CN110210917B - 一种基于多链组态的电子发票系统构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多链组态的电子发票系统构建方法。在中心化系统运算、存储及信息安全压力日益增大的背景下，利用区块链的多链技术，建立满足发票流转业态的分布式弱中心化电子发票系统。多链组态克服了中心化系统海量数据集中存管的大压力和高风险，也克服了基于单链技术系统运算速度慢的弊端，同时，采用分片验证技术及多链多共识策略，提高验证及共识达成速度和系统兼容性，适合大系统集成及大规模并行运算。本发明可提升电子发票系统的可靠性和安全性。

Description

一种基于多链组态的电子发票系统构建方法

技术领域

本发明涉及一种电子发票系统构建方法，尤其是涉及一种给予区块链技术的多链组态的电子发票系统构建方法。

背景技术

发票是指一切个人及单位在买卖商品、接受或提供服务、从事其它经营活动中，所开具或收取的业务凭证，是会计核算的原始依据，也是审计机关、税务机关执法检查的重要依据，其在我国社会经济活动中具有极其重要的意义和作用。随着信息技术的发展及信息时代的到来，使用便捷、成本低廉的电子发票逐步获得了推广应用，国家税务总局发布的《网络发票管理办法》中提到将在全国范围内极力推广电子发票的使用。

电子发票相比传统的纸质发票具有无纸化、易保存、低能耗、易查询等优点，这得益于数据信息技术的发展。然而，整个发票系统的组织架构及发票流转路径并未发生任何转变——商家开通电子发票服务平台后需通过网上办税服务厅申购发票号段，在开票系统输入发票抬头等信息，平台将发票信息加盖开票方电子签章后反馈给开票方，开票方可通过短息、网络链接等方式将发票信息发送给受票方，售票方即可登录服务平台查询、下载、打印已加盖电子签章的发票信息。全国的发票管理平台仍是高度中心化的系统，税务总局是整个系统的核心。对中心化系统而言，随着系统规模的扩大，其面临着日益明显的成本与安全保障问题，一是大规模数据集中存管成本巨大；二是一旦系统核心被攻破将导致整个系统平台的瘫痪；三是系统核心担负着验证系统内每一条信息真伪的责任，数据监管与验证任务繁重，难度极大。发票系统关系着国家税收及经济安全，假发票一方面会侵蚀国家税基、引发偷税、漏税甚至骗税等违法犯罪行为，另一方面会为财会造假、洗钱诈骗、贪污受贿、侵吞国家资产等经济犯罪提供便利条件，这就对发票系统的安全性提出了更高的要求。

相关从业人员也不断尝试通过采用数据分布式云存储、研发各类加密算法等手段来解决上述问题，但没从根本上改变电子发票系统高度中心化的组织模式。区块链技术的诞生使得组建分布式自组织系统成为可能，近年来也逐步有研究人员尝试利用区块链技术设计新的电子发票系统，但区块链技术发展初期以比特币系统为代表的广泛流行的单链系统存在着无法满足高并发、大规模集群应用的弊端，主要表现在随着账本规模的日益增长，网络节点变得笨重、臃肿，执行速度慢且极其消耗资源，交易规模和交易速度达不到商业应用高并发、高响应速度的需求，与有着大规模数据运算需求的电子发票系统的建设亦不相合。

幸运的是，跨链、多链甚至两者相结合技术的发展能够有效地提高交易速度、减少公链账本对系统资源的占用，这就使得构建一种企业级或系统级应用的分布式开放生态成为可能。目前多链组态下的跨链技术主要有公证人机制、哈希锁定、侧链中继三种。公证人机制以瑞波实验室提出的Interledger协议为代表，其可以使两个不同的记账系统通过第三方“验证器”互相进行交易；哈希锁定是一种通过时间锁定让接收方在某个约定的时刻前生成支付的密码学哈希值证明来完成交易的机制，能够支持跨链资产交换，但不支持跨链资产转移。侧链中继技术通常是指以锚定原链上的代币为基础的新型区块链，典型的有Polkadot、COSMOS等。然而，目前还缺少应用区块链多链组态技术构建电子发票系统的有益尝试。

