尚佳佳，霍 如，耿麗萍，汪 碩，3，黃 韜，3

（1.北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室，北京 100876；2.北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部，北京 100124；3.紫金山實驗室，南京 211111；4.中國人民解放軍61932 部隊，北京 100088）

0 概述

傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈技術(shù)大多在P2P（Peer-to-Peer）網(wǎng)絡(luò)中基于TCP 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［1］并通過應(yīng)用層多播實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而且不同終端節(jié)點對于同一個數(shù)據(jù)內(nèi)容的請求相互獨立，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中存在大量冗余流量以及較高的數(shù)據(jù)傳輸時延［2］。命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Named Data Networking，NDN）將IP 網(wǎng)絡(luò)沙漏模型的細腰部分更換為內(nèi)容名稱，基于內(nèi)容名稱進行數(shù)據(jù)傳輸，其關(guān)注點在于內(nèi)容本身，和區(qū)塊鏈的設(shè)計思想（即隱藏交易各方信息，公開透明交易內(nèi)容）相符合。區(qū)塊鏈技術(shù)已廣泛應(yīng)用于金融、智慧醫(yī)療、智能電網(wǎng)等場景：資金跨境支付結(jié)算［3］需要多個中間機構(gòu)合作構(gòu)建匯款通道以完成支付結(jié)算，其中涉及多個參與方，該過程需要保障支付結(jié)算的安全性和隱私性［4］；金融行業(yè)對交易實時性要求較高，需要實現(xiàn)較低的時延［5］；智慧城市關(guān)注居民、設(shè)施等各類數(shù)據(jù)的收集、分析和處理，要求保障數(shù)據(jù)安全和用戶隱私。在實際應(yīng)用中，需要針對不同場景差異化的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）需求來設(shè)計有針對性的解決方案。

本文提出一種基于NDN 的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)QoS 保障方法。為滿足實時性要求，將交易和區(qū)塊分為時延較敏感和時延較不敏感2 種類型，設(shè)計新的命名空間，為不同類型的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)創(chuàng)建各自的數(shù)據(jù)傳播結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，針對不同應(yīng)用場景對實時性和QoS 的不同要求，采用差異化路由機制對交易和區(qū)塊分別進行排隊轉(zhuǎn)發(fā)。

1 區(qū)塊鏈和命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

區(qū)塊鏈中的各節(jié)點具有分布式、對等的特性，因此，一般采用P2P 網(wǎng)絡(luò)來組織負責(zé)數(shù)據(jù)驗證和記賬的節(jié)點［6］。P2P 網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點地位均等，不存在任何中心化的節(jié)點或者特殊節(jié)點和結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點都可以進行交易驗證、交易傳播、區(qū)塊驗證、區(qū)塊傳播等。

區(qū)塊鏈節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中進行交易（區(qū)塊）的分發(fā)和接收，并且通過一系列的驗證機制［6］驗證交易（區(qū)塊）的有效性。區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易（區(qū)塊）傳播機制主要包括以下步驟：

1）區(qū)塊鏈節(jié)點將新生成的交易廣播給鄰居節(jié)點，鄰居節(jié)點收到后繼續(xù)廣播。

2）每個節(jié)點將在網(wǎng)絡(luò)中廣播的交易收集到區(qū)塊中，并且基于自身算力尋找一個難度與自身算力相匹配的工作量證明［7］，算力較弱的節(jié)點會相互合作建立礦池，匯聚算力以共同解決一個難題，在找到工作量證明之后即全網(wǎng)廣播該區(qū)塊。

3）網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點在收到區(qū)塊后對區(qū)塊中包含的交易進行驗證，當且僅當區(qū)塊中包含的所有交易都是有效的并且之前沒有存在過，才認為該區(qū)塊有效。

