(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210176550.3 (22)申请日 2022.02.25 (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市 市辖区学府路 301号 (72)发明人 谢晴晴　董凡　冯霞　李长阔　 郑嘉泓　 (74)专利代理 机构 南京华恒专利代理事务所 (普通合伙) 32335 专利代理师 宋方园 (51)Int.Cl. H04L 9/08(2006.01) H04L 9/32(2006.01) H04L 9/40(2022.01) H04L 67/10(2022.01) (54)发明名称 一种基于边缘计算的轻量级且可扩展的区 块链系统 (57)摘要 本发明公开一种基于边缘计算的轻量级且 可扩展的区块链系统， 涉及身份认证层、 节 点层、 共识层和存储层， 具体包括： 节点身份认证与角 色层级划分、 委员会选举、 新区块生成与验证、 委 员会更迭、 区块数据卸载； 本发明轻量级且可扩 展的区块链系统， 减 轻节点的账本存储负担和交 易共识计算负担， 提高区块链的交易吞吐量。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 114745102 A 2022.07.12 CN 114745102 A 1.一种基于边缘计算的轻量级且可扩展的区块链系统， 其特征在于： 涉及身份认证层、 节点层、 共识层和存储层； 所述身份认证层中的证书注册机构CA对节点层中的节点进行身 份认证以及角色层 级划分； 所述共识层通过基于可验证随机函数VRF的身份证明PoI共识协 议来进行委员会选举与更迭以及新区块的产生与验证； 所述存储层实现区块存储结构优化 以及历史区块数据卸载； 上述身份认证层、 节点层、 共识层和存 储层之间的具体工作过程如下： S1、 节点身份认证与角色层级划分 所有节点在加入区块链网络时通过证书注册机构CA进行身份认证， 并将节点层中节点 角色划分为高级节点、 中级节点和低级节点； S2、 委员会选举 通过基于可验证随机函数VRF的抽签算法从中级节点和高级节点合集中选出部分节点 组成委员会； 委员会生命周期记为纪元ETi， 当该纪元结束时， 委员会 发生更迭， 重新挑选下 一批委员； 每次所选委员会成员的身份标识均将被记录 到该纪元的创世区块中； S3、 新区块 生成与验证 委员会成员在一个固定的时间段内通过不断改变输入随机数r的值计算一个哈希函 数， 并得到一个哈希值的输出集合 委员会成员在自己的哈希值输出集合 中找到一个具 有最多前置连续零的哈希值Zi， 并将该哈希值Zi发送给委员会的其他成员， 每个委员会成员 均比较所有的哈希值Zi， 其中哈希值的前置连续零数量最多的委员会成员获得记账权； 获 得记账权 的委员会成员构造候选区块Bt， 并发送给其他委员会成员等待验证， 委员会成员 验证候选区块Bt， 若验证成功， 则将候选区块Bt广播到区块链网络中， 并附加到该成员本地 存储的区块链中； 重复上述内容 直到纪元 结束； S4、 委员会更迭 当纪元结束时， 现任委员会成员对下一纪元的随机字符串达成一致， 该随机字符串用 作下一纪元委员会成员选举过程中输入的随机种子； S5、 区块数据卸载， 即中级节点 通过存储层的数据卸载模块对历史区块数据进行删除； 每个区块Bt由纪元编号Ei和区块在纪元内的高度Hj两部分标识， 利用共识的周期性， 每 个纪元的创世区块中更新一颗包含所有账户最新状态的完整状态树， 从而删除历史纪元的 区块数据而不影响区块链系统的正常运行； 中级节点只需在存储空间不足时， 将纪元编号 Ei与当前纪元不符的区块进行删除处 理。 2.