CN107239951A - 一种基于第三代区块链的可扩展央行数字货币交易方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法，其特征在于包括步骤：1)用户向交易区块链发起交易；2)获取账户区块链的账户信息，交易区块链向账户区块链发起授权请求，账户区块链核实交易后返回授权；3)交易区块链对交易进行投票建块来执行交易，并把交易的执行结果返回给账户区块链，账户区块链更新账户信息；4)所有参与整个流程的交易区块链和账户区块链把相关交易信息发送给央行，央行记录并核实整个信息以及该条交易。采用该方法，解决了央行数字货币系统对于吞吐量、安全性、低延迟等方面的需求，系统地可靠性和持续性显著增强，并增加了统计分析以及统一管理的功能，更加便捷高效。

Description

一种基于第三代区块链的可扩展央行数字货币交易方法

技术领域

本发明涉及一种区块链技术，特别是一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币(熊猫模型)的交易方法。

背景技术

目前的区块链技术已经历经第一代和第二代，发展到了第三代：

首先，比特币是第一代区块链，其账本中只记录了交易的历史信息，对于账户余额等账户信息则没有记录，而且在比特币中，每个账户只能使用一次，这就会导致系统在查询效率和便捷性方面有所不足，另一方面，比特币的一致性算法使用“工作量证明机制”(Proof of Work or PoW，俗称“挖矿”)，这导致维护比特币系统的资源消耗非常大，系统的处理速度较慢，延迟较大。

此后，随着区块链的发展，出现了以以太坊(Ethereum)为代表的第二代区块链。第二代区块链解决了比特币没有账户信息的缺点，在以太坊中，使用状态树来维护所有的账户信息。因此以太坊区块链既维护交易历史，又维护账户信息，是一个完整的账本。以太坊的另外一大优势是提供了区块链平台，开发人员可以使用以太坊来进行二次开发，基于以太坊来构建自己的应用。

目前的北航链属于第三代区块链。第三代区块链在全账本和链上代码的基础上，采用私有链(或者称为许可链，Permissioned Blockchain)的设计，相对于公有区块链来说，节点具有一定的可控性，整个系统具有更高的安全性，同时，第三代区块链是一个底层系统，在更好的支持二次开发的基础上，采用了很多工程化的方法，提高系统的可扩展性。

数字货币是指数字化货币，是一种法定加密数字货币，其本身是货币而不仅仅是支付工具。它有别于电子货币和虚拟货币，这两者与数字货币相比最根本的区别在于发行者的不同，电子货币是一种基于电子帐户实现的支付方式，虚拟货币是非法币的电子化，发行者不是央行，而且也只能在特定的虚拟环境中流通，而数字货币是可以被用于真实的商品和服务交易，但只有国家发行的数字货币才是法定数字货币，比特币是非法定数字货币。目前针对央行数字货币模型的研究比较少，之前数字货币模型诸如比特币、以太坊等大都属于“私人发行”的数字货币，这些数字货币在中国没有受到法律的承认和保护。RSCoin是第一个世界上的央行数字货币，但它是基于第一代区块链比特币而发展的，有很多与第一代区块链技术相关方面的不足，尤其是不能解决央行数字货币系统对于吞吐量、安全性、低延迟等方面的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币(熊猫模型)的交易方法，来解决央行数字货币系统对于吞吐量、安全性、低延迟等方面的需求。

本发明的一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法包括如下步骤：1)用户向交易区块链发起交易；2)获取账户区块链的账户信息，交易区块链向账户区块链发起授权请求，账户区块链核实交易后返回授权；3)交易区块链对交易进行投票建块来执行交易，并把交易的执行结果返回给账户区块链，账户区块链更新账户信息；4)所有参与整个流程的交易区块链和账户区块链把相关交易信息发送给央行，央行记录并核实整个信息以及该条交易。

优选的：所述步骤1)包括：1-1)用户用自己的数字签名对用户向交易区块链发起的交易进行签名，用A和B分别表示两个账户区块链，A->B，N表示A账户给B账户N货币，然后将该信息发送给交易区块链；1-2)交易区块链验证交易的合法性，如果合法则处理这个交易。

优选的，所述步骤1-2)中所述交易区块链通过数字签名的方式验证交易的合法性。

优选的，所述步骤2)包括：2-1)交易区块链根据交易双方的信息，向其所属的账户区块链的所有节点发送该交易；2-2)账户区块链收到交易后，首先验证交易是否合法，然后验证该交易账户是否属于自己管理；2-3)通过拜占庭算法在账户区块链节点之间形成共识；2-4)共识达成后，账户区块链锁定账户，并把账户信息上传给所有交易区块链的节点。

