具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明为一种基于社区的DAG交易机制，具体包括优化社区划分算法、设计支持并行交易的数据结构和提出高效的共识算法。

1.基于CNM的网络社区划分算法(即构建DAG网络拓扑)

合理的社区划分方法是提高网络并发性的必要前提。社区是紧密连接并在网络中具有某些共同特征的设备节点的集合。本发明基于Newman提出的基于高稳定性的模块值Q优化的贪婪算法CNM算法进行优化以实现更为合理的社区划分。

社区划分的出色程度是通过模块度Q来衡量的。Q的原始定义如下：

Q＝∑_i(e_ii-a_i ²)

如上式所示，e_ii是社区i的内部边密度，a_i是跨社区i的边密度，Q代表社区内边密度和社区间边密度之间的比较。Q越接近1，社区划分结果越好。以一定时间内物联网终端节点存在通信交互，则两终端间作一条边；一节点在其所在的社区内的度(即边数量)除以该节点的总度数为社区内部边密度，该节点延伸到社区外的度除以该节点的总度数为跨社区的边密度。

为了更准确地实现社区划分，将两个节点的日常交互数据作为它们之间边缘的权重。节点之间交互的数据量越大则连接权重越大，并且两个节点之间的关系越紧密。因此，将权重信息添加到计算公式中，以更准确地测量节点之间的关系。改进的计算公式定义如下：

Q＝∑_i(e_iiw_ii-(a_iw_i)²)

新添加的参数w_ii是社区i中不同节点之间的连接权重；w_i表示社区内部节点和外部节点之间连接的权重。一定时间内物联网终端节点间的通信次数作为两终端间的权重，在同一社区内的两终端的通信次数为社区内终端连边的权重,跨社区的两终端的通信次数为不同社区终端连边的权重。

加权CNM算法基于经典CNM运算，在Q计算公式中增加了社区内部边和跨社区边的权重信息。本发明选取图2所示的拓扑作为示例，进行社区划分。DAG是区别于区块链链式结构的分布式账本，也是一种基于图(非串行的链)的数据结构；图2规定了哪些节点在一个社区里，根据下述DAG数据结构构建规则,首先初始化创世节点,然后链接到每个社区建立一个社区起始区块，依次链接用户起始区块\交易区块，建立的是基于树(非串行单链)的DAG数据结构,每个终端节点都维护这样一个数据结构；社区间节点无交易时终端节点数据结构只维护社区内交易数据的一致性，当社区间产生交易时解发全网交易数据的同步。

CNM依据Q衡量社区划分结果是否合适有效，Q越接近1，代表社区划分结果越好，社区间的耦合越小。理论上Q取值范围为[-1/2,1)。在本发明示例中社区划分后的Q值为0.6179，划分效果比较理想。

2.DAG数据结构设计

基于社区划分的DAG数据结构，旨在保证社区内的交易数据高效完成同步，即区块快速生成，并可保证社区间交易的最终一致性。区块包括4种类型：父节点区块、社区起始区块、用户起始区块、交易区块。父节点区块为所有社区起始区块的父节点(也称为创世节点)，标识为0；依据社区划分算法划分的每个社区注册进入区块链系统，每个社区拥有一个唯一标识ID_C，基于该ID_C生成一个社区起始区块B_C；社区内的每个用户节点向区块链系统注册，分配一个基于其所属社区标识ID_C和用户注册信息(如IP地址)的唯一用户标识ID_C,U，同时基于ID_C,U生成用户起始区块B_C,U；交易区块链接于用户起始区块B_C,U后，记录用户U₁与其他用户U₂的交易内容。

各社区构成一个DAG结构，如图3所示，图3中箭头表示区块的先后生成关系；每个社区可以看成一个子DAG结构。在社区内，用户U₁向用户U₂、U₃发起的交易分别有序链接于后。通过基于用户并行的DAG结构，所有用户可在同一时间内并行触发交易的同步，生成区块，不再受限于传统区块链的链式串行结构，从数据结构层次规避了区块链串行数据同步效率低的问题。

在社区间，用户节点之间连接松散，但是仍存在部分交易的情况。仅当交易发生时，触发数据同步，生成相应的区块。社区间的DAG结构在某一时刻存在分叉，社区间的数据同步通过全局共识机制保证。

