CN108734019A - 一种私有区块链的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种私有区块链的实现方法。本发明通过对公开技术的合理组合应用，实现私有区块链，其特征是：去掉区块链中复杂的获取共识的过程，使用密码学知识保证区块链不可伪造不可篡改的特性。本发明的有益效果是降低区块链技术门槛，方便研究者和使用者能很容易的实现自己的区块链，并在节省资源方面做出较大进步。本发明结构简单，所有用到的技术都是成熟公开容易获取的。

Description

一种私有区块链的实现方法

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，具体来说是一种私有区块链的实现方法。

背景技术

区块链是由节点参与的分布式数据库系统，它的特点是不可更改，不可伪造。

区块链是由一串使用密码学方法产生的数据块组成的，每一个区块都包含了上一个区块的哈希值，从创始区块开始连接到当前区块，形成块链。每一个区块都确保按照时间顺序在上一个区块之后产生，否则前一个区块的哈希值是未知的。

在链上的区块中，构成区块的除了交易数据，还有一个区块头，用于解释本区块数据，主要包括：本区块大小，区块内交易笔数，本区块哈希值，上一区块哈希值，生成区块的时间戳，默克尔树根。以及其他一些数据，比如难度系数证明，当然这在不同的区块链实现中可能不是必需的。而交易数据则是根据应用的不同，具有不同表现和形式。本区块哈希值是对区块头中除自己外的其他数据计算产生。

从区块链的定义中，有几个关键词：分布式数据库、不可篡改、不可伪造，下文将针对这个几个关键词，设计一种区块链的实现方法，本方法体现的是这几个关键词对应的特性，并不考虑其他衍生特性。

在区块链上产生区块的动作可以称作记账，记账权的争取是靠节点之间通过竞争的方式获得，比如比特币区块链中的工作量证明。其他区块链中使用的类似方法包括权益证明、投票等可以统称为获取共识。为了获得共识，从技术实现难度上对较多企业具有较高门槛，而在现实资源消耗上具有明显负面影响。

发明内容

本发明针对常见区块链的缺点，提出一种私有区块链的实现方法，其中去掉获取共识这个动作，通过固定或者临时指定记账节点来维持区块链的运作，并且使用密码学算法来确保私有区块链能实现其目标功能。

去掉获取共识这个动作，是基于如下论断：在一个交易活动中，共识是交易参与方必需达成的形态，非参与方是非必需的，并且是无需非参与方即可达成的。

当将多节点之间的共识转化为交易发生方之间的共识后，实现区块链的技术难点则转化为用户和区块链之间如何信任的问题。

为了解决这个问题，本发明采用如下的技术方案：

为了方便描述，假设区块链为一个系统，称呼为区块链系统，这个系统包含区块链和外围支撑装置，其中主要的支撑装置包括：区块生成装置，密钥管理装置。

区块链系统使用密钥管理装置生成自身的非对称密钥对，私密保存其中的私钥，公钥则提供下载方法共用户下载。

用户通过密钥管理装置申请非对称密钥对，用户私密保存其中的私钥，并将公钥发送给区块链系统保存。

用户上传个人公钥后，同时从区块链系统下载区块链系统公钥。

用户使用区块链的时候，首先组织本地数据，然后对数据计算哈希值，并使用私钥对哈希值签名，最后将本地数据和签名提交到区块链系统。在用户处理过程中，为了数据的保密性，可以对原始数据不限定方式加密；为了传输过程不被窃听，可以对传输过程中的数据用区块链系统公钥非对称加密。

区块链系统收到用户发送的数据后，使用保存的用户公钥验证数据和签名是否匹配，合法则将数据记录到本地数据库。然后对收到用户数据这个动作向用户做出响应，响应内容包含区块链系统对收到数据这个动作的签名。

区块链系统的签名使用区块链系统私钥。签名包括的范围至少包含：响应动作本身，用户提交数据的签名数据。根据应用需要响应的其他要素为非必需要素，并不影响区块链的运作机制。