发明内容

为解决上述问题，本文发明提出了一种基于多链组态的电子发票系统构建方法，打造运算速度快、可靠性高、安全性好的分布自治式电子发票流转新业态。

本发明的技术方案采用如下步骤：

(1)根据发票流转业态设计多链多共识的电子发票系统架构；

(2)采用货币锚定的链间资产转移方法实现电子发票的购赎交易；

(3)使利用分片验证技术提升多链电子发票系统的扩容性能和验证速度；

(4)根据子链特点设计符合子链业务的共识策略，最终达成多链多共识机制，实现多链电子发票系统的广泛兼容；

(5)采用非对称加密算法保证各链的信息安全。

优选地，步骤(1)中的根据发票流转业态设计多链共识的电子发票系统，具体方法如下：

发票是所有单位和个人在购赎商品、服务或从事其他经营活动中所收取或开具的业务凭证，是审计机关、税务机关执法检查的重要依据、也是会计核算的原始依据。由此可见，在发票的整个流转过程中涉及的角色和业态至少有税务机关、产品或服务经营商、消费者、企业会计，对应税务征收、发票销购、发票开具、发票收取、真伪查询、核算报账等。传统的电子发票系统为高度中心化系统，发票流转过程全部经由一个庞大的云系统或云平台，该平台由税务机关管理与掌控，产品或服务经营商、消费者、企业会计等均以访问者的姿态参与系统，进行发票申购、真伪查询、账目核算等工作。与传统电子发票系统不同，本发明依托区块链技术中的多链技术，按照发票流转业态设计了包括一条公链、多条子链的弱中心化电子发票系统。一个地方税务局或大型企业可分别维护一条子链，该子链能够完成一定范围内的发票票据流转过程，包括开具、收取、查询、报账、核算等功能，所有子链参与公链的维护及共识过程。公链掌控了整个管辖范围内所有发票票据信息，主要起监管作用，确保各子链内的发票真实有效。

优选地，所述的步骤(2)中采用货币锚定的链间资产转移方法实现电子发票的购赎交易，实现方法如下：

链1上将待转移的数字资产进行锁定，然后，在链2上有等价的数字资产被解锁，由此实现链1资产至链2资产的转移。利用该方法可以实现发票购赎——企业需要购买一定数量的发票，则企业子链上按照所购买发票的数量及价格锁定组额的货币，地方税务机关子链收到发票购买申请后，对应子链上解锁相同数量的货币，并赋予申购企业相应号段的电子发票。若企业发票过剩，可采用相同原理进行赎回操作。发票购赎交易信息记录在地方税务机关的子链上，由辖区范围内所有的企业参与共识。

当链2上有等量等价的数字货币被再次锁定时，链1上原来的资产就会被解锁，此即视为资产的赎回。事实上，数字资产自始至终都没有发生物理地址的变化，整个资产转移过程中联盟系统中流通资产总量未发生变化，没有产生新的资产，仅是原有资产的登记位置发生了变化。

进一步地，步骤(2)中采用货币锚定的链间资产转移方法实现电子发票的购赎交易，设计了如下的时间整定与配合机制来避免双重支付问题：

数字资产天然地存在可以无限复制的缺陷，必须克服同一资产容易出现的双重甚至多重支付问题才能保证数字资产系统的有效运转。单链场景下，每个区块都包含了上一个区块的哈希值，区块的产生保持良好的时序性并能达成系统共识，有效规避了双重支付问题。然而，多链场景下的链间资产等效转移方法中，必须协调好链间资产的冻结和解冻时序，防止链1和链2同时进行同一资产的交易结算而发生双重支付问题。

在本发明所应用的链间数字资产等效转移方案中设置了如下等待时间来确保链间正确的动作时序，规避双重支付问题：

a)确认时间：用于确保资产转移至旁链前已经在母链上锁定所需的时间，防止在将资产转移至旁链过程中母链上的资产没有有效锁定而产生交易。

b)竞争时间：限制新转移到旁链上的数字资产进行交易的时间。数字资产在链间的转移过程也是区块链数据的重组过程，设置这一时间的目的是在资产转移过程的最后阶段确定该数字资产确实为要转移的数字资产。

优选地，步骤(3)中利用分片验证技术提升多链电子发票系统的扩容性能和验证速度，在本发明中，各方在公链上参与电子发票真实性验证及共识达成过程中采取了分片验证技术。电子发票中包括了发票代码和发票号码，发票代码中包括了税务局代码、地区代码、年份代码、行业代码、发票种类代码、发票批次代码等信息。分片验证技术是指验证参与方不是对完整的信息进行验证，仅验证信息中的某个或某些字段。例如税务总局、地方性税务机构参与验证税务局代码、年份代码、发票种类代码、发票批次代码信息；企业参与验证地区代码、行业代码、发票种类代码等，两者仅验证字段中的部分信息，但允许验证项目有所重叠，汇总各方的验证结果后，公链就发票的真实性和合法性达成共识。分片验证技术可有效提高验证及共识达成速度，适合大规模并行运算。