4）在驗證區(qū)塊有效之后，其他節(jié)點接受該區(qū)塊并在該區(qū)塊末尾產(chǎn)生新塊延長鏈。

NDN 基于數(shù)據(jù)內(nèi)容名稱進行路由轉(zhuǎn)發(fā)，每個數(shù)據(jù)分組對應(yīng)唯一的內(nèi)容名稱［3］。節(jié)點若要接收特定的內(nèi)容，需要主動向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送對該內(nèi)容的興趣請求，即“訂閱”該內(nèi)容，內(nèi)容擁有者或者緩存有該內(nèi)容的路由器節(jié)點接收到興趣請求后［8］，則將該內(nèi)容按照請求分組路由方向的反方向發(fā)送給請求者。

NDN 分組類型具體如下：

1）請求分組（興趣包）。請求分組為內(nèi)容請求者向內(nèi)容擁有者發(fā)送的用于請求特定內(nèi)容的分組［9］。請求分組模型包含內(nèi)容名、選擇器和隨機數(shù)。

2）數(shù)據(jù)分組（數(shù)據(jù)包）。數(shù)據(jù)分組為內(nèi)容源或內(nèi)容緩存者響應(yīng)內(nèi)容請求者的請求向請求者返回的內(nèi)容，數(shù)據(jù)傳輸路徑按照請求分組傳輸路徑的反方向進行［10］。數(shù)據(jù)分組模型包含內(nèi)容名、簽名、署名信息和數(shù)據(jù)內(nèi)容。

NDN 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具體如下：

1）內(nèi)容存儲（Content Store，CS）。CS 結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)內(nèi)容名稱和數(shù)據(jù)2 個條目構(gòu)成，其緩存節(jié)點收到的數(shù)據(jù)分組內(nèi)容［11］。網(wǎng)絡(luò)中存在大量關(guān)于相同數(shù)據(jù)內(nèi)容的請求，CS 的存在能讓后續(xù)請求相同內(nèi)容的節(jié)點得到快速及時的響應(yīng)。

2）待定興趣表（Pending Interest Table，PIT）。PIT記錄已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)出去但沒有收到響應(yīng)的請求分組的內(nèi)容名稱及其到來的路由器接口［12］，將經(jīng)過同一個路由器節(jié)點并請求相同內(nèi)容的請求分組匯聚在一個表項中，對同一內(nèi)容的請求，僅轉(zhuǎn)發(fā)一次對該內(nèi)容的請求分組，無需重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)。在數(shù)據(jù)分組回傳過程中，PIT 表中有該內(nèi)容名稱的路由器將該內(nèi)容緩存在CS 中［13］，后續(xù)其他節(jié)點請求該內(nèi)容時直接由擁有該內(nèi)容的鄰近路由器返回即可，無需再次向內(nèi)容生產(chǎn)者請求。

3）轉(zhuǎn)發(fā)信息庫（Forwarding Information Base，F(xiàn)IB）。FIB 包含名稱前綴和接口列表2 個條目，其和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的路由表類似，依靠路由協(xié)議生成［14］，記錄從當前路由器節(jié)點通往內(nèi)容生成者或內(nèi)容緩存節(jié)點的路徑上的下一跳接口。

