CN111970370A - 基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展系统及方法，属于区块链技术领域，包括根链、若干个以树形结构搭建根链上的侧链以及分别与根链和侧链连接的通信设备。本发明旨在解决基于一个可信根链上的区块链扩容技术，用于建立面向物联网的多层区块链拓展协议，在保证通信设备记录安全的情况下，大大扩展在根链上通信设备记录变更的速度和通信设备记录变更的灵活性，自治性和可用性。

Description

基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展系统及方法

技术领域

本发明属于区块链技术领域，尤其涉及一种基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展系统及方法。

背景技术

随着区块链技术的突破与发展，人们对于在区块链基础上搭建完整的生态的需求越来越强烈。区块链拥有着去中心化，不可篡改，不可伪造的特性，特别适用于构建使用于各行各业在各个维度的信任模型，具有重要的社会现实意义与价值。因为现在的区块链架构主要面临着共识与可信度的局限性，面临着不可能三角，即安全性，扩展性，去中心化三者不可兼得的问题。非许可链往往采用计算给定哈希值的方式参与区块链的构造中，这种方式不仅浪费计算和电力资源，而且极大的限制了计算处理的速度，而对于许可链的区块链架构往往采用拜占庭容错的机制，这种方式又极大的受到带宽通量的限制，无法实现有效的拓展。其中区块链在物联网中的应用又格外关键，区块链可以保证物联网中的通信设备能够有效的进行交互和信息传递，防止可能出现的故障和被攻击情况，但依然面临着通信效率不佳，各个区块链之间缺少联系，或者一条主链的压力负载过大的情况。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展系统及方法，解决了基于一个可信根链上的区块链扩容技术问题，用于建立面向物联网的多层区块链拓展协议，在保证通信设备记录安全的情况下，大大扩展在根链上通信设备记录变更的速度和通信设备记录变更的灵活性，自治性，可用性。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供了一种基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展系统，包括根链、若干个以树形结构搭建根链上的侧链以及分别与根链和侧链连接的通信设备；

所述侧链，用于利用智能合约的交互申请加入根链中，并利用节点运行共识协议，将产生的区块头提交至父级链节点中；

所述通信设备，用于在侧链上进行注册与运行，将根链上的通信设备信息转入至侧链中；以及用于发出退出请求，返回至根链上；

所述根链，用于根据侧链的申请，利用智能合约的交互将侧链加入至根链中；以及用于对通信设备的退出请求进行释放缓冲处理，生成欺诈证明，完成多层区块链协议的拓展。

进一步地，所述侧链通过智能合约与根链连接，且所述侧链定时向其父级链提交固定时间内产生的区块头，其中，

所述智能合约包括：侧链申请加入物联网区块链系统的注册机制、通信设备在侧链中注册运行并转移设备状态记录的机制以及通信设备在侧链中的设备状态记录变更机制。

基于上述系统，本发明还提供了一种基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展方法，包括以下步骤：

S1、由侧链利用申请加入根链中；

S2、利用侧链的节点运行共识协议，并定时将产生的区块头提交至父级链节点；

S3、根据侧链节点运行的共识协议以及父级链节点接受的区块头，将通信设备在侧链上进行注册与运行，并将根链上的通信设备信息转入至侧链中；

S4、根据在侧链上的注册与运行结果，上传通信设备的设备状态变更信息；

S5、根据所述通信设备的设备状态变更信息发出退出请求，将通信设备的运行状态退出侧链，并返回至根链上；

S6、通过根链进行释放缓冲处理，生成欺诈证明，完成多层区块链协议的拓展。

进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：

S101、利用侧链的物联网主节点向根链发送请求加入的注册信息；

S102、根据所述请求信息，将生成的第一个区块的区块头哈希值作为所述侧链的区块链地址，并将所述侧链的地址和管理该侧链的上级区块链的父级侧链地址一并发送至侧链；

S103、将侧链的所有节点向父级侧链广播其身份信息；

S104、记录侧链的注册信息至父级侧链的状态树中，排除不合法的侧链节点信息，并将收到的侧链注册信息发送至根链中；

S105、通过侧链的注册信息写入至根链的状态树中，并为该侧链建立缓存空间，实现侧链利用智能合约的交互加入根链。

再进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、提议节点向所有备份节点广播当前通信设备的状态变更；

S202、判断通信设备的状态变更是否合法，若是，则向所有其他备份节点广播投票消息，并进入步骤S203，否则，终止流程；

S203、判断备份节点是否收到超过三分之二的投票消息，若是，则向备份节点广播提交消息，并进入步骤S204，否则，进入超时机制，向备份节点广播一个内容为空的提交消息，并返回步骤S201；

