CN111401868B - 一种费用最小的区块链链下交易路由算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种费用最小的区块链链下交易路由算法，以交易费用最小化为基准，在模拟小世界网络中首先动态构建节点路由表，使得交易沿着交易费用最小的路径进行传播。交易过程中，初始节点将来自目标节点的加密信息以及交易消息按照已构建好的路由进行发送，中间节点接受来自上一节点的交易，并转发至下一节点，以上交易视为为未验证交易，账户的余额并不改变。当收到交易目标节点发送的验证密钥解密加密信息成功后，将交易视为验证交易，改变账户余额，交易完成。本发明可以使得用户支付给中间节点的总路径费用最小。

Description

一种费用最小的区块链链下交易路由算法

技术领域

本发明属于区块链链下交易通道技术领域，涉及闪电网络多跳支付的费用最小的区块链链下交易路由算法。

背景技术

随着互联网和金融经济的迅速发展，以比特币为代表的区块链应用迅速发展，实现了去中心化的组织形式，免去了中心化带来的信任问题。传统的交易是基于信任的，存在中介且支付往往是可逆的，因此欺诈不可避免。但在区块链应用中，每个节点都维护一份从创链以来的所有交易记录，没有中心化组织的存在，避免了信用危机。

但随着比特币日益流行，区块链中越来越多的技术问题也随之暴露出来，其中最为明显的就是区块链的扩容问题。

随着区块链技术的快速发展，以比特币为代表的区块链应用迅速发展。比特币每10分钟产生一个块，每块只有1M字节的限制，每次比特币交易平均需要250字节存储，这意味着比特币每秒仅支持7笔交易，这远远不能满足日常交易需求。为了使比特币为代表的区块链应用获得更大的交易处理能力，就要求交易可以脱离比特币区块链本身即可以进行链下交易。

同时，比特币的日益流行还暴露出一个问题就是小额交易往往不能被很快的确认，这主要是由于矿工们优先处理交易费更高的交易，这就使得区块链对于小额支付很不友好，但在日常生活中，小额交易是发生频率最高的，这大大限制了区块链的发展。

考虑到以上两个问题，Joseph Poon和Thaddeus Dryja提出了闪电网络。闪电网络基于比特币的链下传输网络组成，是网络上的网络即二层网络。除了创建交易通道和关闭交易通道外，其他的交易不入链，均在链下进行。这就使得区块链的扩展性大大提高。

但在闪电网络中，两个节点进行通信必须要先建立支付通道，这是需要区块链确认的，通过在已有支付通道上进行传输而非建立新的通道可以减少交易时间和交易费用。传统的闪电网络对于多跳支付的情况没有特殊的路由处理，这就使得一笔交易可能支付更多的交易费用。

因此，提供一种费用最小的区块链链下交易路由算法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明针对上述研究现状和存在的问题，提供了一种费用最小的区块链链下交易路由算法，可以使得用户支付给中间节点的总路径费用最小。

为实现上述目的其具体方案如下：

一种费用最小的区块链链下交易路由算法，包括：

构建路由表，为闪电网络中已有交易通道的每个节点构建一个路由表，并进行路由表更新，更新后路由表中源节点即当前节点至目的节点所经过的所有过路节点的总路径费用最小；

按更新后路由表进行交易传播，节点按照自身路由表中的数据项进行交易信息的传递，每个过路节点收取过路费，并更新交易信息中下一跳节点为自身路由表中的下一跳节点。

优选的，每个节点维护一个路由表，路由表中的每个数据项存储当前节点信息、下一跳节点信息、当前节点交易费信息、目的节点信息、当前节点到目的节点的总路径费用大小。

优选的，所述进行交易传播之前，还包括交易的建立，交易传播与建立的参与者包括交易发起方、交易接收方和过路节点：

由交易发起方将交易请求通过底层网络发送给交易接收方；

交易接收方接收所述交易请求后生成一个相应的key，存储key并返回key对应的hash值给交易发起方；

交易发起方接收到hash值后开始创建包含hash值的交易信息，将交易信息不断传递给每个过路节点更新后的路由表中的下一跳节点直至传递给交易接收方，其中过路节点对交易信息进行存储；

