【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及區塊鏈，特別是涉及一種用于區塊鏈數據驗證的merkle樹硬件加速系統。
技術介紹
1、merkle樹（merkle?tree）是一種樹狀數據結構，廣泛應用于區塊鏈系統中，用于高效驗證數據的完整性和一致性。通過將數據塊進行哈希運算并逐層構建哈希樹，merkle樹能夠快速確認數據是否發生篡改。因此，在區塊鏈中，merkle樹被用作保障數據安全性的重要工具。然而，隨著區塊鏈數據規模的不斷擴大和驗證需求的提升，merkle樹校驗的計算量也隨之增加，導致校驗過程耗時增長，成為影響merkle樹校驗性能的瓶頸。
2、目前，傳統的merkle樹校驗通常是通過軟件實現的，計算復雜度較高，耗時較長。隨著數據規模的增長，軟件校驗方案的處理速度已經無法滿足一些高并發場景的需求。同時，現有的一些加速方案主要依賴于通用硬件，如cpu或gpu，這些方案雖然能提高一定的處理速度，但其通用性較強，難以針對merkle樹結構特性進行深度優化，計算效率提升有限。現有的硬件加速方案缺乏對merkle樹結構的深入理解與優化，未能充分利用merkle樹的層次結構和哈希運算特性，計算效率難以進一步提升。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是提供一種用于區塊鏈數據驗證的merkle樹硬件加速系統，針對merkle樹結構特性設計硬件加速架構，提升區塊鏈數據驗證的計算效率，并通過硬件優化實現低功耗操作，適用于不同區塊鏈應用場景中的性能需求，提供高效且靈活的區塊鏈數據驗證方案。
2、為實現上述目
3、一種用于區塊鏈數據驗證的merkle樹硬件加速系統，包括：
4、控制模塊，用于對系統中的各模塊進行協調控制；
5、地址生成器，用于根據輸入的葉子節點的索引生成merkle樹中兄弟節點和父節點的地址；
6、存儲單元，用于存儲merkle樹的葉子節點、內部節點和根節點數據；
7、計算模塊，用于根據地址生成器提供的地址，對merkle樹節點進行數據拼接、哈希運算和數據比對，并生成中間結果和驗證結果；
8、緩沖區，用于臨時存儲從存儲單元讀取的節點數據及計算模塊輸出的中間結果；
9、其中，所述計算模塊包括拼接模塊、哈希模塊、節點比較模塊和狀態寄存器，所述拼接模塊用于對merkle樹的葉子節點和其兄弟節點進行數據拼接，所述哈希模塊用于對拼接后的數據進行哈希運算，所述節點比較模塊用于將運算結果與merkle樹的根節點進行比對，驗證數據的完整性，所述狀態寄存器用于記錄計算模塊的當前狀態，并生成計算狀態信號反饋給控制模塊。
10、進一步地，所述控制模塊包括仲裁單元、編碼單元、調度單元和取指單元，所述仲裁單元用于監測各計算模塊反饋的計算狀態信號，生成控制信號；所述編碼單元用于接收仲裁單元的控制信號，編碼取指單元和調度單元所要提取的指令，生成執行指令；所述取指單元用于從編碼單元中提取執行指令，并發出地址生成信號給地址生成器；所述調度單元用于從編碼單元中提取執行指令，發送數據選擇信號給數據選擇器，通過數據選擇器將不同的計算任務分配給各計算模塊。
11、進一步地，所述控制模塊的工作方法如下：
12、當控制模塊接收到計算狀態信號后，仲裁單元根據各計算模塊反饋的計算狀態信號，生成控制信號；編碼單元接收仲裁單元的控制信號，編碼取指單元和調度單元所要提取的指令，生成執行指令；取指單元從編碼單元中提取執行指令，并發出地址生成信號給地址生成器，提取merkle樹中的節點數據；所述調度單元從編碼單元中提取執行指令，發送數據選擇信號給數據選擇器，通過數據選擇器根據任務優先級將不同的計算任務分配給各計算模塊，實現計算任務的并行處理。