S204、判断备份节点是否收到超过三分之二的提交消息，若是，则将通信设备的状态变更信息构造成区块，并在全局记录中更新通信设备的状态，同时将更新的通信设备状态写入区块，并进入步骤S205，否则，进入超时机制，不更新通信设备的状态，并返回步骤S201；

S205、判断提议节点是否收到超过三个分二的提交消息，若是，则根据所述区块计算区块头，并向父级侧链广播超过三分之二个备份节点签名的多签区块头，实现侧链节点运行共识协议，并进入步骤S3，否则，进入超时机制，不像父链进行广播，并返回步骤S201。

再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：

S301、根据侧链节点运行的共识协议以及父级链接受的区块头，通过通信设备将根链上的通信设备记录发送至智能合约中，并指定侧链地址；

S302、通过侧链生成成功接收通信设备记录的证明，并添加至侧链区块中；

S303、根据所述签收证明签署见证信息，利用智能合约将所述见证信息、通信设备记录以及对应的公钥添加至对应侧链的状态树中，完成在侧链的注册与运行以及通信设备的信息转入。

再进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：

S401、根据在侧链上的注册与运行，利用通信设备生成设备状态变更的凭证，并将根据所述凭证生成相应的状态变更输出广播至区块链；

S402、根据所述广播由对应的侧链处理其对应的设备状态变更信息，并将设备状态变更信息记录至区块头内，向父级侧链广播区块头；

S403、通过智能合约确认设备状态变更信息记录的签名，并将其记录至根链的状态树中；

S404、通过通信设备确认侧链上完成设备状态变更，并签署见证申明，完成通信设备的设备状态变更信息的上传。

再进一步地，所述步骤S5包括以下步骤：

S501、根据所述通信设备的设备状态变更信息发出退出请求，并将所述退出请求发送至设备状态变更记录所在的侧链；

S502、检查当前通信设备的设备状态变更记录是否存在，且检查当前通信设备是否有正在处理的设备状态变更，若是，则进入步骤S503，否则，拒绝当前设备的退出请求，结束流程；

S503、由侧链向根链提交一个多签信息，并根据多签信息的输出将当前通信设备最后在该区域物联网区块链中的状态作为缓冲保存至智能合约中，并将当前通信设备在侧链上的设备状态解锁；

S504、判断所述缓冲保存和设备状态解锁操作是否合法，若是，则执行缓冲和解锁设备状态，退出侧链，返回至根链上，并进入步骤S6，否则，拒绝当前设备的退出请求，结束流程。

再进一步地，所述步骤S6包括以下步骤：

S601、通过区域物联网区块链签署释放缓冲的信息，并发送至根链；

S602、将所述释放缓冲信息写入区块中，并设定一周的时间锁为验证周期；

S603、在所述验证周期内利用所有其他节点对该退出设备的状态变更记录进行认证；

S604、根据认证结果，由其他节点利用设备状态变更记录和区块数据生成欺诈证明，并向智能合约发送欺诈证明，并对所述欺诈证明进行验证；

S605、判断验证是否通过，若是，则将根链上的通信设备状态强制更新为缓冲区，并保存最后的合法状态，完成多层区块链协议的拓展，否则，删除对应的所有缓冲数据，完成多层区块链协议的拓展。

再进一步地，所述步骤S604包括以下步骤：

S6041、下载包括本次设备状态变更的区块；

S6042、判断所述区块是否正确，若是，则接受区块并写入本地区块链副本，完成多层区块链协议的拓展，否则，拒绝包含本次设备状态变更记录的区块，生成欺诈证明，并进入步骤S6043；

S6043、将所述欺诈证明发送至智能合约，并对所述欺诈证明进行验证。

本发明的有益效果：

(1)本发明详细描述了区域物联网的联盟链在根链上申请建立区域自治物联网区块链，进行身份确认并运行的过程，使得整个多层区块链架构成为一种动态的，高灵活性的架构体系。同时描述了侧链节点运行的基于实用拜占庭容错的共识机制，加快了记录硬件交互信息的速度并增加了攻击者的攻击成本。同时本发明给出了通信设备从根链中将自己的状态记录转移到侧链进行记录，并且进行通信设备记录变更的流程，提出了基于欺诈证明和缓冲机制的退出流程，可以在保证通信设备记录安全的情况下保证效率，通信设备可以无延迟的将自己的设备状态记录从侧链退出。

(2)在整个系统的运行效率层面上，本发明通过区块链状态分片的思想，实现了区域物联网的完全自治，保证了物联网通信设备要求的高时效，低延迟的通信要求。同时通过状态划分尽可能的减少了在共识达成过程中对区块存储造成的存储资源浪费，让通信设备可以以最小的存储介质代价加入或退出区域物联网的自治区块链系统中进行运行。