优选地，步骤(4)中根据子链特点设计符合子链业务的共识策略，最终达成多链多共识机制，实现多链电子发票系统的广泛兼容，具体如下：

1)企业子链中的共识机制：假设在企业子链中对于本单位开具的发票进行真实性判断，承认发票合法的节点总数超过总节点半数以上，则系统达成共识，将发票入账；对于本单位收到的发票，则向公链提请发票真实性判断，若公链返回结果为真，则将对应发票入账；对于申购发票，当多数节点同意则认为达成共识，向地方性税务机关子链提请申购。

2)地方税务机构子链中的共识机制：辖区内的企业就发票申购数量达成共识，当辖区范围内超过半数的企业节点认可发票申购及分配方案，则地方税务机构子链内达成共识。

3)公链内的共识机制：税务总局、地方性税务机关、各企业子链对发票的真实性进行验证，采用分片验证的方法，当超过半数子链返回结果为真时，公链内共识达成，承认对应发票真实有效。

进一步地，步骤(5)采用非对称加密算法保证各链的信息安全，具体方法如下：

无论是公链还是私链，链内节点间的信息交流均采用非对称加密算法，发送方采用接收方的公钥对要发送的信息进行加密，将加密后的信息发送给接收方后，接收方接到密文后，用自己的私钥进行解密，解密后对接收到的消息进行判断，进入链内共识过程。一条链内的消息传递宜仅采用一种非对称加密算法，但是不同链中可以采用不同的加密算法，如RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC等。

附图说明

图1基于多链技术的分布式弱中心化电子发票系统构架示意图；

图2链间数字资产等效转移示意图；

图3资产转移时序配合示意图；

图4分段验证示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

在本实施例中，本发明提出的基于多链技术的分布式弱中心化电子发票系统构架示意图如图1所示。税务总局、地方税务局、企业各自维护管理一条子链，对企业而言，其维护管理的子链能够完成企业内部发票保障及审计功能，单位员工或审计人员仅需访问该子链即可实现业务流转；对税务机关而言，其维护管理的子链能够完成辖区范围内的税务征收与管理；同时，所有子链公共参与系统内唯一一条公链的信息管理与维护，公链的作用主要是协调与监管，确保发票的真实性和安全性。另外，地方税务机关的子链与辖区范围内的企业子链间能够进行交易和信息交互，完成发票购赎、报税、查税等业务。

可以看出，该系统是一个分布式弱中心化系统，发票流转业务均交由分布式子链处理，公链仅负责票据真实性监管与验证。虽然公链的存在使得该系统并没有实现完全的去中心化，但业务重心实现了分布式下移，较基于单链技术实现的电子发票系统能大幅提升系统效率、安全性及可扩展性。

基于货币锚定技术的链间资产转移方法如图2所示，链1上将待转移的数字资产进行锁定，然后，在链2上有等价的数字资产被解锁，由此实现链1资产至链2资产的转移。利用该方法可以实现发票购赎——企业需要购买一定数量的发票，则企业子链上按照所购买发票的数量及价格锁定组额的货币，地方税务机关子链收到发票购买申请后，对应子链上解锁相同数量的货币，并赋予申购企业相应号段的电子发票。若企业发票过剩，可采用相同原理进行赎回操作。发票购赎交易信息记录在地方税务机关的子链上，由辖区范围内所有的企业参与共识。

当链2上有等量等价的数字货币被再次锁定时，链1上原来的资产就会被解锁，此即视为资产的赎回。事实上，数字资产自始至终都没有发生物理地址的变化，整个资产转移过程中联盟系统中流通资产总量未发生变化，没有产生新的资产，仅是原有资产的登记位置发生了变化。图2(a)表示资产转移前在链1上是未锁定的，可用于流转、支付的；图2(b)表示资产转移开始，链1上一定数量的资产被锁定；图2(b)表示资产转移成功，链2上解锁与链1上锁定的数量相同(或价值等价)的资产；图2(d)表示链1进行了资产赎回，链2上解锁的资产被收回，链1上锁定的资产得以解锁。

