CN112418860A - 一种基于跨链技术的区块链高效管理架构及工作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于跨链技术的区块链高效管理架构及工作方法，具体涉及区块链技术领域。具体实现方案为：使用智能合约与跨链桥技术提高区块链的互操作性，实现多种主流链之间进行原子性资产交易，降低交易手续费；根据端到端双向支付通道连接的闪电网络技术，仅部署初始交易与结算交易记录上链，简化原子交换过程，提高区块链可扩展性；使用可插拔可替换的共识算法，根据当前实际应用场景需求，提供不同特性的共识算法，以提高系统整体运行效率；根据星际文件系统的分布式存储网络，链外可存储海量、多类型数据；根据交易分片技术将区块链交易数据进行分割，分配到不同的节点群组中进行并行数据处理，以提高区块链交易完成效率。

Description

一种基于跨链技术的区块链高效管理架构及工作方法

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，具体为一种基于跨链技术的区块链高效管理架构及工作方法。

背景技术

区块链技术是一种由系统中多方角色共同负责维护记录，使用多种密码学技术保障数据传输和访问安全，交易信息以区块形式存储并按照时间戳顺序排序的分布式链式数据库。其最初是应用于比特币系统的一种分布式账本技术，有效地解决了分布式系统中的数据存储问题。区块链技术中的公开透明、共识机制、不可篡改有效解决了交易信息安全问题，密码学技术和智能合约解决了数据隐私问题。

然而，根据布鲁尔定理，区块链牺牲系统效率以满足分布式系统一致性和安全性，使得区块链在高并发的用户和交易场景下系统事务处理压力较大。比特币网络每秒仅能处理7笔交易，同时需要支付额外交易费用，并等待6个新区块的生成才能保障交易的有效性。而主流的集中式支付提供商如Visa，在高并发场景下每秒可以处理40000笔交易。区块链高安全、低效率的特性无法满足爆炸式增长的交易需求，在保证区块链高安全性的情况下，实现对交易事务的高效处理是推动区块链深入发展的关键性问题。

此外，区块链的研究和开发领域分化严重，新兴区块链通常拥有更多的功能性与技术支持，但用户基数较小，更易出现安全漏洞；主流区块链具有更加成熟、低风险的体系结构，但技术更新迭代缓慢。因此，为不同区块链技术之间提供桥梁，为用户个性化需求提供多种互通的区块链服务具有重要意义。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明提出一种基于跨链技术的区块链高效管理架构及工作方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于跨链技术的区块链高效管理架构，包括数据接入层、中继节点群组和模块化形式提供的区块链底层架构。

进一步地，数据接入层为各区块链间进行数据交互提供服务接口，实时监听并采集各区块链的区块状态与交易数据，接收各区块链发送的跨链交易申请，并按照时间戳顺序排序，建立跨链请求列表，根据列表顺序依次将跨链请求广播到中继链中处理。

进一步地，中继节点群组基于智能合约构建一种加密货币交换方案，用于建立双向支付通道与路由支付通道。通过编写哈希锁定合约和时间锁定合约，将交易双方的指定数量资产限时锁定，在有限的锁定时间内由交易接收方提供正确的散列值作为交易达成条件，允许用户基于跨链桥在不同种类的加密货币之间进行跨链交易。中继节点群组会根据当前各区块链交易手续费用，选择成本最小化方式完成原子性跨链资产交易。

进一步地，所述底层基础架构包括，

混合存储，数据采用明文与加密方式混合存储，区块链提供公开透明的交易往来记录，并保护交易双方详细交易信息的数据隐私安全，同时减少区块链网络的事务处理压力；

智能合约，在无需可信第三方的情况下提供一种数字化方式定义的计算机协议，事务的执行与状态的改变不会对智能合约的内容进行修改，只根据写入其中的出发条件作为判断机制，当写入条件被触发时，将自动执行符合该条件的合约动作；

