基于区块链的高并发数据环境下可信预言机系统

本发明属于区块链，具体涉及基于区块链的高并发数据环境下可信预言机系统。

背景技术：

1、随着区块链在物联网等领域的广泛应用，并逐步扩展至能源交易与数据要素流通等新型应用场景，链上智能合约对外部可信数据的实时依赖日益增强。预言机系统（oracle）作为区块链与现实世界之间的桥梁，在链上智能合约执行中承担着数据采集、验证与上链的关键职能。它的主要任务是从多源外部环境中获取真实数据，并以可信方式传递给链上智能合约，以保证合约的自动化执行和结果的可靠性。

2、当前主流预言机系统大多采用链下聚合与链上验证的分层结构。在这一架构中，多个独立节点负责采集外部数据，并通过加权平均或投票机制计算聚合结果，再将结果提交至链上合约。然而，随着数据交互规模和频率的急剧增长，这种同步聚合模式暴露出显著瓶颈。一方面，链下节点在高并发任务下容易出现响应延迟、数据堆积和队列阻塞等问题，导致整体吞吐量不足；另一方面，链上合约在共识验证过程中受到区块大小和出块速率限制，无法实时同步海量外部数据。此外，现有预言机系统多缺乏动态任务调度与负载均衡机制，难以适应云原生环境中节点弹性扩缩容与数据突发的需求。

3、在数据可信性方面，传统预言机系统普遍依赖静态签名或投票机制确认数据来源，缺乏系统性的节点信誉评估模型与真值发现算法，难以有效识别和抑制恶意节点的错误数据提交行为。部分节点可能因网络延迟、系统过载或利益驱动而产生偏差数据，导致聚合结果偏离真实值，进而影响智能合约的执行正确性。同时，链上链下之间缺乏高效的异步协同机制，数据采集、聚合和存证流程常以串行方式进行，使得系统整体响应时间长、资源利用率低。

4、因此，设计一种能够实现链上聚合的鲁棒性与可解释性，显著提高系统在高并发数据环境下的实时一致性与全局可信状态更新能力的基于区块链的高并发数据环境下可信预言机系统，就显得十分重要。

技术实现思路

1、本发明是为了克服现有技术中，在云原生高并发数据环境中，现有预言机系统在实时性、可信性和吞吐量方面存在性能瓶颈的问题，提供了一种能够实现链上聚合的鲁棒性与可解释性，显著提高系统在高并发数据环境下的实时一致性与全局可信状态更新能力的基于区块链的高并发数据环境下可信预言机系统。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、基于区块链的高并发数据环境下可信预言机系统，包括：

4、资源节点模块，用于提供计算或存储资源，在状态变化时主动发布指标集，每个指标含时间戳、签名和状态哈希；

5、预言机节点模块，用于执行链下数据采集与快照生成，负责签名验证、位图差异检测和时序对齐；

6、实时拜占庭小成员会模块，用于通过分布式容器网络实现节点间的点对点通信与数据交换；

7、聚合合约模块，用于执行可信聚合、置信度计算、全局状态更新与异常剔除；

8、全局资源表模块，用于存储每个资源的最新可信聚合结果，为上层智能合约提供统一只读接口。

9、作为优选，所述预言机节点模块采用“双通道任务队列+动态令牌桶限速机制”模型，以在高并发环境下实现负载自适应；其中，所述双通道任务队列，具体包括：

10、快速通道，用于处理实时性强的请求；

11、缓冲通道，用于执行延迟容忍型批处理；

12、调度器根据系统时延与任务积压，计算快速通道和缓存通信的通道分配权重：

13、；

14、为动态调优系数；权重变化驱动任务在两队列间实时迁移，从而维持系统稳态吞吐。

15、作为优选，所述动态令牌桶限速机制，具体包括如下过程：

16、对于每个通道，均设定两个独立令牌桶，对应的放行速率分别为：

17、；

18、其中和分别为快速通道和缓存通道的发送速率，和分别为两个通道内的同一时间窗口，当前队列中待处理的请求数量，为平均处理一个请求的时间，当资源突发变化或网络延迟升高时，系统动态调整桶容量：

19、；

20、其中为调整后的桶容量，为调节系数，为当前负载波动率。

21、作为优选，所述实时拜占庭小成员会模块，包括成员会验证逻辑和新鲜度追踪机制；在实时拜占庭小成员会模块中，每个资源节点与个预言机节点绑定，形成拜占庭容错结构，满足，其中是恶意预言机节点的数量；