(3)在整个系统的安全层面上，本发明通过两重安全策略保证了通信设备在区域自治物联网区块链运行时的数据安全性和一致性。同时保证了通信设备在加入区域物联网或退出区域物联网时的数据可用性。基于拜占庭容错机制的侧链共识机制可以防止单点错误，将容错上限提升到整个区块链系统的三分之一节点数量。基于缓冲机制和欺诈证明的退出机制基于后验的思想用于保证数据可用性，使得通信设备的设备状态在加入或退出区域物联网系统时可以被认定为准确无误。上述的安全机制可以充分解决物联网系统中对通信设备的安全性，数据可用性的需求，即使区域物联网区块链节点的数量较小，不足以满足传统区块链的安全需求，在该发明中也可以通过双重安全策略得到安全保证。

(4)在系统的架构层面上来讲，该发明将每个物联网系统完全的隔离开，实现每个区域物联网区块链系统的完全自治，实现自我管理，自我实现成员准入机制等。同时通过提交区块头的形式将所有的设备状态变更提交到可信根链中，可信根链掌握着所有加入设备的状态。这种分层式的架构不仅通过一个统一的状态管理管理所有的通信设备状态，同时也能保证各个层级的自治物联网区块链能对该组织的成员有管理能力。这种架构保证了整个框架的数据可用性和灵活性，动态性。

(5)针对在物联网现实层面的应用来讲，该发明为物联网系统中要求的时效性，低延迟性与传统区块链系统的低时效，高安全性有效的结合起来。通过后验的数据可用性与局部同步，全局异步的共识特点，将传统区块链的同步特性进行转换，从而实现效率上的提升。这种架构在面对现实情景下的动态，复杂，且对安全性和时效性高的场景有着强适应性，其动态调整，动态退出，动态增加的特性可以很好的适应现实情境下的物联网系统。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的方法流程图。

图3为本实施例中侧链申请在根链上注册运行的流程图。

图4为本实施例中通信设备在侧链上注册并转入设备状态的流程图。

图5为本实施例中通信设备在侧链上进行设备状态记录变更的流程图。

图6为本实施例中在侧链上运行的共识机制流程图。

图7为本实施例中通信设备将设备状态从侧链退出的流程图。

图8为本实施例中节点生成欺诈证明的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

如图1所示，基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展系统，包括根链、若干个以树形结构搭建根链上的侧链以及分别与根链和侧链连接的通信设备；侧链通过智能合约与根链连接，且侧链定时向其父级链提交固定时间内产生的区块头。侧链，用于利用智能合约的交互申请加入根链中，并利用节点运行共识协议，将产生的区块头提交至父级链节点中；通信设备，用于在侧链上进行注册与运行，将根链上的通信设备信息转入至侧链中；以及用于发出退出请求，返回至根链上；根链，用于根据侧链的申请，利用智能合约的交互将侧链加入至根链中；以及用于对通信设备的退出请求进行释放缓冲处理，生成欺诈证明，完成多层区块链协议的拓展，其中，智能合约包括：侧链申请加入物联网区块链系统的注册机制、通信设备在侧链中注册运行并转移设备状态记录的机制以及通信设备在侧链中的设备状态记录变更机制。

本实施例中，如图1所示，本发明分别在根链上设置智能合约的处理机制，在侧链上设置共识机制和基于欺诈证明和缓冲机制的退出机制，侧链申请加入物联网区块链系统的注册机制，通信设备在侧链中注册运行并转移设备状态记录的机制，通信设备在侧链中的设备状态记录变更机制，本发明详细描述了区域物联网的联盟链在根链上申请建立区域自治物联网区块链，进行身份确认并运行的过程，使得整个多层区块链架构成为一种动态的，高灵活性的架构体系。同时描述了侧链节点运行的基于实用拜占庭容错的共识机制，加快了记录硬件交互信息的速度并增加了攻击者的攻击成本。本发明同时给出了通信设备从根链中将自己的状态记录转移到侧链进行记录，并且进行通信设备记录变更的流程。提出了基于欺诈证明和缓冲机制的退出流程，可以在保证通信设备记录安全的情况下保证效率，通信设备可以无延迟的将自己的设备状态记录从侧链退出。解决了基于一个可信根链上的区块链扩容技术，用于建立面向物联网的多层区块链拓展协议，在保证通信设备记录安全的情况下，大大扩展在根链上通信设备记录变更的速度和通信设备记录变更的灵活性，自治性，可用性。