用户收到区块链系统做出的响应后，使用保存的区块链公钥验证响应内容是否是区块链系统做出的。

在用户方，交易处理已经结束，已经提交数据，并且收到区块链系统接收数据的应答。

在区块链系统，区块生成装置轮询数据库，当收到若干条数据，或者是定时时限后，将从上次处理以来收到的数据从数据库提取出来，编号打包，组装区块。本过程根据应用需求，方式不限。但是至少应该：对包内的所有数据计算哈希值，并组织默克尔树；针对本区块，生成区块头，内容包括：本区块大小、本区块哈希值、生成区块的时间戳、上一区块哈希值、默克尔树根、其他不限。其中上一区块哈希值取自上一区块的“本区块哈希值”字段，本区块哈希值使用区块头中除开自己外的其他数据计算得来。

至此，本发明已经实现区块链的不可篡改不可伪造特性。

由于本发明实现简单，当需要的时候，可以部署于多个场景，并以其中之一为主链，非主链看作一个用户，并让用户和主链之间存在数据交互，形成数据分布式存储。根据应用不同，分布存储的数据可能是不同业务数据，也可能是相同数据存储多份，还可能是同一业务的不同模块数据，并且在此过程中，各个用户都有在本地编制区块链的记账权，并且不会相互影响，此时用户的身份转化为分布式数据库节点。用户和主链之间的数据交互，在把握用户身份的情况下，可以根据应用自定义。至此本发明实现了区块链的分布式数据库特性。

与普通区块链实现相比，本发明具有如下优势：首先是实现难度较低，所使用到的技术都是公开技术，比如哈希算法、非对称密钥算法、对称密钥算法等，本使用新型将这些常见算法通过适当的组合后用来实现区块链，降低区块链研究上的入门门槛。其次是使用私有区块链的方式来实现，去掉获取共识这个步骤，减少了对资源的消耗，这些资源包括但不限于：计算用硬件设备、存储设备、网络流量、电力资源，这一点对区块链技术的推广并应用具有积极意义。第三是本发明能实现区块链的所有特性的时候，其本身已经不限于私有区块链这个范畴，从本质上是从私有区块链出发，实现了所有种类区块链的特性，一条区块链可以在多种类型区块链之间自由转换，那么将此种区块链应用到更广阔的范围得以成为可能。第四是区块链通过私有区块链的方法建设，区块大小、区块生成速度完全可控，对业务经营者来说，采用区块链技术来提高应用的某些方面特性，将变得更容易落地。

附图说明

图1：示出了本发明实施例一的结构示意图。

图2：示出了本发明实施例二的机构示意图。

具体实施方法

本发明运用常见技术，对区块链的部分环节做出改进，为了使本发明的描述更加清晰，下面将结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例一，从纯区块链角度描述：

图1中CDEF是区块链的区块块，所有块以链的方式结合。长箭头表示链的前进方向。箭头方向的区块一定是在箭头尾部区块的后面生成。

图1中1234567是用户，离散的用户，在本发明中为区块链提供数据的都可以称为用户，包括个人用户、机构用户、另一条区块链等。

用户123的交易数据存放在C块，用户456的交易数据存放在D块。7类似。

用户123和C块，用户456和D块，用户7和E块之间，存在数据交换，包括用户和块之间进行数字签名交换。目的是用户产生数据提交到块，并且使双方保存的数据一致。数字签名确保用户和区块对自己的行为是不可抵赖的。

基于链式结构，假如用户123在C块的数据被区块链系统篡改，将会影响到D块，而用户456将会发现这种篡改带来的影响。因为现在C块的数据再次计算哈希值和D块保存的C的哈希值不同(链式结构，下一块保存上一块的块头哈希值)。

由于用户456和D块存在数据交换，当双方数据一致，他们能证明D块未篡改数据。

当D块未篡改数据，则表明是上一个节点块C的数据被篡改。

在C块中，如果用户13和C块中的数据能匹配，则表明是C块中2的数据被区块链系统篡改。

如果将用户2持有的数据回填到C块，能使对D块的影响消除。则篡改是可以被发现，可以被消除的。

如果D块未受到影响，但是用户2和C块的数据不一致。我们可以认为用户3伪造了数据。

以上方法实现了区块链数据的不可篡改和不可伪造。分别指的是区块链系统不可篡改用户数据，用户不可伪造提交到区块链的数据。

链式结构能保证数据的完整性，不可删除，不可新增，并且在时限之外也能保证数据的值得信任和方便使用。同时，链式结构能对不可篡改和不可伪造属性进行加强。

而当区块链系统运营机构在知道无法篡改数据的时候(因为会被发现篡改数据从而影响自己信誉，并且这种篡改一定会被发现)，会从理论上杜绝系统运营方篡改数据。

实施例二，从区块链系统角度描述：

图2中对本发明描述的区块链系统中各个部分的功能模块做了划分，划分的标准是最基本能实现区块链，并不附带其他应用。整个区块链系统包含：主链，客户端两个关键部分。数据节点则是在分布式情境下必需的部分，图中画出了两个数据节点，它们具有相同的基本功能，非基本功能在实际情况中可以不同。