分片技术，系统将交易池中新存储的交易信息分割为多个部分，分别分配到不同的节点群组中进行并行数据处理，降低区块链网络对各节点的通信、计算和存储能力的要求，提高区块链系统的交易效率与吞吐量性能；

跨链桥，设置中继节点群组作为跨链交易的网关账户，基于环签名技术与哈希锁定对跨链交易信息进行可信的管理、验证与转发；

P2P网络，在去中心化的区块链网络架构中，分布式地部署着多台服务器，所有部署到区块链中的交易信息都会被存储到每个服务器帐本中，攻击者对于少量节点服务器的数据篡改不会被整个区块链系统承认，从而使入侵无效化；

通用认证，基于非对称加密算法赋予各用户唯一的密钥对，密钥对可用于加密信息及认证区块链网络中用户身份的真实性与可信性，使得用户对历史操作及交易记录不可抵赖，密钥对在使用相同密码学算法的区块链中具有通用可认证性；

数据溯源，区块链是由包含交易信息的区块从后向前有序链接的数据结构，每个区块的区块头包含其父区块哈希值，基于这一结构可追溯区块链网络中的所有交易信息；

闪电网络，仅存储打开和关闭双向支付通道的首末两次交易上链，中间交易过程遵循散列时间锁合约规则，以信任最小化方式进行，提高交易执行效率并保留区块链的安全性；

IPFS，星际文件系统，一种永久的、去中心化存储和共享文件的网络传输协议，通过文件内容生成独立且唯一的哈希值，支持基于文件内容寻址，可为区块链提供海量链下存储空间；

混合共识，提供如工作量证明(POW)、授权股权证明(DPOS)、权威证明(POA)、实用拜占庭容错(PBFT)等主流共识算法，针对不同应用场景需求为区块链节点配置相应特性的共识算法；

零知识证明，证明者在不泄露任何交易信息数据的前提下使得验证者相信某件事的真实性，保护隐私安全的同时并具有极小的证明体积，验证成本低；

环签名，一种无需可信中心和群建立过程的特殊群签名，验证者可验证数字签名来源环，但无法确定具体签名者，对于验证者具有完全匿名性；

进一步地，本发明提出的一种基于跨链技术的区块链高效管理架构的工作方法为：基于闪电网络技术的双向交易方法，用户可通过与其他参与方建立支付通道，并请求其他参与方与目标用户建立支付通道，间接与目标用户进行双向交易；基于区块链交易分片方法，将区块链最新区块数据分割，分配到各节点群组进行并行计算处理，主链最终收集各分配数据的散列摘要组合生成新区块，并同步发送至存有完整区块链账本的全节点群组中。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

(1)本发明提供区块链在跨链需求下可行的架构方案，允许用户基于跨链桥技术进行原子性资产交易，支持可插拔可替换的共识算法，有效提高区块链的可扩展性、互操作性和灵活性；

(2)设计基于闪电网络的多参与方双向交易方法，通过打开多个支付通道建立交易发起方与目标交易方的间接交易通道，仅记录各通道中的首尾交易信息上链，有效减少区块链系统的交易事务处理压力，降低手续费，无需信任任何中间人，增加交易安全性；

(3)设计基于交易分片技术的区块链高效管理方法，设置交易池中存储一定数量的新生成交易后，将所有交易分割成更小、更易处理的交易分片，并发送到按照随机方式划分的节点群组中，从而每个节点群组只需要运行一个小范围共识协议，多个交易分片同时得到处理和验证，使得网络节点进行的冗余计算量大大减少，节约计算时间和网络资源，提高区块链系统的事务处理效率与交易吞吐量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式描述中所需使用的附图进行简单介绍，其中：

图1是本发明基于跨链技术的区块链高效管理架构图；

图2是本发明基于闪电网络的多参与方双向交易方法流程图；

图3是本发明基于交易分片技术的区块链高效管理方法原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点能够更加清楚、完整地描述，结合以下附图及实施例，对本发明作进一步阐述。基于本发明中的实施例，此处的描述仅用于解释本发明，并不限定本发明。本领域其他技术人员在没有做出创造性劳动贡献的情况下所使用的其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于跨链技术的区块链高效管理架构主要由数据接入层、中继节点群组和底层基础架构构成。

