CN111311221A - 区块链支付通道网络的支付管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种区块链支付通道网络的支付管理方法，该方法包括以下步骤：支付请求发起步骤，支付发起方向支付通道网络中的寻路单元发起支付请求；支付路径生成步骤，寻路单元在接收到支付请求后，执行反向寻路算法从而获取得到匹配的支付路径；支付路径返回步骤，寻路单元得出支付路径后，将该支付路径返回给支付发起方；支付网络更新步骤，寻路单元定期更新保存在本地的整个支付网络拓扑以及各通道的余额，通过将支付接收方设为起始节点，将支付发起方设为目的节点，从起始节点到目的节点进行改进的Dijkstra算法，并将各种收费模式设为路径上的权重，使得最终得到的支付路径的收费更合理，并且支付时间更短。

Description

区块链支付通道网络的支付管理方法

技术领域

本发明属于区块链支付通道技术领域，具体地涉及一种支持多种收费模式、收费更合理且支付时间更短的区块链支付通道网络的支付管理方法。

背景技术

在过去的十年中，基于区块链的加密货币蓬勃发展，其峰值资本超过8000亿美元，如比特币、Ripple和以太坊。然而，基于区块链的加密货币无法扩展到广泛的应用。为了保证全局状态的唯一性和同步性，区块链将所有交易广播给所有参与者，并要求每个参与者了解每一个单独的交易，这样造成了较高的开销和本地存储需求。现在每个比特币用户每年都需要大约20GB的额外存储空间。此外，为了在区块链中附加一个区块以确认区块中的交易，必须执行工作证明计算。因此，网络可以处理的最大事务速率是有限的，例如，比特币每秒钟最多只能处理7个事务，这远不能满足人们的需求。

为了克服这一扩展性问题，支付通道网络(PCN)被提了出来，它在不需要昂贵和缓慢的区块链交易的情况下实现即时和廉价的支付，只需要将注册通道的初始和最终余额发布到区块链上即可。这种PCN的例子有比特币的闪电网络和以太坊的雷电网络。在PCNs中，发送者可以通过多跳的支付通道向接收者发送支付。路由中的用户通过自己的渠道转移支付费用，预计将大大低于区块链交易费用。因此，PCNs中的路由选择至关重要，因为它直接决定了支付的成功与否，这是PCNs的最终目的。

现有，很少有关于PCN路由的工作中，有的只关注隐私，有的忽略一些重要的现实限制，比如交易费用。PCN虽然类似于传统的计算机自组织网络，然而，由于PCN具重要的特性，使得PCN的路由更加复杂。这个特性是，每一次支付需要经过一些中间节点，中间节点将根据收费和其他因素对支付发起方进行收费。由于网络的不同，收费方式各不相同，使得在支付通道网络上的路由方式变得复杂，传统的计算机网络路由算法无法应用于PCN，并且至今没有一种通用的收费方式和路由算法能够满足所有通道网络。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种支持多种收费模式、收费更合理且支付时间更短的区块链支付通道网络的支付管理方法。

本发明提供了一种区块链支付通道网络的支付管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

支付请求发起步骤：支付发起方向支付通道网络中的寻路单元发起支付请求；

支付路径生成步骤：所述寻路单元在接收到所述支付请求后，执行反向寻路算法从而获取得到匹配的支付路径；

支付路径返回步骤：所述寻路单元得出所述支付路径后，将该支付路径返回给所述支付发起方；

支付网络更新步骤：所述寻路单元定期更新保存在本地的整个支付网络拓扑以及各通道的余额。

在本发明提供的区块链支付通道网络的支付管理方法中，还可以具有这样的特征，在所述支付请求发起步骤之前，还包括支付通道网络构建步骤，

支付通道网络表示为图G＝(V,E)，其中，顶点集V表示节点，边集E表示支付通道。

在本发明提供的区块链支付通道网络的支付管理方法中，还可以具有这样的特征，在所述支付通道网络构建步骤与所述支付请求发起步骤之间，还包括支付模型构建步骤，

付款请求表示为R(v_s,v_r,α)，其中，v_s和v_r分别是所述支付发起方和所述支付接收方，α是要转移的支付金额。

在本发明提供的区块链支付通道网络的支付管理方法中，还可以具有这样的特征，其中，所述支付路径生成步骤包括：

初始化阶段：所述寻路单元将保存在本地的每个通道的两端余额进行交换，并将所述支付接收方设置为起始节点、所述支付发送方设置为目的节点，

迭代阶段：首先将支付网络中的每一个节点到所述起始节点的距离设置为dis数组并初始化dis[]＝∞，将每一个节点到所述目的节点的跳数设置为hop[]＝0，节点的前一个节点preNode设置为-1，设置集合vis用于保存已经找到最短路径的节点，并将所述起始节点加入vis集合；接下来进行迭代，从未被加入vis的点集合中找出到vis距离最短的节点v，并根检查和节点v相邻的其他节点，如果通过v到达这些节点的距离更短，则将这个和v相邻的节点的距离更新更短距离，并将和v的相邻节点的hop值加1，preNode设置为v，