22、所述成员会验证逻辑包括如下过程：

23、每个成员节点对接收到的资源状态计算与平均值的偏差：

24、；

25、若，则判定对应的成员节点有效，其中为预设的正整数；否则剔除对应成员节点并触发重采集过程；

26、设定成员会聚合结果为：

27、；

28、所述新鲜度追踪机制包括如下过程：

29、资源节点生成位图标识变化字段；为资源变化率，由资源变化量除以资源总量得出，若变化率超过阈值或超过最大静默时间，则触发快照生成，具体公式如下：

30、。

31、其中，为预言机节点可检测的触发信号，为我们设定的资源变化率的阈值。

32、作为优选，所述聚合合约模块中的可信聚合，具体包括如下过程：

33、设定每个节点维护信誉值如下：

34、；

35、其中，为成功提交率，为稳定性，为惩罚系数，、和均为权重参数；

36、对信誉值实时归一化，公式表示如下：

37、；

38、在滑动时间窗口内，对来自各节点的快照进行加权聚合，为t时刻的聚合结果：

39、；

40、其中为节点上报的快照值。

41、作为优选，所述聚合合约模块中的置信度计算，具体包括如下过程：

42、设定聚合结果的置信度为：

43、；

44、其中为标准差，为预设的正整数，为所有节点数据的平均值；

45、当时，结果被视为可信，写入全局资源表；否则触发重新采集，其中为我们设定的最低置信度阈值。

46、作为优选，所述聚合合约模块中的全局状态更新，具体包括如下过程：

47、设定链上聚合在连续滑动时间窗口内执行，其中t为当前时刻；

48、窗口长度动态调整如下：

49、；

50、其中为当前数据更新频率，为窗口长度，为最大窗口长度；

51、状态更新采用哈希摘要方式存储，公式如下：

52、；

53、其中为状态更新的哈希值，为资源节点唯一标识，为时间戳，为聚合相关元信息（如信誉摘要），为哈希函数，进行哈希运算；

54、并记录版本号：

55、；

56、其中，为当前版本号，为上一次的版本号；

57、最终全局资源表存储结构如下：

58、；

59、每个聚合结果生成快照索引：

60、；

61、合约提供异步接口verifysnapshot(index)，用于节点重放或外部验证。

62、作为优选，所述聚合合约模块中的异常剔除，具体包括如下过程：

63、每轮聚合后，根据节点偏差更新信誉：

64、；

65、其中，为更新后的信誉，为学习率，用以调整信誉变化速度；

66、当时节点进入冷却期，不再分配任务；

67、系统每轮聚合后执行全局信誉归一化。

68、作为优选，还包括跨成员会一致性验证模块，具体包括如下过程：

69、当同一资源节点处于多个分区或集群时，不同成员会输出的局部结果需在链上执行二级一致性验证，具体公式如下：

70、；

71、其中，为全局成员会聚合结果；若不同成员会之间的差异超过跨成员会差异阈值，则重新触发跨成员会聚合。

72、本发明与现有技术相比，有益效果是：（1）提出链上聚合驱动的高并发可信预言机协同架构：本发明构建了一种以链上聚合为核心、链下实时采集为支撑的双层协同架构；系统通过资源节点、预言机节点与小成员会三层结构实现多源数据的并发采集与交叉验证；链上聚合合约统一执行快照验证与可信结果生成，形成从链下实时采集到链上全局状态更新的闭环机制；该架构能够在大规模动态资源环境下实现高并发处理与一致性更新，突破了传统预言机线性聚合和异步上链的性能瓶颈；（2）设计实时拜占庭小成员会与新鲜度追踪结合的可信采集机制：本发明在链下数据采集层引入实时拜占庭小成员会（rt-bft）结构，通过节点绑定与冗余采集实现容错验证，在任意单节点失效或作恶的情况下仍可获得可信结果；同时结合新鲜度追踪机制（freshbit），由资源节点生成状态位图并进行字段级变化检测，当指标超阈值或超时未更新时自动触发快照上报；该机制确保了数据采集的高可靠性与实时性，使链上聚合过程始终基于最新、最可信的数据输入；（3）提出基于滑动窗口聚合与置信度评估的链上可信更新方法：本发明在聚合合约层设计滑动时间窗口机制，动态收集多个预言机节点的快照并执行加权聚合，采用多数投票、加权中位数或异常剔除算法生成最终可信结果，并计算数据置信度分值；聚合结果通过全局资源表（grt）实时存储与索引，为上层智能合约提供统一可信查询接口；（4）本发明实现了链上聚合的鲁棒性与可解释性，显著提高了系统在高并发数据环境下的实时一致性与全局可信状态更新能力。