然而，區(qū)塊鏈基于內(nèi)容擁有者主動推送的“推”模式與NDN 基于內(nèi)容請求者主動請求的“拉”模式互不兼容。文獻［7］在NDN 上啟動區(qū)塊鏈應(yīng)用程序，將交易包含在興趣包中支持交易的實時廣播，使用“訂閱-推送”來支持區(qū)塊的廣播，礦工執(zhí)行訂閱操作，區(qū)塊生成之后所有訂閱的礦工就會收到該區(qū)塊。文獻［8］通過“發(fā)布-訂閱”模式兼容區(qū)塊鏈，采用分層的命名空間實現(xiàn)流量隔離。文獻［9］引入分層命名機制并實現(xiàn)區(qū)塊的批量同步。以上方法解決了區(qū)塊鏈和NDN 的兼容問題，并針對數(shù)據(jù)同步等需求提出解決方案，但是沒有考慮到不同應(yīng)用場景差異化的QoS 需求。為滿足應(yīng)用場景的實時性要求，本文對傳統(tǒng)的命名空間進行改進，在NDN 中路由轉(zhuǎn)發(fā)時即可基于數(shù)據(jù)名稱中的實時性要求標識采用差異化的路由策略；通過為每種類型的數(shù)據(jù)創(chuàng)建專屬的數(shù)據(jù)傳播結(jié)構(gòu)來降低流量集中化程度，使得流量均勻地分布于網(wǎng)絡(luò)各處，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率；采用差異化的路由機制對區(qū)塊鏈各類型數(shù)據(jù)分別進行路由轉(zhuǎn)發(fā)，從而滿足不同應(yīng)用場景差異化的QoS 需求。

2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量保障方法

現(xiàn)有在NDN 上部署區(qū)塊鏈的方法僅利用NDN的一些特性對區(qū)塊鏈進行局部優(yōu)化（如重新設(shè)計命名空間），區(qū)塊鏈與NDN 的融合程度還有待提高。此外，差異化服務(wù)的思想在TCP/IP 體系下已經(jīng)非常成熟［15］，且表現(xiàn)出較好的性能。隨著NDN 技術(shù)的發(fā)展，當區(qū)塊鏈建立在NDN 上時，也應(yīng)具備更加精細的差異化服務(wù)，而這一方面目前較少有針對性的研究。因此，本文提出一種能夠提供差異化服務(wù)的解決方案，以完善區(qū)塊鏈業(yè)務(wù)。

針對不同應(yīng)用場景提供差異化的QoS 保障可以發(fā)揮以下作用：

1）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源分配。NDN 基礎(chǔ)設(shè)施通常帶寬有限［16］，為區(qū)塊鏈建立專用的NDN 網(wǎng)絡(luò)并不能在實際中得到應(yīng)用，因此，有必要為其在網(wǎng)絡(luò)層面提供差異化服務(wù)，從而緩解區(qū)塊鏈業(yè)務(wù)給NDN 設(shè)備帶來的處理壓力。

2）提高區(qū)塊鏈的性能。基于TCP 的區(qū)塊鏈難以提供對多播的內(nèi)置支持［17］，導(dǎo)致在同質(zhì)節(jié)點之間建立連接需要較長的同步時間，而且交易的驗證、分發(fā)等會導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)開銷，極大地限制了區(qū)塊鏈的性能，而差異化服務(wù)可以在一定程度上打破這種限制。

3）提高安全性和可拓展性。區(qū)塊鏈業(yè)務(wù)通常對實時性有不同的要求［18］，優(yōu)先保證部分時延較敏感的業(yè)務(wù)可以提升區(qū)塊鏈整體的安全性、穩(wěn)定性和可擴展性。

基于以上分析，本文提出一種基于NDN 的區(qū)塊鏈差異化QoS 保障機制，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在網(wǎng)絡(luò)層為不同類別的流量創(chuàng)建數(shù)據(jù)傳播結(jié)構(gòu)使得流量均勻地分布于網(wǎng)絡(luò)各處［11］，對支撐的業(yè)務(wù)進行更細粒度的劃分，主要從實時性要求角度將交易和區(qū)塊進行劃分，對這些交易和區(qū)塊采取排隊轉(zhuǎn)發(fā)的路由機制，以滿足不同應(yīng)用場景差異化的QoS 需求。

圖1 QoS 保障機制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of QoS assurance mechanism

3 差異化服務(wù)質(zhì)量保障方法設(shè)計與實現(xiàn)

本文差異化QoS 保障方法首先從實時性要求角度設(shè)計分層的命名空間；其次為不同類型的交易或者區(qū)塊創(chuàng)建數(shù)據(jù)傳播結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)中的流量盡可能分散在網(wǎng)絡(luò)各處；最后設(shè)計一種差異化的路由排隊機制以及兼容NDN 和區(qū)塊鏈不同模式的信息傳輸機制。