优选的，所述步骤3)包括：3-1)交易区块链收到交易双方的账户信息后，在节点之间运行一次拜占庭算法，保证所有节点的一致性；3-2)交易区块链每个节点执行交易，并对结果进行一次拜占庭投票，保证交易结果一致性；3-3)交易区块链将交易结果返回给相应的账户区块链，并将账户信息标记为过期；3-4)账户区块链节点收到交易结果后，对该结果进行一次拜占庭投票，保证交易结果的一致性。

优选的，所述一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法具有多个可扩展性，所述多个系统的可扩展性包括账户区块链的自身可扩展性，交易区块链的可扩展性以及系统的可扩展性。

优选的，所述账户区块链的自身可扩展性包括用于账户数量过多导致账户区块链不能及时维护这些账户的情况下，这种情况下，账户区块链对账户进行分割，账户区块链被分割为两个账户区块链，两个账户区块链都保存旧账户，同时两个账户区块链之间使用负载均衡的策略，共同维护账本。

优选的，所述交易区块链的可扩展性用于银行之间的交易量增多的情况下，这种情况下增加交易区块链的数量来解决交易区块链性能不足的问题。

优选的，所述系统的可扩展性针对整个系统，有新开设一家银行或者某些银行之间存在大量交易的情况下。在新开设一家银行的情况下，所述新开设的银行需要建立一个账户区块链和内部交易区块链，同时可以选择加入到已有的跨行交易区块链中；在某些银行之间存在大量的交易的情况下，设置一个专用交易区块链来处理交易。

采用本发明的基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法，具有如下优点：

1)地方交易地方处理，跨地域交易需要高速网络，这样方式下，地方交易的处理速度能够加快，而且延迟较小；跨地域交易则需要高速网络来降低网络延迟的影响。

2)该方法使用私有区块链和PBFT协议，而不是使用POW的挖矿机制，由此参与投票的节点都是被授权的节点，整个区块链的维护不需要庞大的算力来支持，减少电力等资源的消耗。

3)区块链上所有数据都是加密的，通过密码学手段来保护系统的安全：发起交易时需要验证客户的数字签名，同时，分布式账本技术既可以防范来自于外部的攻击，并能有效防止内部攻击，防止内部职员篡改数据。

4)商业银行可以保护自己客户的隐私，只有当需要交易的时候才上传客户的信息，并且只上传和交易有关的信息，交易结束后会把客户信息关闭。

5)央行会在账户区块链和交易区块链设立自己的节点来监控区块链运行，每生成一个区块，都会给央行发送信息，央行可以对比各种信息来监管运行。

6)使用拜占庭将军问题的算法使得出错节点不超过三分之一，不会影响系统的正常运行，这种机制大大增强了系统的可靠性和持续性。

7)交易处理过后，即时的给用户返回成功或者出错的信息，对于即时清算结算的功能，可以根据需求进行相关的设计，该模型能够支持即时或非即时两种清算模式。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

图1是根据本发明实施例的系统整体架构示意图；

图2是根据本发明实施例的交易流程示意图；

图3是根据本发明实施例的节点构成示意图；

图4是根据本发明实施例的账户区块链扩展性示意图；

图5是根据本发明实施例的系统扩展性示意图。

具体实施方式

本实施例的部署方案如下：假设系统中有两个商业银行A和B，那么存在如下账户区块链，交易区块链以及央行的定义。

账户区块链(ABC)：两个商业银行需要至少两个账户区块链，记为ABC-A和ABC-B；

交易区块链(TBC)：商业银行内部需要交易区块链，记为TBC-A和TBC-B，银行之间需要交易区块链，记为TBC-AB，因此共3个交易区块链；

央行(CB)：中央银行的区块链来记录所有交易的信息，记为CB。

为了保证拜占庭协议的运行，每个区块链至少包含4个节点，同时随着节点书的增加，每个区块链的安全性也在提高。

参见图1为根据本发明实施例的系统整体架构示意图，其中为了简化，仅涉及交易区块链TBC-A涉及的账户区块链，交易区块链以及央行之间的架构和信息流传输示意图，本领域技术人员可以熟知，TBC-B以及TBC-AB有与此类似的系统架构。