当交易接收方收到含有正确hash值的交易信息时进行交易响应，将key和总路径费用回传回去并更新自己的余额。回传途中过路节点比对已存储的交易信息，根据key验证成功，则更新自己的余额并收取过路费，并将key和总路径费用信息传递给前一个节点，直至回传到交易发起方，交易完成。

优选的，当节点收到一个交易信息时，首先通过hash值验证是否是自身交易，若不是自身交易，则将交易继续转给当前节点的下一跳节点，同时在交易信息中记录过路费即更新当前交易总路径费用；若是自身交易，即当前节点为目的节点，则将key和总路径费用信息传递给上一个节点同时更新当前节点的余额。

优选的，路由表更新前，还包括路由表的初始化，具体步骤为：

每个节点初始只包含目的节点为相邻节点的路由；

每个节点的路由表构建完成时或节点路由表中路由信息发生更新时将路由信息广播给相邻节点，相邻节点收到路由信息后根据更新规则做出更新；

每个节点的路由信息收敛后得到目的节点含全局任一节点的路由信息。

优选的，节点n1收到某一节点n2的路由信息后，更新规则如下：

如果n2的路由信息的des存在于n1的路由表的des中：

①如果发现将n2作为下一跳时更新后的总路径费用比n1的原总路径费用大或相等，则不做任何处理；

②如果将n2作为下一跳时更新后的总路径费用比n1的原总路径费用小，则更新当前路由信息，即将下一节点设为n2，总路径费用设为n2的总路径费用加上n2的过路费，并广播更新后的路由信息；

如果n2的路由信息的des不存在于n1的路由表的des中：

将路由信息加入到n1的路由表中，同时对路由信息做出相应更新，并广播更新后的路由信息。

优选的，每个节点处理的消息类型包括：交易信息类型、路由表类型、交易请求类型、交易响应类型、回传类型；各个消息类型的结构如下：

交易信息类型：交易发起方信息，交易接收方信息，下一跳节点信息，转账资金大小，总路径费用、hash值；

路由表类型：路由表项的集合，其中，路由表项包括：源节点信息、下一跳节点信息、当前节点费用信息、目的节点信息、源节点到目的节点的总路径费用；

交易请求类型：交易接收方信息，交易发起方信息，转账资金大小，hash值；

交易响应类型：交易接收方信息，交易发起方信息，转账资金大小，hash值；

回传类型：key和总路径费用大小。

本发明相较现有技术具有以下有益效果：

本发明由于每个节点都得到目的节点为全局节点的路由表，得到全局路由信息，并以所经过的路径费用最小为目标，选择下一跳节点，对路由信息进行广播。在此基础上进行区块链交易，能够在节点平均跳数增加不大的情况下使得传播路径费用最小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的模拟的20节点小世界网络图；

图2是本发明和传统算法在平均节点跳数方面的比较图；

图3是本发明和传统算法在平均节点费用方面的比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明为设立支付通道的每个节点建立一个路由表。参见说明书附图1，在本实施例中用小世界网络模拟真实网络中节点间的关系，假设每个节点都知道自己的相邻节点即能判断相邻节点是否断开或是否有新的节点连接，当前节点构建自己的初始路由表包含其所有相邻节点的信息并将总路径费用设为0、下一节点设为相邻节点、目的节点为相邻节点。

下面对以基于闪电网络的基于费用减少的路由算法进行详细说明：

1、确定路由表中数据项参数

路由表中的每个数据项包括：

源节点即当前节点信息source

下一跳节点信息：next

当前节点费用信息fee

目的节点信息des

源节点到目的节点的总路径费用total fee

2、初始化

在闪电网络中，每个节点都知道与其建立支付通道的节点集合(即其相邻节点)。在算法运行的最初时刻，每个节点都维护一张路由表，如表1所示。在这张路由表中，只包含des为相邻节点的数据项。

表1初始化时每个节点中路由表中存储的信息项(以n1节点为例)

3、广播路由信息

路由算法运行后，每个节点将其路由信息广播给其所有的相邻信息。考虑到闪电网络中会出现支付通道终止与建立的情况，按照1由于节点知道与其建立支付通道的节点集合，当节点路由信息出现更新的时候，仍会将其广播通知其他节点更新信息。最后算法收敛后，每个节点得到一个包含des为全部节点的全局路由表，如表2所示。