具体地，数据接入层实时监听如比特币(Bitcoin)、以太坊(Ethereum)和其他替代币(Altcoin)执行的交易信息，并为有跨链需求的交易申请制定统一的通信协议。当数据接入层监听到各区块链中基于制定通信协议格式的交易时，按照接受交易的时间序列将跨链交易请求发送到中继链中，等待中继节点群组接收跨链交易数据。

中继群组基于P2P网络结构组成，中继节点群组中靠近数据接入层的节点负责接收跨链交易请求。不同于传统信息传输协议，不同区块链间的数据同步需要保证两个账本的信息变动是一致的，否则会导致双重支付或价值丢失。交易发起方利用哈希时间锁定机制实现跨链交易，具体操作步骤如下：

交易发起方生成一个密钥R，然后计算密钥R的哈希散列值H(R)，该散列值具有高强度的抗碰撞性，逆向计算难度值极大，同时具有输入敏感性。当原始输入数据产生任意变化都会无规则地改变散列值结果，因此可以从根本上保证，得到相同散列值的输入值仅可能为密钥R。交易发起方基于散列值H(R)设置时间锁模块，在时间锁限制时间内，交易发起方的待跨链交易资产将被冻结锁定至网关账户。以上逻辑操作基于散列时间锁智能合约自动化实现，同时发送散列值H(R)，等待与跨链交易请求一起被目标用户接收。

接收到跨链请求的中继节点将数据广播到其他中继节点，中继节点群组接收到信息后锁定网关账户并验证，经大多数节点一致验证通过后，网关账户会在中继链上为交易发起方解锁等值数字资产。同时中继节点向目标用户所在区块链转发散列值H(R)及跨链交易请求。

接收到散列值H(R)及跨链交易请求的目标用户，在其所在区块链网络中部署智能合约，并向合约中存储等价值的加密货币资产。目标用户部署的智能合约要求交易发起方在时间锁限定时间内提供密钥R，即可提出智能合约中的等值加密货币至网关账户中并转发给交易发起方。

交易发起方在时间锁限定时间内，向目标用户智能合约提供密钥R，智能合约自动解锁目标用户的锁定资产并转发至网关账户。同时，目标用户即可获取到密钥R，并解锁交易发起方的锁定资产，同样转发至网关账户中。

网关账户接收到双向解锁完成消息，同步向交易发起方和目标用户发送对方提供的锁定资产，完成原子性的跨链资产交易。

底层基础架构为本发明提供了技术支持与功能实现，具体包括：

混合存储，区块链作为金融领域的成熟应用技术，需要公开透明地为用户提供永久可查询的交易相关信息，如交易发起方、交易接收方、交易所在区块、时间戳和交易数额等。但对于交易双方真实身份、交易输入与输出等隐私信息，基于密码学算法进行加密处理，以保证用户隐私数据的安全性。

智能合约，为各区块链提供散列时间锁合约功能，以自动化实现哈希锁定和时间锁定功能，自主完成跨链交易。

分片技术，比特币网络仅可完成每秒7次交易处理，以太坊仅可完成每秒15次交易处理，涉及格式转换的跨链交易则具有更为低下的交易吞吐量。为提高区块链性能，增加事务处理能力，分割区块数据进行并行处理。

跨链桥，制定中继链协议，为中继节点群组提供中继链作为可信第三方机构，设置网关账户用于管理跨链资产交易。

P2P网络，中继节点群组的跨链数据同步、区块链数据的分布式存储均依赖于P2P网络拓扑结构，当网络中少量服务器宕机时，整个系统仍可以正常运行。

通用认证，在不同区块链中使用相同的非对称加密算法用以验证用户身份，在进行跨链交易过程中可以快速检索到目标用户身份。

数据溯源，将数据溯源信息保存到不同的数据库中，形成携带溯源信息的异构数据库。通过数据库接口以及数据转换工具汇聚成目标数据库，该过程的逆过程所经历的路径可实现数据追踪、信息评估、过程重现等溯源操作。

