CN107612973A - 用于智能移动端的区块链结构、生成方法及交易验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于智能移动端的区块链结构、生成方法及交易验证方法，首先创世区块生成者生成创世区块，并通过给定规则向P2P网络传播创世区块或Hash值，使得整个网络中一半以上节点持有创世区块，另一半持有该区块的Hash值；节点在此基础之上进行共识运算，并在达成新的共识；通过不断地进行循环共识，最终得到部分节点存储部分区块链区块的区块链结构。本发明具有占用存储空间小，兼容所有共识机制的特点。

Description

用于智能移动端的区块链结构、生成方法及交易验证方法

技术领域

本发明属于计算机应用与网络空间安全技术领域，特别涉及一种用于智能移动端的区块链结构、生成方法及交易验证方法。

背景技术

近年来，移动互联网飞速发展，智能手机开始进入人们的生活，日常生活中几乎所有的部分，都已经和手机的使用密切相关。据统计，我国现在手机网民总数已经超过整个互联网使用人数的85％，十个人中，有八个人都在使用手机，感受科技带给我们的便利生活。

与此同时，区块链作为一种新兴的技术，也开始进入人们的视野。区块链以其不可篡改，去中心化，易于追溯等诸多优势，被人们誉为下一代的革命技术。从1.0的比特币技术，到区块链2.0的金融领域保障技术，再到现在正在改变着世界的区块链3.0，其发展前景势不可挡。

以比特币举例，完整的区块链机制具有如下要素：

共识机制：在区块链中，共识机制本质上说的是一些相互之间不信任的对等个体之间，如何通过计算一个既定的难题，得到公开可验证的难题的解。这里参与方一定是互相不信任的，因为只有当系统在互不信任的个体之间仍然能够安全共识，才能将系统的整体风险最小化，也更接近于现实生活。另外，对等在这里的含义指的是，各个参与者拥有认识是相同的。在区块链中，每个节点看到的区块链视图是一致的，或者说难题的题干是一致的，这样才能在此基础之上，进行新的求解运算。在区块链的共识机制中，要求有利益驱动，因为只有在某件事有利可图的时候，互不信任的对等实体才会无监督的去做这件事。各个节点在获取新的难题的解的时候，能得到资金奖励，这样每个节点都愿意耗费自己的算力(每个节点的算力并不是对等的)，获取新共识的解。新的解为这一次共识算法的输入，当有新的共识的解产生的时候，所有的节点为了保证利益的最大化，就要在新的解上迭代计算，从而抛弃原来的求解参数。在比特币区块链中，这个解决新共识的解的过程，叫做“挖矿”。常见的共识机制有POS，POW等等。

交易：比特币区块链中，会涉及到交易的生成和验证。交易的生成本质上是用户用自己的私钥对一笔资金的去向做出承诺，生成数字签名。由于密码学中的数字签名本身是不可篡改和不可伪造的，所以除了该用户本身的任何人，都不能代替用户做出相应的承诺。用私钥做出的承诺，可以用对应的公钥来验证。由于公钥是每个人手里都有一份的，所以所有的人都可以对用户做的承诺进行验证，以确认该资金的真实去向。比特币系统通过用签名来表示对比特币使用权限的授予，形成输入输出严格对应的交易池。在区块链中，交易是可以被公开验证的，一方面其上面有交易双方的签名，可以保证其不可篡改。另外一方面，由于每一笔交易的父交易都会记录在区块链上。父交易即这笔交易的上一笔交易，举例来说A有两块钱，这两块钱是B给的，B的两块钱是C给的，那么C给B两块钱，叫做B给A两块钱的父交易。

但是十分不幸的是，目前的区块链并不适用于智能移动端，这极大地限制了区块链的进一步发展。区块链不能适用于智能移动端的原因是：区块链本身的体积膨胀地非常迅速，以比特币区块链为例，现在整个区块链的大小已经超过80GB，并且还在持续增长，如此之大的数据，对于存储空间本身就十分有限的智能移动端来说，无疑是天方夜谭。因此，迫切需要一种可以在智能移动端上使用的区块链结构。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于智能移动端的区块链结构、生成方法及交易验证方法，使区块链能够适用于智能移动端，拓展区块链的应用范围。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种适用于智能移动端的区块链结构，每个智能终端上都有一部分的区块链节点，节点与节点之间，能够相互连接，最后还原出完整的区块链。

一种生成上述区块链结构的方法，包括：

步骤一，初始化阶段：假设P2P网络中存在着n个对等的网络节点，首先，对全网进行初始化，每个节点相互通信，实现对整个网络中节点数量有一个共同的视图；该步骤过后，每个节点都知道全网共有n个节点；