3.1 命名空間

NDN 中基于內(nèi)容名稱進行數(shù)據(jù)內(nèi)容路由，本文在區(qū)塊鏈交易和區(qū)塊的命名中添加“差異化服務(wù)”字段來區(qū)分類別。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中路由時基于各自的數(shù)據(jù)傳播結(jié)構(gòu)，在檢索時基于交易名稱或者區(qū)塊名稱，同時路由器根據(jù)數(shù)據(jù)名稱識別服務(wù)類型。因此，為滿足路由、檢索和服務(wù)類型識別這3 個需求，數(shù)據(jù)的名稱需要包括以下3 個部分：

1）類別標識符（Category Identifier，CID）。CID用來標識不同的數(shù)據(jù)傳播結(jié)構(gòu)，每種類型的交易或區(qū)塊在對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳播結(jié)構(gòu)上傳播，例如，Learning 類型的交易或區(qū)塊都可以在CID為Learning 的數(shù)據(jù)傳播結(jié)構(gòu)上分發(fā)。

2）服務(wù)標識符（Service Identifier，SID）。本文主要從服務(wù)的實時性要求角度（即時延敏感角度）對QoS 需求進行劃分，因此，SID 的取值有時延較敏感（Delay Sensitive，DS）和時延較不敏感（Delay Less Sensitive，DLS）2 種。路由器根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容名稱中的SID 字段區(qū)分識別數(shù)據(jù)內(nèi)容的實時性要求，然后進行差異化的路由處理。

3）檢索標識符（Retrieval Identifier，RID）?？紤]到在同一個數(shù)據(jù)傳播結(jié)構(gòu)上傳播的可能是交易也可能是區(qū)塊，因此，在命名中添加區(qū)分字段和分別用來標識交易和區(qū)塊，規(guī)定RID 為或者。

因此，本文數(shù)據(jù)內(nèi)容按照結(jié)構(gòu)命名，例如，表示Learning 類型對時延較敏感的交易math，并且所有Learning 類型的交易或者區(qū)塊在CID 為Learning 的數(shù)據(jù)傳播結(jié)構(gòu)上傳播。

3.2 DDPT 創(chuàng)建

大多數(shù)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)都是基于P2P 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層多播而實現(xiàn)的［19］，即節(jié)點之間直接在邏輯拓撲上建立連接，缺乏對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)物理拓撲的考慮，導(dǎo)致上層流量與底層物理網(wǎng)絡(luò)拓撲之間不匹配［12］。此外，傳統(tǒng)的路由方式過多地依賴于志愿節(jié)點或性能較好的若干個節(jié)點［20］，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中大量的流量集中在網(wǎng)絡(luò)中的少部分區(qū)域。為解決以上2 個問題，本文在網(wǎng)絡(luò)層創(chuàng)建分布式數(shù)據(jù)傳播樹（Distributed Data Propagation Tree，DDPT），使流量均勻分散在網(wǎng)絡(luò)中各處，降低對性能較好的若干個節(jié)點或者志愿節(jié)點的依賴程度，即降低中心化程度。DDPT 的創(chuàng)建流程如圖2 所示。

圖2 DDPT 的創(chuàng)建流程Fig.2 The creation procedure of DDPT

DDPT 創(chuàng)建具體步驟如下：

1）選擇根節(jié)點。假設(shè)高性能區(qū)塊鏈節(jié)點（High Performance Blockchain Node，HPBN）在網(wǎng)絡(luò)中近似均勻分布，在由所有HPBN 構(gòu)成的候選子集中，選擇與已有根節(jié)點（Root Node，RN）歐式距離最遠的HPBN 作為本次構(gòu)建的DDPT 的RN。