闪电网络，建立端到端由双向支付通道连接的可路由网络，允许任何参与者将支付从一通道发送到另一个通道，而不需要信任任何中间人。

IPFS，星际文件系统，分布式永久存储的文件系统弥补了区块链系统无法存储大量或多样类型数据的缺陷。通过将文件存储到IPFS中得到回执哈希值，再将哈希值存储上链的方式实现区块链链上与链下存储结合。

混合共识，在各节点计算资源充足且环境公开的情况下，选择工作量证明(POW)共识算法；在面向出块效率需求较高的情况下，选择委托权益证明(DPOS)或权威证明(POA)共识算法；在无法保障节点可信环境下，选择实用拜占庭容错算法(PBFT)。

零知识证明，理论上可以在不暴露任何隐私的情况下向其他所有人证明某件事，并且生成的证明体积很小，校验成本很低，与需要证明的内容计算量无关。

环签名，签名者可以使用自己的私钥和环中其他成员的公钥进行签名，不需要征得其他成员的同意，验证者通过特定的方式检查签名，且仅可验证签名来自此环，无法确定具体签名者。

如图2所示，作为基于闪电网络的多参与方双向交易方法的实施例，其中五个参与者均互相开设支付通道。A用户与E用户未开通支付通道，当A用户向E用户发起支付请求时，具体步骤如下：

A正在运行闪电网络(LN)节点，并基于P2P网络结构具有连接到E的LN节点的能力。E使用随机数生成器创建密钥R，并进行散列处理，得到对应哈希值H(R)后将其发送到A。

A构建一个散列时间锁合约(HTLC)，散列锁为H(R)的输入，时间锁设定为生成10个区块的时间，并锁定1.3个Token资产。A将此HTLC提供给B，当B获取到密钥R时，A即将1.3个锁定Token支付给B，或超出10个区块时间后，锁定资产自动退还给A。

同样的，B和C之间构建一笔HTLC合约，B在该支付通道中锁定1.2个Token资产。如果C在9个区块时间内获取到密钥R即可获取到B锁定的资产。

C和D之间构建一笔8个区块时间限制的HTLC合约，锁定了C1.1个Token资产。D和E之间则构建一笔7个区块时间、锁定D1.0个Token资产的HTLC合约。

而E拥有密钥R，在区块限制时间内将R发送到DE间的HTLC合约中，即可获取D的1.0个Token资产。通过路由回传，密钥R允许每个参与者获取未完成的HTLC。当所有的HTLC合约回传完成时，A成功支付给E1个Token资产，而其他参与者均获得了0.1个Token作为参与回报。支付路线中的中间方无需互相信任，如果交易一方尝试破坏交易，则会导致通道关闭或付款失败，在时间锁限制结束后即可完成退款，保障交易资产不会被恶意窃取。

如图3所示，基于交易分片技术的区块链高效管理方法主要由节点群组、区块链账本和全节点群组构成。

具体地，节点根据分片数量分为多个节点群组负责并行处理各分片的交易数据。分片数量越多，区块链系统的数据并发处理能力越强，但节点群组中的节点数也越少，节点遭受50％攻击的潜在威胁性也越大。为保障整体网络安全性，构建可验证随机函数(VFR)，利用随机性方式，随机抽取节点形成分片，以减少恶意节点过度填充单个分片的情况。

最后应说明的是：以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本领域的技术人员，可对前述实施例所描述的技术方案进行简易修改或部分技术特征进行替换，这些修改或替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于跨链技术的区块链高效管理架构及工作方法，其特性在于：数据接入层、中继节点群组和以模块化形式提供的区块链底层架构。

2.根据权利要求1所述的一种基于跨链技术的区块链高效管理架构及工作方法，其特征在于：所述数据接入层，为各区块链之间进行数据交互提供服务接口，实时监听并采集各个区块链的区块与交易状态，接收各区块链中提出的跨链交易申请请求，以时间戳顺序创建请求排序列表，根据排序列表将请求依次广播到中继节点群组中。