路径产生阶段：执行迭代，每次遍历preNode数组，按顺序将目的节点和前节点v₁、v₁的前节点v₂、…直到起始节点加入到path中；检查path是否满足容量要求，如果满足则输出path作为所述支付路径，如果不满足则将该path的第二个节点作为新的起始节点，重复执行所述迭代阶段。

在本发明提供的区块链支付通道网络的支付管理方法中，还可以具有这样的特征，其中，在所述迭代阶段中，每次迭代都会计算距离，该距离的计算根据支付通道网络的收费方式来确定，包括：比例费用、时间价值费用以及不平衡收费，

对于路径P(v_s,v_r)＝(v₀,…,v_nt1)，所述比例费用表示为：PF＝αnk₁，所述时间价值费用表示为：TVF＝α(n(n+1)/2)k₂，所述不平衡收费表示为：

其中，α是中间节点每单位时间锁住的货币数，k₁是比例费用的比例参数，k₂是时间价值费用的收费参数，IP是一个任意选择的函数。

在本发明提供的区块链支付通道网络的支付管理方法中，还可以具有这样的特征，其中，在所述支付网络更新步骤中，所述寻路单元将在每段时间更新其保存在本地的网络拓扑，对于每一对v_i,v_j∈V，如果v_i,v_j之间的通道已关闭,则将其连接性的标签e_i,j设置成-1，且通道余额设置成0；如果通道余额发生改变，更新对应的通道余额。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的区块链支付通道网络的支付管理方法，将支付接收方设为起始节点，将支付发起方设为目的节点，从起始节点到目的节点进行改进的Dijkstra算法，并将各种收费模式设为路径上的权重，其中部分是固定权重，另一部分是随着跳数变化的权重，使得最终得到的支付路径的收费更合理，并且支付时间更短，能够广泛应用在多种收费模式下。

附图说明

图1是本发明的实施例中支付发起方与支付接收方连接示意图。

图2是本发明的实施例中支付路径生成流程图。

图3是本发明的实施例中支付路径的收费示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

<实施例>

在本实施例提供了一种区块链支付通道网络的支付管理方法，该支付管理方法用于对支付通道网络中节点之间的支付路径进行管理，包括路径生成、更新等。该区块链支付通道网络的支付管理方法包括以下步骤：

步骤1、支付通道网络构建步骤。

一个支付通道网络可以表示为图G＝(V,E)，其中顶点集V表示节点，边集E表示支付通道。对于每一对用户v_i,v_j∈V，如果有一个支付通道[v_i,v_j]∈E连接他们，b_i,j,b_j,i分别表示通道[v_i,v_j]上的账户余额。为了简单起见，我们假设一对特定用户之间最多有一个支付通道。每个节点都知道整个网络中的所有频道，因为构建支付频道将在区块链上广播。但是，除了频道所有者之外，其他人不会知道频道的余额，因为只有当频道关闭时，余额才会广播到区块链。为了确保事务的原子性，这里不考虑对一个事务使用多个路径。

步骤2、支付模型构建步骤。

在本实施例中，将付款请求表示为R(v_s,v_r,α)，其中v_s和v_r分别是支付发起方和支付接收方，α是要转移的支付金额。如果存在一个HTLC路径P(v_s,v_r)，使得支付发起方v_s可以支付给接收方v_r，它可以表示为P(v_s,v_r)＝(v₀,…,v_n+1),其中v_s＝v₀,v_r＝v_nt1，v₁,…,v_n∈V,[v_i,v_it1,]∈E,(i＝0,…,n)。对于一个路径，所有的支付通道都称为传递通道(DC)，除了发送者和接收者之外，路径上的所有用户都称为中间节点(IN)。

步骤3、支付请求发起步骤。

图1是本发明的实施例中支付发起方与支付接收方连接示意图。

如图1所示，支付发起方向支付通道网络中的寻路单元发起支付请求。具体过程为：支付发起方首先检查余额，如果自己所有通道的余额小于支付金额α，则不发送付款请求。支付发起方接下来获取支付接收方的地址，如果支付接收方的地址无效或收件人不接受付款，取消付款请求。如果各方要求得到，支付发起方将自己的地址s、接收者的地址r和支付金额α封装到请求R(s,r,α)R中，并将其发送到寻路单元。