在网络建立初期，每个节点向相邻节点广播自己路由表。当节点收到别的节点发来的路由表信息后，对自身的路由表做出更新，如果自身的路由表有更新，则向其相邻节点继续广播，最后每个节点都得到目的节点为全局节点的路由表。

4、路由表更新规则

假设节点n1收到另一节点n2的路由信息后，路由表更新规则如下：

(1)如果n2的路由信息的目的节点存在于n1的路由表的des集合中：

①如果将n2作为下一跳时，更新后的总路径费用比n1的原总路径费用大或相等，则不做处理。

②如果发现将n2作为下一跳时，更新后的总路径费用比n1的原总路径费用小，则更新当前路由信息，即将下一节点设为n2，总路径费用设为n2到目的节点的总路径费用加上经过n2的过路费。并广播路由信息。

(2)如果n2的路由信息的目的节点不存在于n1的路由表的目的节点中，则将路由信息加入到n1的路由表中，需要将路由信息的源节点更新为n1、下一跳节点更新为n2、费用更新为n1收取的费用、总路径费用更新为n2到目的节点的总路径费用加上n2的过路费，并广播路由信息。

在每个节点的路由表收敛后，若有路由信息的更新，则仍按上述方式进行路由更新。

每个节点得到全局路由信息后，就可以进行按照传统闪电网络中的多跳支付方式即进行交易。

4、交易的发起：请求消息的建立

交易的发起方发送一个请求消息request，其结构包括交易发起方sender，交易接受方receiver、转账资金account，交易发起方发起交易后使用底层网络将消息直接发送给接收方，同时在交易发起时会进行余额的检查，如果节点余额不足以支持这次转账，将会停止交易。

5、交易的响应：响应消息的建立

交易的接收方接受到请求类型request后，将生成一个响应消息，其结构包括交易接收方、交易发起方、转账资金、hash值(交易接收方收到交易后会生成一个key，使用hash算法得到hash值)。接收方做出回应后将会将响应消息通过底层网络直接传输到交易接收方。

6、交易的传递：交易消息的建立

交易的发起方收到交易消息响应消息response后，将会在路由表中寻找目的节点为交易接收方的路由信息，并按照路由信息将交易相关信息打包成交易消息并通过底层网络发给对应的相邻节点。其中，交易信息的结构包括交易发起方sender、交易接收方receiver、下一跳节点next、转账资金account、hash值、总路径费用。发起方将交易信息通过底层网络传递给下一跳节点。

7、交易的传递：交易消息的传递

当节点收到一个交易信息时，首先会通过hash验证是否是自身交易。若不是自身交易，则进行将交易重新打包继续转给当前节点的下一跳节点，并将交易信息中的下一跳节点更改为自身的下一跳节点，同时在交易信息中更新过路费用即当前交易的总路径费用；若是自身交易，即当前节点为目的节点，则将key和总路径费用信息传递给上一个节点同时更新自己的余额。

8、交易的确立，key的传递

每个节点收到key和总路径费用信息后，首先验证自己手中持有的hash是否通过验证，若通过验证，则更新当前账户余额并收取过路费用。并将key和总路径费用信息传递给前一个节点，直至传递给交易发起方。对于未验证交易，账户的余额并不改变。当收到交易目标节点发送的验证密钥解密加密信息成功后，将交易视为验证交易，改变目标节点账户余额，交易完成。

在上述交易过程中，每个节点处理的消息类型包括：交易类型、路由表类型、请求类型、响应类型、回传类型；各个消息类型的结构如表3所示：

实施例：

本发明采用计算机模拟的方式进行实验。

本发明以小世界网络模拟真实世界中的网络分布，分别在具有10、20、30、40、50的网络节点以及邻居节点均为4，随机重连概率均为0.2的情况下进行节点平均跳数及节点平均费用的模拟，每次模拟随机选取发起方与接收方，交易数量均为20。

其中，传统直接广播路由的闪电网络(此处为防止广播信息过多导致程序阻塞，采用最小跳数算法)与本发明在不同节点数目情况下，节点平均跳数的对比如图2所示，节点平均费用下的对比如图3所示。对比结果显示，在节点平均跳数较最小跳数情况增加不大的情况下，节点平均费用本发明方法相较传统方法更低。