2）發(fā)送根節(jié)點ID。在選出RN 之后，由發(fā)起本次DDPT 構(gòu)建的區(qū)塊鏈節(jié)點（Blockchain Node，BN）向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點發(fā)送RN 的ID。

3）請求加入DDPT。網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點在收到RN 的ID 之后，向RN 發(fā) 起加入DDPT 的請求，RN 在收到節(jié)點的請求之后向節(jié)點返回確認消息，DDPT創(chuàng)建成功。

3.3 差異化路由機制

本文從實時性要求角度對交易進行分類，將其分為時延較敏感和時延較不敏感2 種類型。區(qū)塊鏈節(jié)點自行決定收集哪種類型的交易，對不同類型的交易進行處理可以獲得不同的獎勵［21］。節(jié)點收集時延較敏感交易形成時延較敏感區(qū)塊，收集時延較不敏感交易形成時延較不敏感區(qū)塊。NDN 路由器識別交易和區(qū)塊的名稱，根據(jù)名稱中的字段識別服務(wù)類型。

差異化路由策略需要從2 個角度進行分組的區(qū)分判別：一是路由器節(jié)點區(qū)分收到的分組是區(qū)塊鏈分組還是常規(guī)NDN 分組；二是區(qū)分區(qū)塊鏈類型分組的實時性要求。如圖1 所示，交易或區(qū)塊由生成者生成命名之后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，路由器節(jié)點收到交易或區(qū)塊后，內(nèi)容分發(fā)器根據(jù)內(nèi)容名稱中SID 字段標識的實時性要求，將到達的區(qū)塊分為兩隊，一隊為時延較敏感交易/區(qū)塊，另一隊為時延較不敏感交易/區(qū)塊，在隊內(nèi)按照到達的先后次序排隊，NDN 常規(guī)的請求分組和數(shù)據(jù)分組不參與排隊。在轉(zhuǎn)發(fā)時根據(jù)不同應(yīng)用場景對實時性的不同需求設(shè)定不同的轉(zhuǎn)發(fā)隊列入隊比例，NDN 常規(guī)的請求分組和數(shù)據(jù)分組正常進入轉(zhuǎn)發(fā)隊列排隊等待轉(zhuǎn)發(fā)［3］。在每個路由器處都執(zhí)行差異化業(yè)務(wù)排隊機制，以滿足各類業(yè)務(wù)不同的QoS 需求。基于NDN 的區(qū)塊鏈差異化路由建立算法描述如算法1 所示。

算法1基于NDN 的區(qū)塊鏈差異化路由建立算法

3.4 信息傳輸機制

為兼容NDN 與區(qū)塊鏈不同的通信模式，本文在NDN 基礎(chǔ)上增加訂閱推送表（Subscribe Forward Table，SFT），實時記錄“推送”類型服務(wù)，即與區(qū)塊鏈相關(guān)的分組信息。SFT 包含的信息條目包括內(nèi)容名稱、數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)端口號、數(shù)據(jù)內(nèi)容序列號。為了適配區(qū)塊鏈基于內(nèi)容生成者主動向網(wǎng)絡(luò)中“推送”數(shù)據(jù)內(nèi)容的模式，NDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中內(nèi)容生成者主動向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送一個對于自己所產(chǎn)生內(nèi)容的興趣請求。SFT 在“推送”類型請求分組分發(fā)的過程中將數(shù)據(jù)內(nèi)容名和回傳的數(shù)據(jù)分組經(jīng)過的端口號記錄在SFT 表相應(yīng)的條目中。信息傳輸流程如圖3 所示。

圖3 信息傳輸流程Fig.3 Information transmission procedure

信息傳輸具體步驟如下：

1）建立初始路由。所有區(qū)塊鏈節(jié)點定期向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送表達節(jié)點活躍狀態(tài)的請求分組，路由器節(jié)點在收到該分組后，如果節(jié)點表達自身為“活躍”狀態(tài)，則在FIB 表中添加相關(guān)信息；如果節(jié)點表達自身為“退出”狀態(tài)，則在FIB 表中刪除相關(guān)信息。路由器向其他路由器節(jié)點繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該請求分組，以完成初始路由的建立和狀態(tài)更新。