步骤二，创世区块生成：创世区块生成者生成创世区块，随机选择一个节点对其发送创世区块；

步骤三，最初共识：节点收到创世区块，借助节点与节点组播、广播，最终使得全网一半以上的节点持有创世区块，另一部分的节点持有创世区块的Hash值；

步骤四，二次共识：所有节点都可以在创世区块的基础上进行新的共识算法，解决共识难题的解；当新的难题被解决的时候，向全网广播自己的难题的解，即新的共识区块；如果T时间没有任何响应，则重发该难题的解；与最初共识方法相同，最终使得一半以上的节点持有新共识区块，另外一部分节点持有新共识区块的Hash值，达成全网二次共识；

步骤五，循环共识：重复步骤四，达成循环共识；最终，整个区块链网络中，每个节点上只有部分区块，但是存在有整个区块链的Hash值；节点与节点之间，能够相互连接，最后还原出完整的区块链。

优选的，步骤三具体包括：

第1轮，第一个收到创世区块的节点，向网络中发布数字1与对应时间戳，随机选择两个节点进行创世区块的广播，同时将创世区块的Hash值向所连接的其余节点广播；

第2轮，当有节点收到创世区块时，会向网络中发布数字2，在与其连接的节点中随机选择四个节点进行广播，并向剩余节点广播创世区块的Hash值；

……

第k轮，当有节点收到创世区块时，会向网络中发布数字k，在与其连接的节点中随机选择2^k个节点进行广播，并向剩余节点广播创世区块的Hash值；所有的节点，在收到区块Hash值的时候，保存该Hash值；

当k/n>50％，则停止广播，此时部分人持有创世区块，另外部分人持有创世区块的Hash值，初次达成全网共识。

优选的，步骤二中有两种情况，需要重新生成并发送创世区块：

情况1，如果超过一定时间未响应，创世区块生成者，重新生成创世区块并发送。

情况2，如果响应者超过一个，则重新生成创世区块，重新进行发送。

一种基于上述区块链结构的交易验证方法：

当有新的交易产生的时候，区块链要验证交易的有效性；节点首先会查询自己是否包含交易的父交易信息，如果不包含，会向全网广播该交易，询问哪一个节点包含该交易的父交易，一旦网络中有响应，节点会向包含父交易的节点提出下载请求，下载完成后，节点会校验其Hash值是否与本地备份的Hash值相等，如果相等，则继续对父交易的上一笔父交易进行验证，校验过程与上述过程相同；直至追溯到最先开始产生矿块的那笔交易，验证完成。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明采取了部分节点存储部分区块的方式，降低整个区块链的存储开销，在对区块链安全性几乎没有损耗的前提下，大大地减少了存储空间的占比，使得区块链可以适用于存储空间较小的电子设备上，特别是移动终端上。

2.本发明不破坏原区块链的共识机制，原区块链应用的共识方法可以平滑过渡到该共识机制上。

附图说明

图1是实施例提供的一种可以在智能移动端上使用的区块链共识流程图。

图2是实施例提供的一种可以在智能移动端上使用的区块链结构存储构成图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

一种适用于智能移动端的区块链结构，包括：

步骤一，初始化阶段。假设P2P网络中存在着n个对等的网络节点，首先，对全网进行初始化，每个节点相互通信，实现对整个网络中节点数量有一个共同的视图。该步骤过后，每个节点都知道，全网共有n个节点。

步骤二，创世区块生成。创世区块生成者生成创世区块，随机选择一个节点对其发送创世区块。以下两种情况，需要重新生成并发送创世区块：

情况1，如果超过一定时间未响应，创世区块生成者重新生成创世区块并发送。

情况2，或者响应者超过一个，则重新生成创世区块，重新进行发送。

此处的响应时间是一个平均时间，本质上是指该区块链节点向外发送创世区块开始，到该创世区块(或者创世区块Hash)重新传回到发送者手中，所历经的时间。由于Hash值每次都要经过绝大多数节点重新广播(下面会进一步看到)，加上Hash值本身体积非常小，在网络中传播非常有优势，所以此处的时延，可以忽略不计。

步骤三，最初共识。第1轮，第一个收到创世区块的节点，会向网络中所有节点发布数字1+对应时间戳，然后只选择两个节点进行创世区块的广播；同时，将创世区块的Hash值，向所连接的其余节点广播。