实施例2

如图2所示，基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展方法，其实现方法如下：

S1、由侧链利用申请加入根链中，其实现方法如下：

S101、利用侧链的物联网主节点向根链发送请求加入的注册信息；

S102、根据所述请求信息，将生成的第一个区块的区块头哈希值作为所述侧链的区块链地址，并将所述侧链的地址和管理该侧链的上级区块链的父级侧链地址一并发送至侧链；

S103、通过侧链的所有节点向父级侧链广播其身份信息；

S104、记录侧链的注册信息至父级侧链的状态树中，排除不合法的侧链节点信息，并将收到的侧链注册信息发送至根链中；

S105、将侧链的注册信息写入至根链的状态树中，并为该侧链建立缓存空间，实现侧链利用智能合约的交互加入根链；

S2、利用侧链的节点运行共识协议，并定时将产生的区块头提交至父级链节点，其实现方法如下：

S201、提议节点向所有备份节点广播当前通信设备的状态变更；

S202、判断通信设备的状态变更是否合法，若是，则向所有其他备份节点广播投票消息，并进入步骤S203，否则，终止流程；

S203、判断备份节点是否收到超过三分之二的投票消息，若是，则向备份节点广播提交消息，并进入步骤S204，否则，进入超时机制，向备份节点广播一个内容为空的提交消息，并返回步骤S201；

S204、判断备份节点是否收到超过三分之二的提交消息，若是，则将通信设备的状态变更信息构造成区块，并在全局记录中更新通信设备的状态，同时将更新的通信设备状态写入区块，并进入步骤S205，否则，进入超时机制，不更新通信设备的状态，并返回步骤S201；

S205、判断提议节点是否收到超过三个分二的提交消息，若是，则根据所述区块计算区块头，并向父级侧链广播超过三分之二个备份节点签名的多签区块头，实现侧链节点运行共识协议，并进入步骤S3，否则，进入超时机制，不像父链进行广播，并返回步骤S201；

S3、根据侧链节点运行的共识协议以及父级链节点接受的区块头，将通信设备在侧链上进行注册与运行，并将根链上的通信设备信息转入至侧链中，其实现方法如下：

S301、根据侧链节点运行的共识协议以及父级链接受的区块头，通过通信设备将根链上的通信设备记录发送至智能合约中，并指定侧链地址；

S302、通过侧链生成成功接收通信设备记录的证明，并添加至侧链区块中；

S303、根据所述签收证明签署见证信息，利用智能合约将所述见证信息、通信设备记录以及对应的公钥添加至对应侧链的状态树中，完成在侧链的注册与运行以及通信设备的信息转入；

S4、根据在侧链上的注册与运行结果，上传通信设备的设备状态变更信息，其实现方法如下：

S401、根据在侧链上的注册与运行，利用通信设备生成设备状态变更的凭证，并将根据所述凭证生成相应的状态变更输出广播至区块链；

S402、根据所述广播由对应的侧链处理其对应的设备状态变更信息，并将设备状态变更信息记录至区块头内，向父级侧链广播区块头；

S403、通过智能合约确认设备状态变更信息记录的签名，并将其记录至根链的状态树中；

S404、通过通信设备确认侧链上完成设备状态变更，并签名见证申明，完成通信设备的设备状态变更信息的上传；

S5、根据所述通信设备的设备状态变更信息发出退出请求，将通信设备的运行状态退出侧链，并返回至根链上，其实现方法如下：

S501、根据所述通信设备的设备状态变更信息发出退出请求，并将所述退出请求发送至设备状态变更记录所在的侧链；

S502、检查当前通信设备的设备状态变更记录是否存在，且检查当前通信设备是否有正在处理的设备状态变更，若是，则进入步骤S503，否则，拒绝当前设备的退出请求，结束流程；

S503、由侧链向根链提交一个多签信息，并根据多签信息的输出将当前通信设备最后在该区域物联网区块链中的状态作为缓冲保存至智能合约中，并将当前通信设备在侧链上的设备状态解锁；

S504、判断所述缓冲保存和设备状态解锁操作是否合法，若是，则执行缓冲和解锁设备状态，退出侧链，返回至根链上，并进入步骤S6，否则，拒绝当前设备的退出请求，结束流程；

S6、通过根链进行释放缓冲处理，生成欺诈证明，完成多层区块链协议的拓展，其实现方法如下：

S601、通过区域物联网区块链签署释放缓冲的信息，并发送至根链；

S602、将所述释放缓冲信息写入区块中，并设定一周的时间锁为验证周期；

S603、在所述验证周期内利用所有其他节点对该退出设备的状态变更记录进行认证；

S604、根据认证结果，由其他节点利用设备状态变更记录和区块数据生成欺诈证明，并向智能合约发送欺诈证明，并对所述欺诈证明进行验证，其实现方法如下：

S6041、下载包括本次设备状态变更的区块；

S6042、判断所述区块是否正确，若是，则接受区块并写入本地区块链副本，完成多层区块链协议的拓展，否则，拒绝包含本次设备状态变更记录的区块，生成欺诈证明，并进入步骤S6043；