2）建立SFT 表項。數(shù)據(jù)內(nèi)容生成者主動向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送對自身所產(chǎn)生數(shù)據(jù)內(nèi)容的請求分組，路由器節(jié)點在收到該請求分組后，首先判斷CS 中是否有相關(guān)內(nèi)容，有則直接返回，沒有則判定請求分組類型：若判定是區(qū)塊鏈類型的“推送”請求分組，在SFT 中查詢是否有該內(nèi)容的名稱，若沒有則在表項中添加全部信息，若有則更新SFT 表中與該內(nèi)容相關(guān)的接口和內(nèi)容序列號信息；若判定是NDN 類型的請求分組，則交由PIT 表進行后續(xù)處理。

3）數(shù)據(jù)分組回傳。路由器節(jié)點在收到數(shù)據(jù)分組后，首先判斷數(shù)據(jù)分組類型，如果判定是區(qū)塊鏈“推送”類型數(shù)據(jù)分組［22］，則交由SFT 表，若數(shù)據(jù)分組的內(nèi)容序列號大于等于SFT 中對應(yīng)條目記錄的內(nèi)容序列號，則在內(nèi)容序列號條目中添加新的序列號，按照SFT 中記錄的端口號轉(zhuǎn)發(fā)，并且將內(nèi)容緩存在CS中，若數(shù)據(jù)分組的內(nèi)容序列號小于SFT 中對應(yīng)條目的序列號，則交由PIT 表進一步處理；若判定是NDN常規(guī)數(shù)據(jù)分組，則交由PIT 表進行進一步處理。

基于NDN 的區(qū)塊鏈分組通信算法描述如算法2所示。

算法2基于NDN 的區(qū)塊鏈分組通信算法

4 仿真與分析

本文實驗選擇基于TCP 的區(qū)塊鏈［5］和基于NDN批量同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)區(qū)塊的BlockNDN［9］，在仿真中將本文方法記為“BlockQoS”，實驗網(wǎng)絡(luò)由7 個區(qū)塊鏈節(jié)點和3 個路由器構(gòu)成，其中包含2 個邊緣節(jié)點。各項網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 實驗參數(shù)設(shè)置Table 1 Experimental parameters setting

不同的區(qū)塊鏈應(yīng)用場景對時延敏感程度不同，針對性地設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)隊列入隊比例能夠更好地滿足不同應(yīng)用場景的QoS 需求。本文設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中時延較敏感數(shù)據(jù)（包括交易和區(qū)塊）和時延較不敏感數(shù)據(jù)（包括交易和區(qū)塊）的數(shù)量比例為3∶1，設(shè)置不同的入隊比例a∶b，a代表時延較敏感類數(shù)據(jù)的入隊量，b代表時延較不敏感類數(shù)據(jù)的入隊量，以驗證排隊策略的性能。設(shè)置a∶b為1∶1 表示不采用排隊機制，設(shè)置a∶b為3∶1 驗證排隊策略對性能的提升作用。在一定時間Δt（6×103s）內(nèi)，記錄在2 種不同的入隊比例下DDPT 上任意區(qū)塊鏈節(jié)點產(chǎn)生的所有交易和區(qū)塊被所有其他區(qū)塊鏈節(jié)點獲取到所花費的時間。實驗共進行100 次，結(jié)果取平均值。