如图3所示，在本发明所应用的链间数字资产等效转移方案中设置了如下等待时间来确保链间正确的动作时序，规避双重支付问题：

a)确认时间：用于确保资产转移至旁链前已经在母链上锁定所需的时间，防止在将资产转移至旁链过程中母链上的资产没有有效锁定而产生交易。

b)竞争时间：限制新转移到旁链上的数字资产进行交易的时间。数字资产在链间的转移过程也是区块链数据的重组过程，设置这一时间的目的是在资产转移过程的最后阶段确定该数字资产确实为要转移的数字资产。

在本发明中，各方在公链上参与电子发票真实性验证及共识达成过程中采取了分片验证技术。电子发票中包括了发票代码和发票号码，发票代码中包括了税务局代码、地区代码、年份代码、行业代码、发票种类代码、发票批次代码等信息，如图4所示。分片验证技术是指验证参与方不是对完整的信息进行验证，仅验证信息中的某个或某些字段。例如税务总局、地方性税务机构参与验证税务局代码、年份代码、发票种类代码、发票批次代码信息；企业参与验证地区代码、行业代码、发票种类代码等，两者仅验证字段中的部分信息，但允许验证项目有所重叠，汇总各方的验证结果后，公链就发票的真实性和合法性达成共识。分片验证技术可有效提高验证及共识达成速度，适合大规模并行运算。

根据子链特点设计符合子链业务的共识策略，最终达成多链多共识机制，实现多链电子发票系统的广泛兼容，共识策略设计如下：

企业子链中的共识机制：假设企业子链中总共有m个会计节点，对于本单位开具的发票进行真实性判断，承认发票合法的节点总数超过总节点半数以上(大于m/2)，则系统达成共识，将发票入账；对于本单位收到的发票，则向公链提请发票真实性判断，若公链返回结果为真，则将对应发票入账；对于申购发票，当多数节点(2m/3)同意则认为达成共识，向地方性税务机关子链提请申购。

地方税务机构子链中的共识机制：辖区内的企业就发票申购数量达成共识，当辖区范围内超过半数的企业节点认可发票申购及分配方案，则地方税务机构子链内达成共识。

公链内的共识机制：税务总局、地方性税务机关、各企业子链对发票的真实性进行验证，采用分片验证的方法，当超过半数子链返回结果为真时，公链内共识达成，承认对应发票真实有效。

无论是公链还是私链，链内节点间的信息交流均采用非对称加密算法，发送方采用接收方的公钥对要发送的信息进行加密，将加密后的信息发送给接收方后，接收方接到密文后，用自己的私钥进行解密，解密后对接收到的消息进行判断，进入链内共识过程。一条链内的消息传递宜仅采用一种非对称加密算法，但是不同链中可以采用不同的加密算法，如RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC等。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

采用一个包含15台PC机的局域网网络验证本发明的可行性和有效性，所采用的PC机型号为：戴尔(DELL)，3667-R1838/R2848商用台式电脑整机，i5-6400CPU，8G内存。其中，5台PC机扮演税务机关节点，包括1个税务总局节点和4个地方性税务机构节点，依次记为Z1、D1、D2、D3、D4；5台PC机扮演地方性税务局D1辖区内的五所企业，依次记为C1、C2、C3、C4、C5；另外5台PC机扮演企业C1中的会计节点，记为A1、A2、A3、A4、A5。会计节点A1至A5的会计节点参与企业C1子链的共识过程，辖区内的企业节点C1至C5参与受辖的地方性税务局子链的共识过程；企业节点、地方性税务机关、税务总局节点参与公链的共识过程。在企业C1、地方性税务局D1的子链及公链中分别采用了ECC、RSA、Elgamal非对称加密算法。分别按照表1表2进行发票申领实验和发票真实性鉴定实验。

表1发票申领实验内容及结果

表2发票真实性鉴定实验内容及结果

发票申领实验共进行了3组。在第1组中，企业子链C1就本企业的上月营业额及本月预期营业额达成共识并向地方性税务机关D1报账申领发票，地方性税务机关D1就企业子链报送内容达成共识，向公链报账并申购发票，公链就地方性税务机关D1报送内容达成一致，同意D1的申购请求，D1按企业申购需求将发票售给企业C1；在第二组中，地方性税务机关D1就企业子链报送内容未能达成共识，拒绝企业C1的请求，企业C1报账未通过，无法获得发票，需重新申报；第三组中，公链无法就地方性税务机关D1报送的内容达成一致，国税总局拒绝向地方性税务机关D1提供发票，企业C1也无法获得发票，地方性税务机关需重新向公链上报本本地区的营收情况和发票申购需求。