S6043、将所述欺诈证明发送至智能合约，并对所述欺诈证明进行验证；

S605、判断验证是否通过，若是，则将根链上的通信设备状态强制更新为缓冲区，并保存最后的合法状态，完成多层区块链协议的拓展，否则，删除对应的所有缓冲数据，完成多层区块链协议的拓展。

本实施例中，如图3所示，区域物联网区块链节点向主链中智能合约发送一个opcode为register，即操作码为“注册”，目标地址为智能合约地址的信息，智能合约在被调用后，执行注册函数，利用区块高度最高的区块头生成侧链的地址：Hash(blockHeader(n))，其中，Hash为哈希加密算法，将该地址与其父级侧链的地址返回区域物联网区块链节点，所有侧链中的节点向其父级侧链广播一条注册消息，注册消息由节点的ip地址，侧链地址，节点数量和随机数nonce组成的加密值，和公钥一起组成registerInfo＝signature(ip,address,nonce,amount),pubKey。其中，signature为侧链节点使用私钥加密的信息，pubKey为侧链节点的公钥，registerInfo为生成的注册消息，address为侧链地址，amount为节点数，父级侧链在接受到足够数量的注册信息后，将所有注册信息写入自己的状态树中，其中状态树为一颗默尔克树，索引为每个子链的地址，值为子链中所有节点的身份信息，状态树根被计入区块头实现上链，随后父级侧链向根链智能合约发送一个opcode为finishRegister，即操作码为“注册结束”，data值为侧链地址的签名信息，根链智能合约在受到父级侧链的确认信息后，将该侧链的地址写入智能合约的状态树中。

本实施例中，如图4所示，通信设备向智能合约签发一个哈希时间锁信息(hash-lock-time-lock)，随机产生一个随机数nonce，并且将随机数的哈希值添加进hash锁中：hashlock＝H(nonce)，设定时间锁为一周，智能合约执行该变更，并且将一个签名过的收据发送给侧链，收据包括通信设备信息，随机数哈希，侧链在收到收据以后同样用该哈希时间锁创建一个信息，将对应的通信设备和通信设备的设备状态记录信息写入区块中，随着侧链定期提交区块头到根链完成上链，通信设备在观察到侧链区块中自己的设备信息建立以后，广播自己的随机数nonce，智能合约在收到随机数nonce后解锁哈希时间锁，并且把通信设备信息和设备状态记录写入自己的状态树中，设备状态记录转入流程完成，如果在一周的时间锁内通信设备没有广播自己的随机数nonce，即通信设备放弃了设备状态记录转入或者没有观察到侧链中自己状态记录信息的建立，根链上的哈希时间锁会自动将通信设备的设备状态记录信息解锁，侧链上的哈希时间锁会自动失效。

本实施例中，如图5所示，通信设备签发一个输出为通信设备记录变更结果，携带了记录变更凭证的输出，并向侧链和智能合约广播，对应的侧链处理设备状态记录变更，并将变更记录在区块头中，向根链广播区块头，根链中的智能合约检查记录变更签名的正确性，并且将变更的简要记录，包括：设备状态变更过程和设备状态变更凭证，并且将该记录写入到智能合约的记录变更树，其中，智能合约的记录变更树为一棵稀疏默克尔树，通信设备在观察到侧链中已经将设备状态记录变更写入后，向侧链发布opcode为confirm的确认信息确认，变更流程完毕。

本实施例中，在侧链上运行的共识协议为实用拜占庭容错(PBFT)的改进版。

本实施例中，如果是侧链共识的第一轮，则随机选择一个提议节点，在随后的每一轮通过序列号递增的方式选定提议节点，提议节点检查自身的validValue是否为空，如果不为空，则广播validValue，如果自身的validValue为空，则打包所有的记录变更，验证设备状态记录变更凭证的合法性，形成区块，向所有备份节点广播区块。

本实施例中，如果备份节点收到的是新的提议区块，则检查自身的lockRound是否为-1，或者自己的lockValue是否和提议值相同。如果验证通过后，备份节点将执行设备状态记录变更，检查设备状态记录变更凭证的合法性，如果记录变更被验证为合法后，备份节点广播一个内容为该区块的投票信息，表示同意该区块的写入，否则，广播一个内容为空的投票信息，如果收到了一个lockRound不为-1的提议信息，并且收到至少超过三分之二总结点数的该区块的投票信息，备份节点检查该lockRound是否大于自身的锁定轮次。如果验证通过，备份节点为该锁定轮次的区块头广播一个投票信息，否则，广播一个空的投票信息表示反对。

