wěn)定性區(qū)塊鏈節(jié)點存儲容量檢測仿真技術(shù)

2.1 計算高穩(wěn)定性區(qū)塊鏈節(jié)點性能

在計算高穩(wěn)定性區(qū)塊鏈節(jié)點性能時，受到節(jié)點硬件的影響，各個節(jié)點參數(shù)的量綱不同，所以在計算節(jié)點性能前，標準化處理節(jié)點性能參數(shù)，可表示為

(1)

(2)

其中，ki表示節(jié)點i的性能數(shù)值，si表示硬盤儲存容量，ci表示CPU處理的頻率，Di表示磁盤IO的速率，Mi表示內(nèi)存大小，Wi表示互聯(lián)網(wǎng)帶寬。區(qū)塊鏈在實際運用過程中，劃分區(qū)塊為不同的分片單位，對應區(qū)塊數(shù)據(jù)被劃分為眾多分片數(shù)據(jù)并儲存在節(jié)點上，根據(jù)上述計算式(2)中計算得到的性能數(shù)值，得到區(qū)塊鏈中所有組中節(jié)點的性能總和，可表示為

(3)

其中，Pt表示區(qū)塊鏈組中普通節(jié)點的性能總和，l表示節(jié)點數(shù)量，其余參數(shù)含義不變。以上述計算得到的節(jié)點總性能數(shù)值為基礎(chǔ)[7]，根據(jù)高穩(wěn)定性區(qū)塊鏈工作時節(jié)點的分配情況，計算得到儲存組中待分配的虛節(jié)點個數(shù)，可表示為

(4)

在圖1構(gòu)建的更新處理過程下，以節(jié)點評價處理得到的數(shù)值作為處理對象，構(gòu)建一個節(jié)點儲存容量檢測方法。

圖1 構(gòu)建的更新處理過程

2.2 構(gòu)建節(jié)點儲存容量檢測方法

以上述處理得到的節(jié)點信息作為處理對象，計算各個節(jié)點的權(quán)重，計算公式可表示為

(5)

其中，T表示整數(shù)常量，fn表示區(qū)塊鏈節(jié)點緩存數(shù)據(jù)的大小，其余參數(shù)含義不變。定義上述得到的權(quán)重數(shù)值為節(jié)點儲存空間PSN數(shù)值，在構(gòu)建節(jié)點儲存容量檢測方法時，將得到的PSN數(shù)值作為區(qū)塊鏈終端請求數(shù)據(jù)[9]，得到數(shù)據(jù)在節(jié)點表現(xiàn)出的儲存命中率，可表示為

(6)

其中，hi表示節(jié)點i一次就儲存滿的次數(shù)，ri表示區(qū)塊鏈的總訪問次數(shù)。在該命中率數(shù)值的控制下，區(qū)塊鏈儲存數(shù)據(jù)直接從云端獲取命令，省去了區(qū)塊鏈其它的節(jié)點路徑[10]，將上述計算公式得到的命中數(shù)值作為檢測參數(shù)，構(gòu)建一個檢測響應過程，可表示為

(7)

其中，Ri表示節(jié)點i的檢測數(shù)量，其余參數(shù)含義不變。當區(qū)塊鏈不同節(jié)點產(chǎn)生交互時，節(jié)點之間產(chǎn)生一定的儲存遷移，實際檢測過程會產(chǎn)生一些檢測錯誤，為了處理該部分檢測錯誤，設定一個檢測平衡架構(gòu)，設定的檢測平衡架構(gòu)如圖2所示。

圖2 設定的檢測平衡架構(gòu)

根據(jù)上圖設定的平衡架構(gòu)可知，為了消除檢測過程產(chǎn)生的錯誤，使用哈希算法處理各個節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)負載，根據(jù)區(qū)塊鏈產(chǎn)生的交互周期，定時更新節(jié)點儲存狀態(tài)[11]。節(jié)點儲存容量檢測方法構(gòu)建完畢后，以上圖中設定的平衡架構(gòu)作為仿真進程，完成檢測仿真技術(shù)的設計。

2.3 實現(xiàn)檢測仿真

將圖2中的平衡架構(gòu)處理過程看作仿真的實際進程，實際檢測仿真時，定義節(jié)點的權(quán)重數(shù)值小于計算式(5)中的數(shù)值即為敏感，提取區(qū)塊鏈中的敏感節(jié)點，可表示為

(8)

其中，mi(w)表示超過(5)中的敏感節(jié)點數(shù)量，C表示懲罰參數(shù)。計算該部分敏感節(jié)點產(chǎn)生的儲存容量損耗，損耗可表示為

(9)

其中，b表示敏感參數(shù)，其余參數(shù)含義不變。將上述計算得到的損耗參數(shù)作為仿真鏈路參數(shù)，設定的仿真鏈路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 設定的仿真鏈路結(jié)構(gòu)

在圖3設定的仿真鏈路結(jié)構(gòu)下，首先分組處理獲取得到的敏感節(jié)點，記錄敏感節(jié)點起始地址的偏移量，將該偏移量作為仿真檢測的起點，在區(qū)塊鏈節(jié)點協(xié)議的控制下，將復制器生成多個分組，并將檢測過程整合為一個仿真執(zhí)行任務，根據(jù)區(qū)塊鏈工作的時間順序，設定節(jié)點儲存容量的檢測仿真順序[12]。綜合上述處理，最終完成對高穩(wěn)定性區(qū)塊鏈節(jié)點儲存容量檢測仿真技術(shù)的設計。