(1)交易区块

每个用户节点拥有若干个公开的包含交易记录的链式结构，同一对用户之间的交易记录构成一个链式结构，每一交易记录采用一交易区块进行记录。交易区块记录着交易区块标识ID_B、该用户节点即交易发起方的标识ID_S和数字签名sig(S)、交易接收方的标识ID_R和数字签名sig(R)、前一交易区块标识ID_B-1和哈希值hash(B-1)、交易内容M、当前交易区块完成时间T等。其中区块标识ID_B代表着该交易区块在数据结构中的位置，交易双方的签名sig(S)、sig(R)用于验证交易内容。

(2)用户起始区块

用户起始区块记录着该用户节点的标识ID_U、公私钥信息PK_U和SK_U、数字签名sig(U)。其中，用户节点标识ID_U作为DAG交易区块分类链接的依据，作为交易区块的父节点，其后链接的交易区块记录着该ID_U的用户向其他用户节点发起交易的内容；公钥PK_U和数字签名sig(U)用于身份验证。

(3)社区起始区块

社区起始区块仅记录该社区的标识ID_C，用来标识该社区。

(4)创世节点

创世节点是所有社区起始区块的父节点，其标号为0，不记录具体交易信息。

3.基于网络社区划分的DAG共识算法

本发明的一个重要目标是设计高效的共识机制保证网络的安全性和一致性。考虑POW等工作量证明对资源消耗较大，物联网环境中对交易的时效要求比较高，设备计算资源宝贵，因此本章基于收敛速度快、相对节省资源的PBFT(Practical Byzantine FaultTolerance，实用拜占庭容错)共识算法来构建可信安全的DAG账本。面向DAG架构，在传统PBFT基础上进行适应性改进，设计出应用于DAG的DVPBFT(DAG-based Voting-combinedPBFT consensus algorithm)共识机制，其分为两个步骤：(1)社区内部采用适用于DAG环境中弱同步环境的基于投票机制和PBFT思想的共识算法，并支持以每个用户起始块为父节点并行执行共识运算；(2)社区间采用基于交易的全局数据同步机制。

在社区内部，在PBFT的基础上引入了投票机制，并在弱同步环境下基于投票实现了参与区块生产的节点的选择。

在DVPBFT算法中，一个社区中的这些节点分为三个角色：投票者(voter)，生产者(producer)和候选者(candidate)(见图6)。所有节点都是候选者,从中选择历史行为表现较好的用户节点作为投票者，生产者的历史表现行为相对最优秀(诚实\性能优越)。

投票者：负责为生产者投票。投票者根据身份验证从候选人中选出。

生产者：负责在特定的任命期内生产区块。

候选人：候选人可以通过投票者身份验证，也可以根据投票结果成为生产者。

社区之间的全局数据同步机制基于交易。当社区间之间存在交易时，将触发全局数据同步。

共识流程如下：

(1)注册。设定当前网络中共有M个节点，依据本发明提出的社区划分算法形成N个社区Community，社区标识号为社区内所有的用户向DAG网络注册，生成关联社区标识号的用户标识ID_C,U，同时生成相应的公私钥信息PK_U和SK_U。

(2)社区内共识。遍历每个社区的每个用户U，如果其发起交易T的应答方也在同一社区内，则进行社区内的共识。否则转到(3)。为提高算法执行效率和共识运算的可靠性，本发明选择历史行为表现良好的用户节点作为主节点，当主节点收到任务发布请求时，向其余用户节点U发送共识指令，启动共识运算。

共识开始时，主节点将生产块请求和数据块消息(b,h,ID_U,hash(b),sig(hash(b)))广播给投票节点。其中b是新区块，可对应一个交易T，h是区块b的序号，ID_U是节点标识，hash(b)是区块b的摘要，sig(hash(b))是摘要的签名。当投票节点voter收到广播消息后利用公私钥信息PK_U和SK_U进行验证，验证合法后将添加时间戳，并向全网广播消息(b,h,ID_U,hash(b),sig(hash(b))，timestamp)。主节点收到至少1+N_v/2(N_v为投票节点数量)投票节点的验证消息后，对该区块b达成共识，生产者producer生产交易区块b并将其发送给发起交易T的用户节点。

(3)社区间数据同步。当监测到社区间产生交易时，启动社区间的共识。共识流程如(2)所述，共识的范围为发生交易的两个或多个社区内的所有用户节点。形成共识结果后(即达成验证通过的区块)，由相应的交易发起方用户节点将(2)形成的社区内的交易共识结果及社区间的交易共识结果在全网内广播，进行全网数据同步。社区间的交易共识结果是对社区间交易验证达成共识的信息。

本发明提出的基于社区的共识机制在社区内维护了独立的共识，而全局共识仅在社区之间存在交易时才会发生。不必实时维护全局数据一致性，理论上可大大提高共识效率和网络的可扩展性。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。