13、進一步地，所述地址生成器包含索引更新單元、兄弟節點索引計算單元、地址轉換單元和控制單元，所述索引更新單元用于運用迭代算法更新每一級的當前節點索引，并輸出當前處理的層級；所述兄弟節點索引計算單元用于根據當前節點索引得到兄弟節點索引，所述地址轉換單元用于接收兄弟節點索引和當前處理的層級，根據索引利用公式計算對應的節點地址，所述控制單元用于獲取當前處理的層級，并根據merkle樹的總層數，利用計數器控制迭代次數以結束索引更新單元的迭代算法循環。
14、進一步地，所述地址生成器的工作方法如下：
15、首先，索引更新單元接收輸入的葉子節點索引，并根據控制單元的指令，運用迭代算法更新當前需要計算的節點索引；
16、隨后，兄弟節點索引計算單元根據更新后的節點索引，通過異或運算生成兄弟節點索引，其中，判斷當前節點是否需要繼續進行索引更新或是否已達到根節點，如果m小于n，繼續向上遞歸，計算當前節點的父節點和兄弟節點索引；如果m等于n，表示已經達到根節點，停止遞歸操作，其中，m表示當前處理的層級，n表示merkle樹的總層數；
17、最后，地址轉換單元則根據兄弟節點索引計算單元生成的節點索引，將其轉換為節點地址，用于在存儲單元中讀取對應的節點數據。
18、進一步地，所述存儲單元中，葉子節點、內部節點和根節點數據按照樹狀層級結構依次存儲；所有葉子節點數據位于存儲單元的最上層，并從上到下依次存儲；內部節點逐層向下，依照哈希運算的運算結果進行存儲，根節點位于最下層。
19、進一步地，所述哈希模塊采用并行計算結構，以提高merkle樹校驗的效率；所述拼接模塊與哈希模塊之間通過緩沖區傳遞中間結果，避免數據處理瓶頸。
20、進一步地，所述中間結果包括拼接后的數據和哈希運算的運算結果。
21、進一步地，所述計算模塊的工作方法如下：
22、計算模塊根據地址生成器提供的地址，對區塊鏈數據對應的merkle樹的葉子節點和其兄弟節點進行數據拼接，通過哈希運算生成葉子節點的父節點的哈希值，通過逐層的哈希運算計算每一層的父節點的哈希值，直到最終生成merkle樹的根節點哈希值；這一過程中，節點比較模塊生成一條完整的“哈希路徑”，即從葉子節點到根節點的所有中間哈希值，一旦新的根節點哈希值生成，節點比較模塊將新的根節點哈希值與系統中保存的原始merkle樹根節點哈希值進行比對，如果兩者一致，判定區塊鏈數據沒有被篡改，驗證通過，數據的完整性得到確認；如果兩者不一致，則判定區塊鏈數據被篡改或不完整，驗證失敗。
23、進一步地，所述存儲單元包括存儲merkle樹的葉子節點、內部節點和根節點數據的存儲器，所述系統還包括存儲讀寫單元，存儲讀寫單元用于根據地址生成器提供的地址，對存儲器進行節點數據的讀寫操作。
24、根據本專利技術提供的具體實施例，本專利技術公開了以下技術效果：本專利技術提供的用于區塊鏈數據驗證的merkle樹硬件加速系統，能夠解決現有區塊鏈數據驗證平臺在merkle樹校驗過程中存在的功耗高、速度慢以及靈活性不足等問題；該系統基于硬件加速架構，專為merkle樹校驗設計，旨在提升區塊鏈數據驗證的效率，并通過硬件優化本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種用于區塊鏈數據驗證的Merkle樹硬件加速系統，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的用于區塊鏈數據驗證的Merkle樹硬件加速系統，其特征在于，所述控制模塊包括仲裁單元、編碼單元、調度單元和取指單元，所述仲裁單元用于監測各計算模塊反饋的計算狀態信號，生成控制信號；所述編碼單元用于接收仲裁單元的控制信號，編碼取指單元和調度單元所要提取的指令，生成執行指令；所述取指單元用于從編碼單元中提取執行指令，并發出地址生成信號給地址生成器；所述調度單元用于從編碼單元中提取執行指令，發送數據選擇信號給數據選擇器，通過數據選擇器將不同的計算任務分配給各計算模塊。