以上对本发明所提供的一种费用最小的区块链链下交易路由算法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (6)

1.一种费用最小的区块链链下交易路由算法，其特征在于，包括：

构建路由表，为闪电网络中已有交易通道的每个节点构建一个路由表，并进行路由表更新，更新后路由表中源节点即当前节点至目的节点所经过的所有过路节点的总路径费用最小；

按更新后路由表进行交易传播，节点按照自身路由表中的数据项进行交易信息的传递，每个过路节点收取过路费，并更新交易信息中下一跳节点为自身路由表中的下一跳节点；

参与者包括交易发起方、交易接收方和过路节点，过程如下：

(1)由交易发起方将交易请求通过底层网络发送给交易接收方；

(2)交易接收方接收所述交易请求后生成一个相应的key，存储key并返回key对应的hash值给交易发起方；

(3)交易发起方接收到hash值后开始创建包含hash值的交易信息，将交易信息不断传递给每个过路节点更新后的路由表中的下一跳节点直至传递给交易接收方，其中过路节点对未完成的交易信息进行存储；

(4)当交易接收方收到含有正确hash值的交易信息时进行交易响应，将key和总路径费用回传回去并更新自己的余额；回传途中过路节点比对已存储的交易信息，若key验证成功，则更新自己的余额并收取过路费，并将key和总路径费用信息传递给前一个节点，直至回传到交易发起方，交易完成。

2.根据权利要求1所述的一种费用最小的区块链链下交易路由算法，其特征在于，每个节点维护一个路由表，路由表中的每个数据项存储当前节点信息、下一跳节点信息、当前节点交易费信息、目的节点信息、当前节点到目的节点的总路径费用大小。

3.根据权利要求1所述的一种费用最小的区块链链下交易路由算法，其特征在于，当节点收到一个交易信息时，首先通过hash值验证是否是自身交易，若不是自身交易，则将交易继续转给当前节点的下一跳节点，同时在交易信息中记录过路费即更新当前交易的总路径费用；若是自身交易，即当前节点为目的节点，则将key和总路径费用信息传递给上一个节点同时更新当前节点的余额。

4.根据权利要求1所述的一种费用最小的区块链链下交易路由算法，其特征在于，路由表更新前，还包括路由表的初始化，具体步骤为：

每个节点初始只包含目的节点为相邻节点的路由；

每个节点的路由表构建完成时或节点路由表中路由信息发生更新时将路由信息广播给相邻节点，相邻节点收到路由信息后根据更新规则做出更新；

每个节点的路由信息收敛后得到目的节点含全局任一节点的路由信息。

5.根据权利要求4所述的一种费用最小的区块链链下交易路由算法，其特征在于，节点n1收到某一节点n2的路由信息后，更新规则如下：

如果n2的路由信息的des存在于n1的路由表的des中：

①如果发现将n2作为下一跳时更新后的总路径费用比n1的原总路径费用大或相等，则不做任何处理；

②如果将n2作为下一跳时更新后的总路径费用比n1的原总路径费用小，则更新当前路由信息，即将下一节点设为n2，总路径费用设为n2的总路径费用加上n2的过路费，并广播更新后的路由信息；

如果n2的路由信息的des不存在于n1的路由表的des中：

将路由信息加入到n1的路由表中，同时对路由信息做出相应更新，并广播更新后的路由信息。

6.根据权利要求1所述的一种费用最小的区块链链下交易路由算法，其特征在于，每个节点处理的消息类型包括：交易信息类型、路由表类型、交易请求类型、交易响应类型、回传类型；各个消息类型的结构如下：

交易信息类型：交易发起方信息，交易接收方信息，下一跳节点信息，转账资金大小，交易的总路径费用，hash值；

路由表类型：路由表项的集合，其中，路由表项包括：源节点信息、下一跳节点信息、当前节点费用信息、目的节点信息、源节点到目的节点的总路径费用；

交易请求类型：交易接收方信息，交易发起方信息，转账资金大小，hash值；

交易响应类型：交易接收方信息，交易发起方信息，转账资金大小，hash值；

回传类型：key和交易的总路径费用大小。

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