根据权利要求1所述的基于边缘计算的轻量级且可扩展的区块链系统， 其特征在于： 所述步骤S1的具体过程 为： S1.1、 证书注册机构CA检测节点层中节点No dei的硬件资源， 对节点进行角色层级划分 为高级节点、 中级节点和低级节点 ， 并为每个节点分配一个角色层级表示符 其中 表示高级节点， 表示中级节点， 表示低级节点； S1.2、 证书注册机构CA对每个节点Nodei分配一个唯一的公私钥对<P Ki,SKi>， 然后根据 节点Nodei的公钥PKi以及角色层级表示符iLeval计算节点身份标识码ICi； 节点身份标识码ICi表示为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114745102 A 2ICi＝SHA256(PKi||iLevel) 节点Nodei可以用<PKi,ICi>作为唯一身份标识。 3.根据权利要求1所述的基于边缘计算的轻量级且可扩展的区块链系统， 其特征在于： 所述步骤S3的具体过程 为： S3.1、 首先判断当前是否处于纪元的创世区块， 若是， 则将纪元生命周期长度ETi以及节 点计算哈希 值的时间MTi硬编码到当前纪元的创世区块内， 其中ETi和MTi与当前委员会成员 的硬件资源和剩余能量相关； 若否， 则执 行步骤S3.2； S3.2、 每个委员会成员在时间缝隙MTi中通过不断改变随机数r的值来计算哈希函数 SHA256(SHA256(Blockt)||ICi||r)， 并由所有的输出组成了一个哈希值集合 每个委员会 成员分别在自己集合 中找到一个具有最多前置连续零的哈希值Zi， 然后以<Zi,ri,ICi>的 形式发送给其他委员会成员， 其中ri是与哈希值Zi对应的随机数， ICi则是该委员会成员的 身份标识码； S3.3、 每个委员会成员等待一个固定时间ST来更新区块链， 在ST时间段内， 委员会成员 会收到其他成员的 哈希值Zi， 每个成员比较所有的哈希值Zi， 其中哈希值的前置连续零 数量 最多的成员获得记账权； S3.4、 获得记账权的委员会成员选择一个新交易记录集合{Tx}t,然后生成新的候选 区 块Bt,并将Bt广播给其 他的委员会成员； 候选区块Bt的格式为： Bt＝<header＝{PreHash,E,H,t,<PKi,ICi>,ET,MT,r,Z,S R,TR,RR},body＝{SMT,TMT, RMT}> 其中， PreHash为前一区块的哈希值， E为纪元编号， H为区块在纪元内的高度， t为时间 戳， <PKi,ICi>为该区块所属节点的身份标识， ET为纪元时间长度， MT为当前纪元节点计 算哈 希值的时间间隙， r为Z对应输入的随机数， Z为该节点具有最多前置连续零的哈希值， SR为 状态树的根哈希值， TR为交易树的根哈希值， RR为收据树的根哈希值， SMT为账户状态 Merkle哈希树， TMT为交易Merk le哈希树， RMT为收据Merk le哈希树； S3.5、 一旦收到候选区块Bt， 所有委员会成员基于账户状态验证候选区块Bt以及交易 {Tx}t的有效性； 若验 证成功， 则将候选区块Bt广播到区块链网络中， 并附加到该成员本地存 储的区块链中； S3.6、 重复上述 步骤S3.1至步骤S3.5， 直至当前纪元 结束。 4.根据权利要求3所述的基于边缘计算的轻量级且可扩展的区块链系统， 其特征在于： 所述步骤S3.3中比较哈希值Zi的具体过程 为： (1)、 所有成员各自比较哈希值Zi的前置连续零数量， 前置连续零数量最多的哈希值所 属节点获得记账权； (2)、 当存在多个最多前置连续零的哈希值时， 则比较哈希值对应输入随机数的值， 随 机数最小的节点获得记账权； (3)、 倘若随机数也相等， 则直接比较哈希值Zi的大小， 哈希值 最小的节点获得记账权 。 5.根据权利要求3所述的基于边缘计算的轻量级且可扩展的区块链系统， 其特征在于： 所述步骤S3.4中生成候选区块Bt的具体方法为： (1)、 从当前所有新交易中选择一批有效交易作为待打包的交易集合{Tx}t， 并基于权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114745102 A 3