第2轮，接收到创世区块的节点(有两个节点先后接收到，两个节点都继续后续的操作)，会向网络中发布数字2(由于1体积很小，在网络中很快可以全部收到，所以如果一旦有节点接受到创世区块则他肯定已经接受到1，自己就会在全网的累加器上加1)，同时会在除自己之外的所有节点中随机选择四个节点进行广播，并向剩余的节点广播创世区块的Hash值。

……

第k轮，接收到创世区块的节点，会向网络中发布数字k，同时会向除自己之外的所有节点中选择2^k个节点进行广播，并向剩余节点广播创世区块的Hash值。所有的节点，在收到区块Hash值的时候，保存该Hash值。由于在整个过程中，创世区块的Hash值一直被全网所共识，所以不会有人篡改该区块(或者篡改了能被直接识别)。当k/n>50％，则停止广播，此时至少一半的人持有创世区块，另外一半人持有创世区块的Hash值，初次达成全网共识。由于整个过程在P2P网络中进行，并且大多数情况下，传播的是Hash值，所以传播的时延可以忽略不计。

步骤四，二次共识。此时，所有的人都可以在创世区块的基础上进行新的共识算法，解决共识难题的解。因为此时，所有的人都有创世区块的Hash值或者创世区块本身。这时候，如果一旦有人解决共识难题，则该用户会按照找最初共识中的步骤，向全网广播自己的难题的解(即新的区块)。如果T时间没有任何响应，则重发该难题的解。

这里需要分析一下节点在收到一个新的区块的时候，是否会私藏该区块。因为此时，先收到区块的节点具有私藏该区块不往外广播的动机，因为这样对于该节点来说，是有利可图的：

动机一：如果私藏了该区块，别人都不知道，那么他就可以在以前的基础上进一步进行挖矿，假设每次挖矿成本为M，前期投入为N，不诚实的节点如果不接受该新的矿块，在原基础上挖，则其只要再花费M-N的成本，相反，如果该节点接受了该块，则其就相当于要重新投入M的成本进行新的挖矿过程了。

动机二：如果私藏了该区块，别人都不知道，那么他就比别人早知道下一个区块共识的Hash值，从而在第二个Hash值的基础上，先进行挖矿。等到挖掘出来再同时公布，类似于自私挖矿。

而节点不会私藏区块的原因是，整个Hash值同步到全网的时间是非常迅速的，假设其需要T时间收到响应，在这段时间内，节点重新挖矿投入的成本为m。如果原发布区块的节点在T时间内仍然没有收到响应，那么其会选择另一个节点重发该区块，此时，这个新的节点就会在新的Hash值上进行挖矿，新节点会迅速在全网广播Hash值，假设此时第一次收到矿块的节点，收到了新节点传来的Hash值(证明新节点已经在原Hash上开始挖矿了)，不诚实节点不但要承担之前N的开销，还要承担后期在原节点上挖矿的开销m，最后还要进行M成本的投入，最终投入为N+m+M，而新节点的投入为N+n+M，由于时间上，新节点在原难题上消耗的挖矿时间小于原节点的挖矿时间，所以一定有n<m。在这种情况下，不诚实节点没有任何优势可言。另外，还有一种情况，如果前期收到矿块的每个节点都不诚实，都不发布到网络中，而是进行自私挖矿。那么网络中的其他节点有可能算出同样满足题设的解，就势必会导致区块链的分叉。这样所有前期的努力都有可能付诸东流。

综上所述，每个参与的节点，只有保证其是诚实的节点，利益才能最大化。

于是按照最初共识同样的方法，达成二次共识。第1轮，第一个新共识区块的节点(第一个解出共识难题的解的节点)，会向网络中发布数字1，与对应时间戳，随机选择两个节点进行新共识区块的广播，同时，将新共识区块的Hash值，向所连接的其余节点广播。第2轮，会向网络中发布数字2，当有节点收到新共识区块时，会向其余的节点中，选择四个节点进行广播，并向所连接的其余节点广播新共识区块的Hash值。……第k轮，会向网络中发布数字k，当有节点收到新共识区块时，会向其余的节点中，选择2^k个节点进行广播，并向链接的剩余节点广播新共识区块的Hash值。所有的节点，在收到区块Hash值的时候，保存该Hash值。由于在整个过程中，新共识区块的Hash值一直被全网所共识，所以不会有人篡改该区块(或者篡改了能被直接识别)。当k/n>50％，则停止广播，