本实施例中，当备份节点收到超过三分之二总结点个数的相同提议区块的投票信息，将当前的validValue设置为提议区块，向其他所有节点广播一个自己签名的多签确认信息，在备份节点收到超过三分之二总结点个数的该提议区块值的确认信息后，备份节点将该区块写入本地区块链。区块高度加一。将本地的lockedRound，lockedValue，validRound，validValue设置为初始值空，将区块高度设置为0。如果没有在规定时间内收到足够多的确认信息，备份节点不会将区块写入，选择将轮次round加一，然后进入新的一轮。提议节点在收到超过三分之二总结点个数的确认信息后，收集签名生成一个拥有超过三分之二总结点个数的多签签名区块头，并且生成一个bitmap用来记录有哪些备份节点对该区块头进行了签名，并且将该信息发往父级侧链的提议节点。其中，lockHeaderInfo＝multiSignature(n1,n2..n)(header),bitmap，multiSignature为多签函数。父级侧链的提议节点在收到区块头后，利用bitmap中提到的签名节点，结合父级侧链状态树中保存的侧链节点的公钥，对多签区块头的签名进行验证。父级侧链的提议节点验证通过以后，检查区块头的高度和上一次提交的区块头高度是否连续，如果连续接受该区块。

本实施例中，通信设备创建一个opcode为withdraw，即注册码为“退出”的多签信息，此多签信息的输入由通信设备，侧链节点和侧链主节点签名，该信息输出两个输出，一个输出为将通信设备拥有的在根链上的设备状态解锁，即从智能合约解锁给通信设备，第二个输出为将该通信设备的最后状态存储在智能合约的缓冲区域中，通信设备签名信息并发送给侧链；侧链节点检查现在是否有正在的处理中的退出，如果有的话，将当前退出申请挂起；如果没有正在处理中的退出，侧链检查该退出通信设备是否有未写入区块的设备状态记录变更，如果有该通信设备正在处理的设备状态记录变更，则侧链节点拒绝该通信设备的退出请求；如果该账户没有正在处理的信用记录变更，侧链节点对该退出请求签名，将该退出请求发往根链上的侧链主节点；侧链主节点检查侧链签名的合法性，如果签名合法的话，对该退出申请进行签名，并且将退出申请发送给根链上的智能合约；智能合约检查主节点和通信设备签名的合法性，如果合法，执行退出申请产生两笔输出，向侧链节点的提议节点发送一个确认信息的空信息；侧链节点将该笔退出申请写入本地区块，退出流程结束。

本实施例中，如图7所示，区域物联网区块链签名一个申请释放缓冲申请发往智能合约，智能合约将该区域物联网区块链的释放缓冲的请求写入释放缓冲队列中，更新到自己的状态树中，设定等待周期为一周，如果一周内没有任何其他节点发起欺诈验证并挑战成功，智能合约签署释放缓冲将缓冲区该通信设备的状态释放，更新状态树。

本实施例中，如图8所示，节点从区块链网络中下载需要挑战的区块的数据流，如果下载失败尝试重新下载，成功则进入下一步，节点从区块链网络中下载最后被承认的区块链信息，或者使用本地的最新的区块链副本，节点将A91中下载的区块数据流进行重建，将其进行区块重建，其中输入是下载的数据流，如果重建操作失败，则输出错误信息，程序退出，成功则输出是重建后的区块block并进入下一步，节点执行检查区块block数据结构中的中间状态根，执行len次后停止，len是计算中间状态根大小的函数，当之前区块的中间状态根的大小小于len或者区块block的某一个中间状态根同之前区块该位置的中间状态根不相等时，则进入下一步，否则验证通过，返回验证正确的信息，节点通过检查区块block中的信用记录变更获取该区块中第一笔非法的设备状态变更的中间状态，其中，输入是区块block，输出是第一笔非法设备状态变更的中间状态t，节点通过前一步的t生成t的中间状态的默克尔证明Mproof，其中，输入是t，输出是默克尔证明Mproof，节点通过默克尔证明Mproof生成块大块索引chunksIndexes；节点生成该设备状态变更记录的默克尔证明，其中，输入是chunksIndexes，chunks，concernedChunks，输出是otherMProofs，chunksIndexes为输入的设备状态变更记录的数据块索引，chunks为输入的设备状态变更记录的数据块，concernedChunks为输入的设备状态变更记录的相关数据块，输出是设备状态变更记录的默克尔证明otherMProofs，节点将所有输出打包，生成数据结构欺诈证明FraudProof。