参见附图2，该基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法流程主要包括如下步骤：1)用户向交易区块链发起交易；2)获取账户区块链的账户信息，交易区块链向账户区块链发起授权请求，账户区块链核实交易后返回授权；3)交易区块链对交易进行投票建块来执行交易，并把交易的执行结果返回给账户区块链，账户区块链更新账户信息；4)所有参与整个流程的交易区块链和账户区块链把相关交易信息发送给央行，央行记录并核实整个信息以及该条交易。

其中，步骤1)具体的流程为：1-1)用户用自己的数字签名对用户向交易区块链发起的交易进行签名，用A和B分别表示两个账户区块链，A->B，N表示A账户给B账户N货币，然后将该信息发送给交易区块链；1-2)交易区块链验证交易的合法性，如果合法则处理这个交易，步骤1-2)中所述交易区块链通过数字签名的方式验证交易的合法性。

其中，步骤2)具体的流程为：2-1)交易区块链根据交易双方的信息，向其所属的账户区块链的所有节点发送该交易；2-2)账户区块链收到交易后，首先验证交易是否合法，然后验证该交易账户是否属于自己管理；2-3)通过拜占庭算法在账户区块链节点之间形成共识；2-4)共识达成后，账户区块链锁定账户，并把账户信息上传给所有交易区块链的节点。

其中，步骤3)具体的流程为：3-1)交易区块链收到交易双方的账户信息后，在节点之间运行一次拜占庭算法，保证所有节点的一致性；3-2)交易区块链每个节点执行交易，并对结果进行一次拜占庭投票，保证交易结果一致性；3-3)交易区块链将交易结果返回给相应的账户区块链，并将账户信息标记为过期；3-4)账户区块链节点收到交易结果后，对该结果进行一次拜占庭投票，保证交易结果的一致性。

对于本运行实例，假设交易为(A->B，N)，表示A账户给B账户N货币，参与方为A和B，A账户属于ABC-A管理，B账户属于ABC-B管理。那么，整个系统按照上述方法的流程具体实现为：

用户A生成交易(A->B,N)，用自己的私钥对这个信息进行签名，因为交易是跨行交易，因此用户A将交易和签名发送给TBC-AB中的所有节点。

TBC-AB每个节点收到交易后，对交易进行验证，主要包括验证数字签名是否正确、验证交易格式是否正确、验证该交易是否应该由自己处理等等。如果验证不通过，则返回出错信息。如果验证通过，则每个TBC节点都向账户的管理者ABC-A和ABC-B发送账户请求信息，并把这个交易本身也发送给ABC的各个节点。

ABC每个节点收到交易后也对交易和账户进行验证，下面以ABC-A为例，ABC-B与之类似。ABC-A每个节点独立验证A的签名、交易格式、自己是否管理A，同时对账户A进行更为具体的验证：例如账户A的余额是否足够、该账户是否正在与其他账户交易等等。

如果以上验证通过，则ABC-A内部的节点需要进行一次拜占庭协议，来保证上传给TBC-AB内容的一致性。共识达成后，ABC-A把这个账户A的信息发送给TBC-AB的节点，同时发送自己的数字签名，表示授权TBC-AB对A账户进行交易，此外，ABC所有节点都需要对账户A加锁，防止账户A被多个TBC更新，防止双花。

TBC-AB收到双方的账户后，开始执行交易，A的账户减掉N，B的账户加上N，此处会使用事务管理机制以保证交易执行的原子性。当每个节点对这个交易执行结束后，运行一次拜占庭协议，来保证交易执行的正确性和节点之间的一致性。如果拜占庭协议达成了一致性，则TBC-AB会把新的账户信息发送给ABC-A和ABC-B，同时标记账户A和B过时，不再使用。

ABC-A收到新的账户信息后，验证交易是否正确运行，如果正确运行则更新自己的账户信息，同时解锁账户。当账户信息更新完毕后，需要运行一次拜占庭协议，保证每个节点之间账户信息一致。

ABC和TBC将交易的执行结果返回给央行的区块链，央行区块链对这些信息进行记录和比对，防止出错或者违法行为的发生。

以上步骤结束后，TBC-AB将交易执行结果返回给用户A，用户收到这个结果就表示交易执行成功。

附图3表示上述算例运行过程中两家银行和央行分别控制的节点示意图。

参见附图4和附图5，该基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法具有多个可扩展性，包括账户区块链的自身可扩展性，交易区块链的可扩展性以及系统的可扩展性。