圖4 所示為2 種不同的入隊比例下，在特定時間段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點產(chǎn)生的交易或者區(qū)塊被其他節(jié)點同步所耗費的時間。從圖4 可以看出：隨著區(qū)塊數(shù)量的增加，不采用排隊策略（即對網(wǎng)絡(luò)中所有交易和區(qū)塊進行統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)）所消耗的時間明顯高于采用排隊策略所消耗的時間；采用和網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)類型同樣比例進行排隊轉(zhuǎn)發(fā)的方法，其性能表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，并且隨著實驗的進行，區(qū)塊數(shù)目越多，優(yōu)勢越明顯。

圖4 排隊策略對時延的影響Fig.4 Influence of queuing strategy on delay

設(shè)置一個區(qū)塊的生成時間為10～15 min 內(nèi)的隨機值，圖5 所示為在形成區(qū)塊鏈過程中不同網(wǎng)絡(luò)中的流量占比。從圖5 可以看出：傳統(tǒng)基于TCP/IP 的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在大量冗余數(shù)據(jù)包，不同節(jié)點對同一個數(shù)據(jù)內(nèi)容的請求是獨立的，即網(wǎng)絡(luò)中存在大量對于同一個數(shù)據(jù)內(nèi)容的重復(fù)請求；BlockNDN 利用了NDN 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)緩存的特性，采用批量同步的方式使得網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以快速同步交易和區(qū)塊，但網(wǎng)絡(luò)中的流量沒有被均勻分散到網(wǎng)絡(luò)各處，導(dǎo)致一些交易或者區(qū)塊在傳輸過程中因為網(wǎng)絡(luò)擁塞而發(fā)生丟包或者過期現(xiàn)象，數(shù)據(jù)的重傳帶來了額外的流量；本文利用NDN支持多播，并且為不同的數(shù)據(jù)類型創(chuàng)建DDPT，使流量盡可能地均勻分布，提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率，相比基于TCP 的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，本文方法的網(wǎng)內(nèi)流量約降低24%。

圖5 形成區(qū)塊鏈過程中不同網(wǎng)絡(luò)中的流量占比Fig.5 Proportion of traffic in different networks during the formation of blockchain

圖6 所示為3 種不同網(wǎng)絡(luò)中所有區(qū)塊鏈節(jié)點生成的區(qū)塊全網(wǎng)同步所消耗的時間情況。為驗證本文排隊策略的性能優(yōu)勢，本次實驗仍設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中時延較敏感數(shù)據(jù)（包括交易和區(qū)塊）和時延較不敏感數(shù)據(jù)（包括交易和區(qū)塊）的數(shù)量比例為3∶1，轉(zhuǎn)發(fā)入隊比例也為3∶1。從圖6 可以看出：當區(qū)塊數(shù)量較少時，網(wǎng)絡(luò)資源較為充足，鏈路擁塞可能性較小，在3 種網(wǎng)絡(luò)中同步區(qū)塊消耗的時間較為接近，DDPT 和比例入隊的性能優(yōu)勢沒有完全體現(xiàn)出來；隨著網(wǎng)絡(luò)中區(qū)塊數(shù)量的增多，3 種網(wǎng)絡(luò)所消耗的時間出現(xiàn)了較為明顯的差異，并且網(wǎng)絡(luò)中區(qū)塊數(shù)量越多，本文排隊策略的優(yōu)勢越明顯。

圖6 3 種網(wǎng)絡(luò)中全網(wǎng)同步所有區(qū)塊所消耗的時間情況Fig.6 Time consumed by the whole network to synchronize all blocks in the three networks

5 結(jié)束語

本文提出一種基于NDN 的區(qū)塊鏈差異化QoS保障方法，利用在TCP/IP 體系下較為成熟的差異化服務(wù)的思想，結(jié)合NDN 基于數(shù)據(jù)名稱路由和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)緩存的優(yōu)勢，為區(qū)塊鏈應(yīng)用場景提供更加有針對性的差異化QoS 保障。實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性。下一步將從帶寬、吞吐量、并發(fā)性等方面優(yōu)化區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層的性能，從而為不同的應(yīng)用場景提供更加精細和多樣的服務(wù)。