3.根据权利要求1所述的一种基于跨链技术的区块链高效管理架构及工作方法，其特征在于：所述中继节点群组基于智能合约实现一种加密货币交换方案，用于建立双向支付通道与路由支付通道。建立哈希锁定合约与时间锁定合约，将交易双方进行资产锁定，在有限的时间内由交易接收方提供正确的散列值以满足交易条件，允许用户通过不同的账户在不同种类的加密货币之间进行交易。中继节点群组会根据当前各区块链交易手续费用进行衡量，在打包成本最小化的区块链上完成跨链的原子性资产交易。

4.根据权利要求1所述的一种基于跨链技术的区块链高效管理架构及工作方法，其特征在于：所述底层基础架构包括，

混合存储，明文与散列存储方式混合使用，提供公开透明的交易往来记录，并保护交易双方详细交易信息的隐私安全，同时减少区块链网络事务处理压力；

智能合约，在无需可信第三方的情况下提供一种数字化方式定义的计算机协议，可完全自动化执行协议制定的规则，用以进行可信交易；

分片技术，将区块交易数据分割成多个碎片，分配到不同的节点群组中进行并行处理，降低对各节点的通信、计算和存储能力需求，提高区块链系统交易效率与吞吐量性能；

跨链桥，提供中继节点构建用于跨链信息中转的中继链，中继节点基于中继链协议设置网关账户进行跨链交易的管理与验证，并基于环签名技术与哈希锁定技术保证资产交易的可信性与原子性；

P2P网络，在去中心化的区块链网络架构中，分布式地部署着多台服务器，所有部署到区块链中的交易信息都会被存储到每个服务器帐本中，攻击者对于少量节点服务器的数据篡改不会被整个区块链系统承认，从而使入侵无效化；

通用认证，基于哈希算法和非对称加密算法赋予各用户密钥对，密钥对可用于加密信息及认证区块链网络中某特定用户的唯一性与真实性，对于使用相同密码学算法的区块链可通用认证；

数据溯源，根据记录的溯源数据追踪数据的源头及产生过程，基于区块链的链式区块结构可实现上链数据的不可篡改、永久记录，历史交易信息可溯源查询；

闪电网络，交易过程可以在链下以信任最小化方式进行，在一个双向支付通道中可以进行多次交易，仅存储开通和关闭通道的两次交易上链，舍去中间交易验证时间，实现实时交易确认并保留基础区块链的安全性；

IPFS，星际文件系统，是一种永久的、去中心化存储和共享文件的网络传输协议，通过文件内容生成独立且唯一的哈希值，支持基于文件内容寻址，可为区块链提供海量链下存储空间；

混合共识，提供如工作量证明(POW)、授权股权证明(DPOS)、权威证明(POA)、实用拜占庭容错(PBFT)等主流共识算法，针对不同应用场景需求为区块链节点配置相应特性的共识算法；

零知识证明，证明者在不泄露任何交易信息数据的前提下使得验证者相信某件事的真实性，保护隐私安全的同时并具有极小的证明体积，验证成本低；

环签名，一种无需可信中心和群建立过程的特殊群签名，验证者可验证数字签名来源环，但无法确定具体签名者，对于验证者具有完全匿名性。

5.根据权利1所述的一种基于跨链技术的区块链高效管理架构及工作方法，其特征在于：所述基于闪电网络技术的双向交易方法，用户可通过与其他参与方建立支付通道，并请求其他参与方与目标用户建立支付通道，间接与目标用户进行双向交易。

6.根据权利1所述的一种基于跨链技术的区块链高效管理架构及工作方法，其特征在于：所述区块链交易分片方法，将区块链最新区块数据分割，分配到各节点群组进行并行计算处理，主链最终收集各分配数据的散列摘要组合生成新区块，并同步发送至存有完整区块链账本的全节点群组中。

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