3 實驗研究

3.1 實驗準備

為了驗證高穩(wěn)定性區(qū)塊鏈節(jié)點存儲容量檢測仿真技術(shù)，采用實驗室的主機以及服務器模擬區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的節(jié)點，使用一臺主機配備7臺服務器，使用的服務器參數(shù)如表1所示。

表1 服務器參數(shù)

在表1所示的服務器參數(shù)控制下，采用一個仿真數(shù)字通訊接口板卡，連接上述參數(shù)的服務器，使用的板卡硬件參數(shù)以及功能如表2所示。

表2 使用的硬件板卡組成以及功能

使用表2參數(shù)控制的仿真數(shù)字通訊接口板，控制板卡上存在兩種收發(fā)獨立的數(shù)據(jù)、地址以及控制總線實現(xiàn)服務器與主機間的雙向通訊，實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)間的交互。硬件結(jié)構(gòu)連接完畢后，調(diào)試主機與仿真接口板間處于正常工作狀態(tài)，模擬區(qū)塊鏈實驗環(huán)境后，分別使用文獻[5]中的檢測仿真技術(shù)、文獻[6]中的檢測仿真技術(shù)以及文中設計的檢測仿真技術(shù)進行實驗，對比三種檢測仿真技術(shù)的性能。

3.2 結(jié)果及分析

基于上述實驗準備，設置實驗環(huán)境中區(qū)塊的數(shù)量為500～5000個，統(tǒng)計在三種檢測仿真技術(shù)下，不同區(qū)塊數(shù)量控制下，節(jié)點的儲存容量大小，節(jié)點儲存容量結(jié)果如表3所示。

表3 三種檢測仿真方法得到的節(jié)點儲存容量結(jié)果

由表3所示的實驗結(jié)果可知，在三種檢測仿真方法控制下，不斷增加區(qū)塊鏈中的區(qū)塊數(shù)量，根據(jù)上述數(shù)值可知，節(jié)點增加相同數(shù)量的區(qū)塊時，文獻[5]中的檢測仿真方法節(jié)點儲存容量數(shù)值較小，節(jié)點數(shù)據(jù)產(chǎn)生的冗余較多。文獻[6]中的檢測仿真方法得到的節(jié)點儲存數(shù)值較大，對應節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)冗余較少，而文中設計的檢測仿真技術(shù)最終產(chǎn)生的節(jié)點儲存數(shù)值最大，可知對應區(qū)塊鏈節(jié)點產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù)最少。文中設計的檢測仿真技術(shù)在實驗環(huán)境中產(chǎn)生的檢測數(shù)據(jù)最少。

保持上述實驗環(huán)境不變，設置三種檢測仿真技術(shù)請求節(jié)點數(shù)據(jù)量為1000個，設定節(jié)點數(shù)據(jù)請求的頻率為固定數(shù)值，改變?nèi)N檢測仿真技術(shù)的請求檢測數(shù)據(jù)量的大小為0.5×106～2.0106，統(tǒng)計在不同數(shù)據(jù)量的檢測仿真請求下，三種檢測仿真技術(shù)執(zhí)行檢測命令的時間，結(jié)果如表4所示。

表4 三種檢測仿真技術(shù)執(zhí)行檢測命令的時間

由表4所示檢測仿真任務的請求時間結(jié)果可知，三種檢測仿真方法表現(xiàn)出了不同大小的請求時間，根據(jù)上表統(tǒng)計得到的時間數(shù)值可知，文獻[5]中的檢測仿真技術(shù)產(chǎn)生的檢測仿真任務的時間最長，當檢測指令數(shù)據(jù)量在2.0×106bit時，所需的檢測時間在1.49min左右，消耗的檢測時間最長。文獻[6]中的檢測仿真技術(shù)在相同檢測仿真指令數(shù)據(jù)下，產(chǎn)生的檢測時間在1.19min左右，所需的時間較短。而文中設計的檢測仿真方法在相同檢測指令數(shù)據(jù)的控制下，實際產(chǎn)生的檢測仿真時間在0.69min左右，與兩種文獻中的檢測仿真方法相比，文中設計的檢測仿真方法實際產(chǎn)生的檢測時間最少。

在上述實驗環(huán)境下，定義模擬節(jié)點環(huán)境中服務器出錯的錯誤率代表仿真檢測出現(xiàn)的錯誤概率，該錯誤概率可表示為

(10)

表5 三種檢測仿真方法產(chǎn)生的錯誤率

由表5所示的錯誤率結(jié)果可知，三種檢測仿真方法表現(xiàn)出了不同數(shù)值的錯誤率結(jié)果，在相同數(shù)量的區(qū)塊控制下，文獻[5]中的檢測仿真技術(shù)產(chǎn)生的檢測錯誤率最大，數(shù)值在45～50%之間，文獻[6]中的檢測仿真方法最終產(chǎn)生的錯誤率數(shù)值在30～40%之間，錯誤率數(shù)值較小。而文中設計的檢測仿真技術(shù)最終產(chǎn)生的錯誤率數(shù)值在8～12%之間，實際檢測仿真時產(chǎn)生的錯誤率最小。綜合上述實驗結(jié)果可知，文中設計的檢測仿真方法實際仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)冗余量最小、檢測仿真執(zhí)行時間最短且檢測產(chǎn)生的錯誤率數(shù)值最下，適合在實際仿真過程中運用。

4 結(jié)束語

針對文獻中檢測仿真方法存在儲存容量數(shù)值錯誤率較高的問題，設計一種高穩(wěn)定性區(qū)塊鏈節(jié)點儲存容量檢測仿真技術(shù)，改善了文獻檢測仿真方法執(zhí)行檢測命令時間過長的不足，為今后檢測仿真區(qū)塊鏈節(jié)點儲存容量提供了一定的研究方向。