3.根據權利要求2所述的用于區塊鏈數據驗證的Merkle樹硬件加速系統，其特征在于，所述控制模塊的工作方法如下：
4.根據權利要求1所述的用于區塊鏈數據驗證的Merkle樹硬件加速系統，其特征在于，所述地址生成器包含索引更新單元、兄弟節點索引計算單元、地址轉換單元和控制單元，所述索引更新單元用于運用迭代算法更新每一級的當前節點索引，并輸出當前處理的層級；所述兄弟節點索引計算單元用于根據當
5.根據權利要求4所述的用于區塊鏈數據驗證的Merkle樹硬件加速系統，其特征在于，所述地址生成器的工作方法如下：
6.根據權利要求1所述的用于區塊鏈數據驗證的Merkle樹硬件加速系統，其特征在于，所述存儲單元中，葉子節點、內部節點和根節點數據按照樹狀層級結構依次存儲；所有葉子節點數據位于存儲單元的最上層，并從上到下依次存儲；內部節點逐層向下，依照哈希運算的運算結果進行存儲，根節點位于最下層。
7.根據權利要求1所述的用于區塊鏈數據驗證的Merkle樹硬件加速系統，其特征在于，所述哈希模塊采用并行計算結構；所述拼接模塊與哈希模塊之間通過緩沖區傳遞中間結果。
8.根據權利要求1所述的用于區塊鏈數據驗證的Merkle樹硬件加速系統，其特征在于，所述中間結果包括拼接后的數據和哈希運算的運算結果。
9.根據權利要求1所述的用于區塊鏈數據驗證的Merkle樹硬件加速系統，其特征在于，所述計算模塊的工作方法如下：
10.根據權利要求1所述的用于區塊鏈數據驗證的Merkle樹硬件加速系統，其特征在于，所述存儲單元包括存儲Merkle樹的葉子節點、內部節點和根節點數據的存儲器，所述系統還包括存儲讀寫單元，存儲讀寫單元用于根據地址生成器提供的地址，對存儲器進行節點數據的讀寫操作。
...【技術特征摘要】
1.一種用于區塊鏈數據驗證的merkle樹硬件加速系統，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的用于區塊鏈數據驗證的merkle樹硬件加速系統，其特征在于，所述控制模塊包括仲裁單元、編碼單元、調度單元和取指單元，所述仲裁單元用于監測各計算模塊反饋的計算狀態信號，生成控制信號；所述編碼單元用于接收仲裁單元的控制信號，編碼取指單元和調度單元所要提取的指令，生成執行指令；所述取指單元用于從編碼單元中提取執行指令，并發出地址生成信號給地址生成器；所述調度單元用于從編碼單元中提取執行指令，發送數據選擇信號給數據選擇器，通過數據選擇器將不同的計算任務分配給各計算模塊。
3.根據權利要求2所述的用于區塊鏈數據驗證的merkle樹硬件加速系統，其特征在于，所述控制模塊的工作方法如下：
4.根據權利要求1所述的用于區塊鏈數據驗證的merkle樹硬件加速系統，其特征在于，所述地址生成器包含索引更新單元、兄弟節點索引計算單元、地址轉換單元和控制單元，所述索引更新單元用于運用迭代算法更新每一級的當前節點索引，并輸出當前處理的層級；所述兄弟節點索引計算單元用于根據當前節點索引得到兄弟節點索引，所述地址轉換單元用于接收兄弟節點索引和當前處理的層級，根據索引利用公式計算對應的節點地址，所述控制單元用于獲取當前處理的層級，并根據merkle樹的總層數，利用計數器控制迭...
【專利技術屬性】
技術研發人員：徐秋言，梁剛，李想，王瑞澤，徐文濤，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：
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