此时至少一半的人持有新共识区块，另外一半人持有新共识区块的Hash值，达成全网二次共识。

步骤五，循环共识。每个参与的节点，只有保证其是诚实的节点，利益才能最大化。于是按照最初共识同样的方法，达成循环共识，整个共识过程如图1。最终，整个区块链网络中，每个节点上只有部分区块，但是存在有整个区块链的Hash值。相当于每个节点都不需要存储完整的区块链，但是多个节点多备份，极大地优化了存储空间，同时保证了安全性。具体结构如图2，为区块链结构存储构成图的截取视图。

步骤六，交易验证。当有新的交易产生的时候，区块链要验证交易的有效性。节点收到该交易信息，首先会查询自己是否包含交易的父交易信息，如果不包含，会向全网广播该交易，询问哪一个节点包含该交易的父交易，一旦网络中有响应，节点会向包含父交易的节点提出下载请求，下载完成后，节点会校验其Hash值是否与本地备份的Hash值相等，如果相等，则继续对父交易的上一笔父交易进行验证，校验过程与上述过程相同。直至追溯到最先开始产生矿块的那笔交易。验证完成。

由于在校验的过程中，每次Hash值都是经过共识得来的，都经过过全网确认，所以在整个校验过程中，一旦有人篡改交易信息，校验方第一时间就能检测到篡改。在整个验证交易的过程中，校验发起方会不断向全网广播，索要自己缺失的那一部分区块，整个过程就像一个拼拼图的过程；另外，每个节点上都有一部分的区块链节点，节点与节点之间，能够相互连接，最后还原出完整的区块链，基于上述两个原因，可以将这种区块链叫做拼图链。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.用于智能移动端的区块链结构，其特征在于，每个智能终端上都有一部分的区块链节点，节点与节点之间能够相互连接，最后还原出完整的区块链。

2.生成权利要求1所述的区块链结构的方法，其特征在于，包括：

步骤一，初始化阶段：假设P2P网络中存在着n个对等的网络节点，首先，对全网进行初始化，每个节点相互通信，实现对整个网络中节点数量有一个共同的视图；该步骤过后，每个节点都知道全网共有n个节点；

步骤二，创世区块生成：创世区块生成者生成创世区块，随机选择一个节点对其发送创世区块；

步骤三，最初共识：节点收到创世区块，借助节点与节点组播、广播，最终使得全网一半以上的节点持有创世区块，另一部分的节点持有创世区块的Hash值；

步骤四，二次共识：所有节点都可以在创世区块的基础上进行新的共识算法，解决共识难题的解；当新的难题被解决的时候，向全网广播自己的难题的解，即新的共识区块；如果T时间没有任何响应，则重发该难题的解；与最初共识方法相同，最终使得一半以上的节点持有新共识区块，另外一部分节点持有新共识区块的Hash值，达成全网二次共识；

步骤五，循环共识：重复步骤四，达成循环共识；最终，整个区块链网络中，每个节点上只有部分区块，但是存在有整个区块链的Hash值；节点与节点之间，能够相互连接，最后还原出完整的区块链。

3.根据权利要求2所述的的方法，其特征在于，步骤三具体包括：

第1轮，第一个收到创世区块的节点，向网络中发布数字1与对应时间戳，随机选择两个节点进行创世区块的广播，同时将创世区块的Hash值向所连接的其余节点广播；

第2轮，当有节点收到创世区块时，会向网络中发布数字2，在与其连接的节点中随机选择四个节点进行广播，并向剩余节点广播创世区块的Hash值；

……

第k轮，当有节点收到创世区块时，会向网络中发布数字k，在与其连接的节点中随机选择2^k个节点进行广播，并向剩余节点广播创世区块的Hash值；所有的节点，在收到区块Hash值的时候，保存该Hash值；

当k/n>50％，则停止广播，此时部分人持有创世区块，另外部分人持有创世区块的Hash值，初次达成全网共识。

4.根据权利要求2所述的的方法，其特征在于，步骤二中有两种情况，需要重新生成并发送创世区块：

情况1，如果超过一定时间未响应，创世区块生成者，重新生成创世区块并发送；

情况2，如果响应者超过一个，则重新生成创世区块，重新进行发送。

5.基于权利要求1所述的区块链结构的交易验证方法，其特征在于，包括步骤：

当有新的交易产生的时候，区块链要验证交易的有效性；节点首先会查询自己是否包含交易的父交易信息；如果不包含，会向全网广播该交易，询问哪一个节点包含该交易的父交易，一旦网络中有响应，节点会向包含父交易的节点提出下载请求；下载完成后，节点会校验其Hash值是否与本地备份的Hash值相等，如果相等，则继续对父交易的上一笔父交易进行验证，校验过程与上述过程相同；直至追溯到最先开始产生矿块的那笔交易，验证完成。