参见附图4，账户区块链的自身可扩展性用于账户数量过多导致账户区块链不能及时维护这些账户的情况下，这种情况下，账户区块链对账户进行分割，账户区块链被分割为两个账户区块链，两个账户区块链都保存旧账户，以保持历史账户的完整性，同时两个账户区块链之间使用负载均衡的策略，共同维护账本，来满足可扩展性的需求。

而交易区块链的可扩展性用于银行之间的交易量增多的情况下，这种情况下通过增加交易区块链的数量来解决交易区块链性能不足的问题，因为所有的交易区块链都是并行运行，因此，系统的处理速度随着交易区块链的增多而变快。

参见附图5系统的可扩展性针对整个系统，在新开设一家银行或者某些银行之间存在大量交易的情况下，在新开设一家银行的情况下，新开设的银行需要建立一个账户区块链和内部交易区块链，同时可以选择加入到已有的跨行交易区块链中，在某些银行之间存在大量的交易的情况下，为了提高整个系统的效率可以设置一个专用交易区块链来处理交易。

经过上述算例的实践发现，该基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法，解决了央行数字货币系统对于吞吐量、安全性、低延迟等方面的需求，系统的可靠性和持续性显著增强，并增加了统计分析以及统一管理的功能，更加便捷高效。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (9)

1.一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法，其特征在于包括步骤：1)用户向交易区块链发起交易；2)获取账户区块链的账户信息，交易区块链向账户区块链发起授权请求，账户区块链核实交易后返回授权；3)交易区块链对交易进行投票建块来执行交易，并把交易的执行结果返回给账户区块链，账户区块链更新账户信息；4)所有参与整个流程的交易区块链和账户区块链把相关交易信息发送给央行，央行记录并核实整个信息以及该条交易。

2.根据权利要求1所述的一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法，其特征在于：所述步骤1)包括：1-1)用户用自己的数字签名对用户向交易区块链发起的交易进行签名，用A和B分别表示两个账户区块链，A->B，N表示A账户给B账户N货币，然后将该信息发送给交易区块链；1-2)交易区块链验证交易的合法性，如果合法则处理这个交易。

3.根据权利要求2所述的一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法，其特征在于，所述步骤1-2)中所述交易区块链通过数字签名的方式验证交易的合法性。

4.根据权利要求1所述的一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法，其特征在于：所述步骤2)包括：2-1)交易区块链根据交易双方的信息，向其所属的账户区块链的所有节点发送该交易；2-2)账户区块链收到交易后，首先验证交易是否合法，然后验证该交易账户是否属于自己管理；2-3)通过拜占庭算法在账户区块链节点之间形成共识；2-4)共识达成后，账户区块链锁定账户，并把账户信息上传给所有交易区块链的节点。

5.根据权利要求1所述的一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法，其特征在于：所述步骤3)包括：3-1)交易区块链收到交易双方的账户信息后，在节点之间运行一次拜占庭算法，保证所有节点的一致性；3-2)交易区块链每个节点执行交易，并对结果进行一次拜占庭投票，保证交易结果一致性；3-3)交易区块链将交易结果返回给相应的账户区块链，并将账户信息标记为过期；3-4)账户区块链节点收到交易结果后，对该结果进行一次拜占庭投票，保证交易结果的一致性。

6.根据上述任意一个权利要求所述的一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法，其特征在于：所述一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法具有多个可扩展性，所述多个系统的可扩展性包括账户区块链的自身可扩展性，交易区块链的可扩展性以及系统的可扩展性。

7.根据权利要求6所述的一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法，其特征在于：所述账户区块链的自身可扩展性包括用于账户数量过多导致账户区块链不能及时维护这些账户的情况下，这种情况下，账户区块链对账户进行分割，账户区块链被分割为两个账户区块链，两个账户区块链都保存旧账户，同时两个账户区块链之间使用负载均衡的策略，共同维护账本。

8.根据权利要求6所述的一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法，其特征在于：所述交易区块链的可扩展性用于银行之间的交易量增多的情况下，这种情况下增加交易区块链的数量来解决交易区块链性能不足的问题。

9.根据权利要求6所述的一种基于第三代区块链进行的可扩展央行数字货币交易方法，其特征在于：所述系统的可扩展性针对整个系统，有新开设一家银行或者某些银行之间存在大量交易的情况。在新开设一家银行的情况下，所述新开设的银行需要建立一个账户区块链和内部交易区块链，同时可以选择加入到已有的跨行交易区块链中；在某些银行之间存在大量的交易的情况下，设置一个专用交易区块链来处理交易。