下面以两个具体实验例对本发明做进一步描述。

(1)出块速度

本实验例中，采用基于nodejs的express框架启动服务，Node.js是一个基于Chrome V8引擎的JavaScript运行环境，而express则为基于nodejs的后端引擎框架，可用于快速搭建web服务。一个节点对应一个服务器，通过http协议进行节点间的通信，测试机器为Intel(R)i7处理器，主频为2.4GHz，内存为8GB，侧链中的容错下限为0.7，即当70％的节点数量发出precommit即预提交请求时，侧链节点同意写入区块。

通信设备记录更改被直接发往侧链中的提议节点。侧链设置为30秒向主链的智能合约提交区块头，侧链节点和30秒内处理记录更改数，以及区块头大小的对照结果如表1所示。

表1

侧链节点数量	30秒出块数	提交区块头大小
			10	7	74.2kb
15	5	53.07kb
			20	4	42.456kb

可以从结果中清晰的看出，随着侧链节点的增加，30秒中处理记录更改数有阶段的减小，但仍然显著快于比特币或以太坊等区块链的出块速度。而39秒提交的区块头大小和出块数保持着线性一致性，并且区块头容量非常小。可以有效减小区块链中的带宽通量。可见该多层区块链拓展协议可以在主链上通过小的记录更改通量达成在侧链上大量记录更改处理数量，实现区块链的扩容。

(2)安全机制

本具体实验例中，采用基于Go语言的程序进行欺诈证明的产生和验证，一个节点对应一个区域物联网区块链实例，运行在一个Go语言程序中，测试机器为Intel(R)i7处理器，主频为2.6GHz，内存为16GB，区域物联网区块链验证变更记录时，不接受任何错误，当发现设备状态变更与区块中的不一致时，区域物联网提供欺诈证明给验证程序，否则不发出任何信息。

欺诈证明被直接发往程序中的验证函数。验证函数按照接受的顺序验证欺诈证明，直到所有证明验证完毕并返回信息，打印信息。在最坏情况下，欺诈证明生成的单位时间以及一个区块包含的记录数量的对照结果如表2所示。

表2

区块中包含的记录数量	欺诈证明生成用时	验证用时
			256	1.2	24
1024	6.1	26
			32768	35	30
65535	65	30

可以从结果中清晰的看出，随着单个区块中的变更次数的增加，欺诈证明的生成时间有阶段的增长，但仍然能够维持合理的时间之内。同时，验证函数并不因为记录数量的增多而显著的增加验证时间，说明欺诈证明的验证能够在不同的大小的区块环境下发挥较好的结果。

Claims (10)

1.基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展系统，其特征在于，包括根链、若干个以树形结构搭建根链上的侧链以及分别与根链和侧链连接的通信设备；

所述侧链，用于利用智能合约的交互申请加入根链中，并利用节点运行共识协议，将产生的区块头提交至父级链节点中；

所述通信设备，用于在侧链上进行注册与运行，将根链上的通信设备信息转入至侧链中；以及用于发出退出请求，返回至根链上；

所述根链，用于根据侧链的申请，利用智能合约的交互将侧链加入至根链中；以及用于对通信设备的退出请求进行释放缓冲处理，生成欺诈证明，完成多层区块链协议的拓展。

2.根据权利要求1所述的基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展系统，其特征在于，所述侧链通过智能合约与根链连接，且所述侧链定时向其父级链提交固定时间内产生的区块头，其中，

所述智能合约包括：侧链申请加入物联网区块链系统的注册机制、通信设备在侧链中注册运行并转移设备状态记录的机制以及通信设备在侧链中的设备状态记录变更机制。

3.基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、由侧链利用申请加入根链中；

S2、利用侧链的节点运行共识协议，并定时将产生的区块头提交至父级链节点；

S3、根据侧链节点运行的共识协议以及父级链节点接受的区块头，将通信设备在侧链上进行注册与运行，并将根链上的通信设备信息转入至侧链中；

S4、根据在侧链上的注册与运行结果，上传通信设备的设备状态变更信息；

S5、根据所述通信设备的设备状态变更信息发出退出请求，将通信设备的运行状态退出侧链，并返回至根链上；

S6、通过根链进行释放缓冲处理，生成欺诈证明，完成多层区块链协议的拓展。

4.根据权利要求1所述的基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S101、利用侧链的物联网主节点向根链发送请求加入的注册信息；