发票真实性鉴定实验总共进行了5组。第1组中，非地方性税务机构D1辖区假发票无法通过公链共识，被判定为假发票；第二组中，地方性税务机构D1辖区假发票无法通过地方性税务机构D1的子链共识，无需提交公链判定，判定结果为假发票；第三组中，D1辖区(非企业C1开具)真发票通过地方性税务机构D1的子链共识，无需提交公链判定，判定结果为真发票；第4组中，非D1辖区真发票通过公链共识，被判定为真发票；第5组中，企业会计节点A2开具的真发票，在企业子链中获得公司，被判定为真发票，无需提请地方性税务机关D1子链及公链进行验证。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于多链组态的电子发票系统构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）根据发票流转业态设计多链多共识的电子发票系统架构，此步骤包括：

1.1税务总局、地方税务局、企业各自组建相应的业务子链，并维护管理其所属子链，所述子链能够完成一定范围内的发票票据流转过程，包括开具、收取、查询、报账、核算功能；

1.2在系统内组建唯一公链，所述公链掌控了整个管辖范围内所有发票票据信息，所有子链公共参与所述公链的维护及共识过程；

（2）采用货币锚定的链间资产转移方法实现电子发票的购赎交易；

（3）利用分片验证技术提升多链电子发票系统的扩容性能和验证速度，具体包括：

各方在公链上参与电子发票真实性验证及共识达成过程中采取了分片验证技术，电子发票中包括了发票代码和发票号码，发票代码中包括了税务局代码、地区代码、年份代码、行业代码、发票种类代码、发票批次代码；分片验证技术是指验证参与方不是对完整的信息进行验证，仅验证信息中的某个或某些字段，税务总局、地方性税务机构参与验证税务局代码、年份代码、发票种类代码、发票批次代码信息；企业参与验证地区代码、行业代码、发票种类代码，两者仅验证字段中的部分信息，但允许验证项目有所重叠，汇总各方的验证结果后，公链就发票的真实性和合法性达成共识；

（4）根据子链特点设计符合子链业务的共识策略，最终达成多链多共识机制，实现多链电子发票系统的广泛兼容，具体包括：

4.1企业子链中的共识机制：在企业子链中对于本单位开具的发票进行真实性判断，承认发票合法的节点总数超过总节点半数以上，则系统达成共识，将发票入账；对于本单位收到的发票，则向公链提请发票真实性判断，若公链返回结果为真，则将对应发票入账；对于申购发票，当多数节点同意则认为达成共识，向地方性税务机关子链提请申购；

4.2地方税务机构子链中的共识机制：辖区内的企业就发票申购数量达成共识，当辖区范围内超过半数的企业节点认可发票申购及分配方案，则地方税务机构子链内达成共识；

4.3公链内的共识机制：税务总局、地方性税务机关、各企业子链对发票的真实性进行验证，采用分片验证的方法，当超过半数子链返回结果为真时，公链内共识达成，承认对应发票真实有效；

（5）采用非对称加密算法保证各链的信息安全，具体如下：

链内节点间的信息交流均采用非对称加密算法，发送方采用接收方的公钥对要发送的信息进行加密，将加密后的信息发送给接收方后，接收方接到密文后，用所属私钥进行解密，解密后对接收到的消息进行判断，进入链内共识过程，一条链内的消息传递采用一种非对称加密算法，不同链中采用不同的加密算法。

2.根据权利要求1所述的基于多链组态的电子发票系统构建方法，其特征在于，所述的步骤（2）方法如下：

2.1企业欲购买一定数量的发票，则企业子链1上按照所购买发票的数量及价格锁定足额的货币；

2.2地方税务机关子链收到发票购买申请后，对应子链2上解锁相同数量的货币，并赋予申购企业相应号段的电子发票；

2.3所述子链2上有等量等价的数字货币被再次锁定时，子链1上原来的资产就会被解锁，此即视为资产的赎回；

2.4发票购赎交易信息记录在地方税务机关的子链上，由辖区范围内所有的企业参与共识。

3.根据权利要求1或2所述的基于多链组态的电子发票系统构建方法，其特征在于，步骤（2）中的采用货币锚定的链间资产转移方法实现电子发票的购赎交易中设置了延时机制，包括确认时间和竞争时间在内的时序控制策略，所述确认时间用于确保资产转移至旁链前已经在母链上锁定所需的时间，防止在将资产转移至旁链过程中母链上的资产没有有效锁定而产生交易；所述竞争时间用于限制新转移到旁链上的数字资产进行交易的时间，在资产转移过程的最后阶段确定该数字资产确实为要转移的数字资产。

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