步骤4、支付路径生成步骤。

寻路单元在接收到支付请求后，执行反向寻路算法从而获取得到匹配的支付路径。这里，反向寻路算法是对现有的Dijkstra算法进行改进得到。该步骤包括：

初始化阶段：寻路单元将保存在本地的每个通道的两端余额进行交换，并将支付接收方设置为起始节点、支付发送方设置为目的节点。

图2是本发明的实施例中支付路径生成流程图。

迭代阶段：如图2所示，首先将支付网络中的每一个节点到起始节点的距离设置为dis数组并初始化dis[]＝∞，将每一个节点到目的节点的跳数设置为hop[]＝0，节点的前一个节点preNode设置为-1，设置集合vis用于保存已经找到最短路径的节点，并将起始节点加入vis集合；接下来进行迭代，从未被加入vis的点集合中找出到vis距离最短的节点v，并根检查和节点v相邻的其他节点，如果通过v到达这些节点的距离更短，则将这个和v相邻的节点的距离更新更短距离，并将和v的相邻节点的hop值加1，preNode设置为v。

在迭代阶段中，每次迭代都会计算距离。距离计算根据支付通道网络的收费方式来确定。

图3是本发明的实施例中支付路径的收费示意图。

如图3所示，将收费分成了三种：比例费用、时间价值费用以及不平衡收费。

比例费用：对于中间节点转发的每笔交易，它将收取与交易金额成比例的费用。例如，如果节点v_i转发1000，他将收取比例费用PF＝1000×k₁，其中k₁是比例费用的比例参数。对于路径P(v_s,v_r)＝(v₀,…,v_n+1),,，总比例费用以表示为：PF＝αnk₁，图3中Bob和Carol的比例费用都为0.07。

时间价值费用：时间价值费用表示中间节点锁定金额的时间价值。我们假设中间节点每单位时间锁住的货币数为α，也就是支付发起方向支付接收方要支付的支付金额，则收款k₂×α。k₂是时间价值费用的收费参数，锁定时间随中间节点距离目的节点的跳数hop而定，中间节点收费k₂×hop×α。对于路径P(v_s,v_r)＝(v₀,…,v_n+1)，v_i的时间值费用可以表示为：tvf_i＝α(n+1-i)k₂，P的总时间价值费用可以表示为：TVF＝α(n(n+1)/2)k₂，图3中BobheCarol的时间价值费用分别为0.02和0.01。

不平衡收费：在我们的模式下，如果渠道更加平衡，就不会收费；否则，将收取不平衡费。如果不平衡收费由选择的不平衡罚款函数(IP)确定，可通过以下公式进行描述：IF＝IP(after)-IP(before)。IP是一个任意选择的函数，它描述了中间节点愿意支付多少费用来将其通道带入其最喜欢的状态。一些支付渠道框架将允许每个客户根据其需求定义与容量相关的功能IP。为了广泛适用性，不平衡费被描述为一个二次函数，有利于使每个通道处于“中心”状态。如上，IP函数描述中间节点愿意支付多少(以绝对值表示)以远离不希望的支付通道容量。如果一个节点希望信道容量为5，而该信道的总容量为10(意味着它可以在两个方向上调解多达5个令牌)，则IP功能如下所示为：当三个令牌的余额从6更改为9时，则不平衡费将计算为IF＝

IP(9)-IP(6)，对于路径P(v_s,v_r)＝(v₀,…,v_nt1)，路径的总不平衡收费费可以表示为：

图3中Bob和Carol的不平衡费用分别为0.01和0.05.

对于路径P(v_s,v_r)＝(v₀,…,w_n+1)，总距离可以表示为：

所以图3中Bob和Carol的总体收费分别为0.1和0.13。

路径产生阶段：执行迭代，每次遍历preNode数组，按顺序将目的节点和前节点v₁、v₁的前节点v₂、…直到起始节点加入到path中；检查path是否满足容量要求，如果满足则输出path作为支付路径，如果不满足则将该path的第二个节点作为新的起始节点，重复执行迭代阶段。

步骤5、支付路径返回步骤。

寻路单元得出支付路径后，将该支付路径返回给支付发起方，让支付发起方执行支付操作。

步骤6、支付网络更新步骤。

在支付网络更新步骤中，寻路单元将在每段时间更新其保存在本地的网络拓扑，对于每一对v_i,v_j∈V，如果v_i,v_j之间的通道已关闭,则将其连接性的标签e_i,j设置成-1，且通道余额设置成0；如果通道余额发生改变，更新对应的通道余额。