S102、根据所述请求信息，将生成的第一个区块的区块头哈希值作为所述侧链的区块链地址，并将所述侧链的地址和管理该侧链的上级区块链的父级侧链地址一并发送至侧链；

S103、通过侧链的所有节点向父级侧链广播其身份信息；

S104、记录侧链的注册信息至父级侧链的状态树中，排除不合法的侧链节点信息，并将收到的侧链注册信息发送至根链中；

S105、将侧链的注册信息写入至根链的状态树中，并为该侧链建立缓存空间，实现侧链利用智能合约的交互加入根链。

5.根据权利要求1所述的基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、提议节点向所有备份节点广播当前通信设备的状态变更；

S202、判断通信设备的状态变更是否合法，若是，则向所有其他备份节点广播投票消息，并进入步骤S203，否则，终止流程；

S203、判断备份节点是否收到超过三分之二的投票消息，若是，则向备份节点广播提交消息，并进入步骤S204，否则，进入超时机制，向备份节点广播一个内容为空的提交消息，并返回步骤S201；

S204、判断备份节点是否收到超过三分之二的提交消息，若是，则将通信设备的状态变更信息构造成区块，并在全局记录中更新通信设备的状态，同时将更新的通信设备状态写入区块，并进入步骤S205，否则，进入超时机制，不更新通信设备的状态，并返回步骤S201；

S205、判断提议节点是否收到超过三个分二的提交消息，若是，则根据所述区块计算区块头，并向父级侧链广播超过三分之二个备份节点签名的多签区块头，实现侧链节点运行共识协议，并进入步骤S3，否则，进入超时机制，不像父链进行广播，并返回步骤S201。

6.根据权利要求1所述的基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S301、根据侧链节点运行的共识协议以及父级链接受的区块头，通过通信设备将根链上的通信设备记录发送至智能合约中，并指定侧链地址；

S302、通过侧链生成成功接收通信设备记录的证明，并添加至侧链区块中；

S303、根据所述签收证明签署见证信息，利用智能合约将所述见证信息、通信设备记录以及对应的公钥添加至对应侧链的状态树中，完成在侧链的注册与运行以及通信设备的信息转入。

7.根据权利要求1所述的基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

S401、根据在侧链上的注册与运行，利用通信设备生成设备状态变更的凭证，并将根据所述凭证生成相应的状态变更输出广播至区块链；

S402、根据所述广播由对应的侧链处理其对应的设备状态变更信息，并将设备状态变更信息记录至区块头内，向父级侧链广播区块头；

S403、通过智能合约确认设备状态变更信息记录的签名，并将其记录至根链的状态树中；

S404、通过通信设备确认侧链上完成设备状态变更，并签署见证申明，完成通信设备的设备状态变更信息的上传。

8.根据权利要求1所述的基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：

S501、根据所述通信设备的设备状态变更信息发出退出请求，并将所述退出请求发送至设备状态变更记录所在的侧链；

S502、检查当前通信设备的设备状态变更记录是否存在，且检查当前通信设备是否有正在处理的设备状态变更，若是，则进入步骤S503，否则，拒绝当前设备的退出请求，结束流程；

S503、由侧链向根链提交一个多签信息，并根据多签信息的输出将当前通信设备最后在该区域物联网区块链中的状态作为缓冲保存至智能合约中，并将当前通信设备在侧链上的设备状态解锁；

S504、判断所述缓冲保存和设备状态解锁操作是否合法，若是，则执行缓冲和解锁设备状态，退出侧链，返回至根链上，并进入步骤S6，否则，拒绝当前设备的退出请求，结束流程。

9.根据权利要求1所述的基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展方法，其特征在于，所述步骤S6包括以下步骤：

S601、通过区域物联网区块链签署释放缓冲的信息，并发送至根链；

S602、将所述释放缓冲信息写入区块中，并设定一周的时间锁为验证周期；

S603、在所述验证周期内利用所有其他节点对该退出设备的状态变更记录进行认证；

S604、根据认证结果，由其他节点利用设备状态变更记录和区块数据生成欺诈证明，并向智能合约发送欺诈证明，并对所述欺诈证明进行验证；

S605、判断验证是否通过，若是，则将根链上的通信设备状态强制更新为缓冲区，并保存最后的合法状态，完成多层区块链协议的拓展，否则，删除对应的所有缓冲数据，完成多层区块链协议的拓展。

10.根据权利要求1所述的基于面向通信设备体系的多层区块链协议拓展方法，其特征在于，所述步骤S604包括以下步骤：

S6041、下载包括本次设备状态变更的区块；

S6042、判断所述区块是否正确，若是，则接受区块并写入本地区块链副本，完成多层区块链协议的拓展，否则，拒绝包含本次设备状态变更记录的区块，生成欺诈证明，并进入步骤S6043；

S6043、将所述欺诈证明发送至智能合约，并对所述欺诈证明进行验证。

Images