在区块链系统的客户端，具有提交数据和查询数据的功能，这是本实施例的主要业务。本实施例并不是一个交易型系统，而更像是一个数据库系统，主要处理内容是数据的收集和分享，其业务也就是对数据的操作。用户管理、密钥生成功能，这是为数据处理提供安全方面的支持。

在数据节点上，其首要任务是存放业务数据，并提供对数据的操作，接受数据的提交和查询。接收到数据后，做区块化处理，也就是根据实施例一的结构组织数据。并且为了支持分布式查询，将数据的关键要素提取出来上传到主链或者是其他节点(也可以是直接数据，在图2中是数据同步这个功能模块)。在通信方面，作为数据节点，如果考虑多个中心，则必须支持节点间互通；如果不从中心方面考虑，则数据节点只需和主链交互，此是主链支持提供的功能。这是网状结构和星型结构的区别。在图中，所有的线都连接了，表示的是支持这么一个情况。

对主链，和数据中心隔离开来，至少从逻辑上，他应该是单独出来的，在实现上，主链可以自带数据节点。在主链上，具有本系统模型的所有管理功能，当下主要是用户管理，密钥管理。同时具有索引归集、分布式查询等功能。索引归集主要针对分布式数据库中的数据查询，检索数据存放的节点；而分布式查询则根据查询索引的结果将数据查询交易递交到交易节点。接口支持是区块链系统对外部系统提供数据提交和查询的可能。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容或者是技术原理加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本使用新型技术方案内容、技术原理的，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种私有区块链的实现方法，其特征在于：取消区块链中的获取共识的步骤，通过固定节点或者是就近节点的原则产生记账者。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过密码学知识确保区块链上数据的不可篡改不可伪造特性。

3.如权利要求1所述的方法，包括以下步骤：

区块链系统使用者申请用户，并使用区块链系统密钥装置生成该使用者在本系统的非对称密钥对，其中的公钥提交到区块链系统保存；

用户下载区块链系统公钥保存到本地，该步骤可以在任何时候以任意方式进行；

用户在向区块链系统提交数据的时候，必需使用申请的私钥进行签名；

区块链系统收到用户数据的时候，必需使用用户公钥对数据签名进行验证；

区块链系统对收到用户数据的动作进行签名响应；

用户对区块链系统的响应使用区块链系统公钥进行验证，双方签名验证确保本次活动是合法的，不可抵赖的；

区块链系统使用区块生成装置对数据组块并加入区块链。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：通过密码学知识确保区块链系统对数据的篡改可以被用户发现，并可以得到纠正，其具体方法是通过非关联用户对数据的检查，发现区块链系统中保存的数据存在篡改的情况，并通过链式结构和默克尔树查找到被篡改的数据。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：通过密码学知识确保对用户伪造数据的行为可以被区块链系统发现，其具体方法是用户将数据存放于区块链，然后使用伪造的关联数据进行活动，区块链系统可以使用双方的签名指证用户伪造数据。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：区块链本身可以作为一个用户向其他区块链提交数据，实现区块链之间的交互，其具体方法是指定的记账者采用区块链的方式保存数据，并将索引或者关键数据提交到主链，同理主链可以将接收到的其他区块链数据提交到某个区块链，实现交互。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：区块链系统中的节点在记账过程中，无需得到其他节点，在本地即可完成，不同节点之间的数据交互，可以理解为数据同步或者是数据备份过程。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：通过对多个区块链索引的归集，可以实现分布式区块链数据查询，其具体方法是区块链将自身数据的索引提交到主链，主链在接受数据查询的时候根据索引定位待查数据存放在哪个区块链上。

9.如权利要求4所述的方法，其方法为：非关联用户指对数据进行查询的任意用户，检查指区块链系统对查询动作涉及到的区块进行哈希计算，检查验证是否存在被篡改的可能，并在有篡改可能的情况下定位到被篡改数据。