寻路单元会每隔一段时间更新保存在本地的整个支付网络拓扑以及各通道的余额。对于每一对v_i,v_j∈V，如果v_i,v_j之间的通道已关闭,则将他们之间连接性的标签e_i,j设置成-1，通道余额设置成0；如果通道的余额被改变，更新他们的余额。

基于上述支付路径生成方法，也就是支付发起方与支付接收方之间的路由算法，通过将其与传统的Dijkstra算法、闪电网络中的路由算法以及DFS算法进行了对比试验，试验结果表明本实施例的方案所生成的支付路径在收费上和时间上都达到了较好的效果。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的区块链支付通道网络的支付管理方法，将支付接收方设为起始节点，将支付发起方设为目的节点，从起始节点到目的节点进行改进的Dijkstra算法，并在找到路径后进行判断余额和剪枝操作，还将各种收费模式设为路径上的权重，其中部分是固定权重，另一部分是随着跳数变化的权重，使得最终得到的支付路径的收费更合理，并且花费的时间也较少，具有较好的经济效益。而且，本实施例综合考虑了现在广泛使用的多个支付通道网络的中间节点的不同收费策略情况，使其更具有通用性。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种区块链支付通道网络的支付管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

支付请求发起步骤：支付发起方向支付通道网络中的寻路单元发起支付请求；

支付路径生成步骤：所述寻路单元在接收到所述支付请求后，执行反向寻路算法从而获取得到匹配的支付路径；

支付路径返回步骤：所述寻路单元得出所述支付路径后，将该支付路径返回给所述支付发起方；

支付网络更新步骤：所述寻路单元定期更新保存在本地的整个支付网络拓扑以及各通道的余额。

2.根据权利要求1所述的区块链支付通道网络的支付管理方法，其特征在于：

在所述支付请求发起步骤之前，还包括支付通道网络构建步骤，

支付通道网络表示为图G＝(V,E)，其中，顶点集V表示节点，边集E表示支付通道。

3.根据权利要求2所述的区块链支付通道网络的支付管理方法，其特征在于：

在所述支付通道网络构建步骤与所述支付请求发起步骤之间，还包括支付模型构建步骤，

所述支付请求表示为R(v_s,v_r,α)，其中，v_s和v_r分别是所述支付发起方和所述支付接收方，α是要转移的支付金额。

4.根据权利要求3所述的区块链支付通道网络的支付管理方法，其特征在于：

所述支付路径生成步骤包括：

初始化阶段：所述寻路单元将保存在本地的每个通道的两端余额进行交换，并将所述支付接收方设置为起始节点、所述支付发送方设置为目的节点，

迭代阶段：首先将支付网络中的每一个节点到所述起始节点的距离设置为dis数组并初始化dis[ ]＝∞，将每一个节点到所述目的节点的跳数设置为hop[ ]＝0，节点的前一个节点preNode设置为-1，设置集合vis用于保存已经找到最短路径的节点，并将所述起始节点加入vis集合；接下来进行迭代，从未被加入vis的点集合中找出到vis距离最短的节点v，并根检查和节点v相邻的其他节点，如果通过v到达这些节点的距离更短，则将这个和v相邻的节点的距离更新更短距离，并将和v的相邻节点的hop值加1，preNode设置为v，

路径产生阶段：执行迭代，每次遍历preNode数组，按顺序将目的节点和前节点v₁、v₁的前节点v₂、…直到起始节点加入到path中；检查path是否满足容量要求，如果满足则输出path作为所述支付路径，如果不满足则将该path的第二个节点作为新的起始节点，重复执行迭代。

5.根据权利要求4所述的区块链支付通道网络的支付管理方法，其特征在于：

在所述迭代阶段中，每次迭代都会计算距离，该距离的计算根据支付通道网络的收费方式来确定，包括：比例费用、时间价值费用以及不平衡收费，

对于路径P(v_s,v_r)＝(v₀,…,v_n+1)，所述比例费用表示为：PF＝αnk₁，所述时间价值费用表示为：TVF＝α(n(n+1)/2)k₂，所述不平衡收费表示为：

其中，α是中间节点每单位时间锁住的货币数，k₁是比例费用的比例参数，k₂是时间价值费用的收费参数，IP是一个任意选择的函数。

6.根据权利要求5所述的区块链支付通道网络的支付管理方法，其特征在于：

在所述支付网络更新步骤中，所述寻路单元将在每段时间更新其保存在本地的网络拓扑，对于每一对v_i,v_j∈V，如果v_i,v_j之间的通道已关闭,则将其连接性的标签e_i,j设置成-1，且通道余额设置成0；如果通道余额发生改变，更新对应的通道余额。

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