CN112507393B - 一种保障区块链跨链事务一致性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种保障区块链跨链事务一致性的方法，通过区块链本身的代理节点进行跨链操作，通过注册管理实现去中心化的跨链方案，相比于中继链或者公证人方式具有实质性区别，更符合区块链去中心化管理的需求；为了保证跨链事务一致性，本发明设计了跨链事务锁方案，包括事务锁定和事务提交回滚等流程，结合哈希时间锁实现了分布事务机制；结合智能合约实现事务锁定功能，在实现跨链交易接口的时候，将事务锁定能力作为底层能力进行封装，用户在进行跨链操作的时候不需要手动处理事务控制合约，提升易用性及稳定性，降低出错概率。本发明还提出了数据完整性与存在性设计。
Description
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，特别涉及一种保障区块链跨链事务一致性的方法。
背景技术
随着区块链的发展，不同区块链之间的价值交换和操作的需求日益强烈。跨区块链之间的价值交换，必须基于等价的价值交换，无损害为前提条件。因此跨区块链操作需要解决：
1、避免价值互换操作中心化，防止蓄意的伪造和篡改。
2、避免价值资产损失，用户跨区块链之间交换价值，用户在一个链上转移价值资产，目的是在另外一个链上得到对等价值的资产，当在后面这个区块链上操作没有成功，需要将前区块链的操作回滚，将原资产归还给用户，否则用户将面临价值资产损失。
区块链通过共识机制保证了节点之间的一致性，针对单链内部的事务，共识算法能够保证其状态是确定的，所有的交易执行结果在所有集群中均是一致的。但是在跨链交互当中，一方面，链间状态并没有相互同步，如果链内部采用的共识协议不同的话，节点内部共识状态也无法作为事务提交的标志。但是跨链交互又需要获取链之间的交易和状态数据，那么跨链交互过程当中的事务保证则成为了一个重要的技术挑战点。
发明内容
本发明针对以上需求，提出了一种保障区块链跨链事务一致性的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种保障区块链跨链事务一致性的方法，该方法包括：
每个跨链组织具有至少一个跨链代理节点，每个代理节点能够与该跨链组织中的任意节点连接；各个跨链组织之间通过网络通信交互；
基于事务锁定和事务提交回滚保证事务一致性，任意两个跨链组织的跨链事务交互过程如下：
源链通过其代理节点向目的链发起跨链交易；在源链的代理节点和目的链的代理节点执行以下操作：
源链的代理节点生成跨链交易证明和跨链交易摘要签名，锁定事务α，向目的链的代理节点发起跨链事务请求；
目的链的代理节点收到跨链事务请求后，验证锁定的事务α，如果验证通过则锁定事务β，生成事务β锁定证明，并将事务β锁定证明发送给源链的代理节点；
源链的代理节点接收并验证事务β锁定证明，如果验证通过则向目的链发起跨链交易请求，所述跨链交易请求中包括跨链交易证明和跨链交易摘要签名；
目的链的代理节点接收跨链交易请求，并验证跨链交易证明和跨链交易摘要签名，如果验证通过则解锁事务β，提交跨链事务，并向源链的代理节点返回提交跨链事务凭证；
源链的代理节点接收并验证提交跨链事务凭证，如果验证通过则解锁事务α，实现事务α和事务β的一致性操作；
在验证过程中，目的链的代理节点在门限时间内验证事务β是否解锁，如果已解锁则跨链交易已执行；否则回滚跨链事务，释放事务β；源链的代理节点在门限时间内验证事务α是否解锁，如果已解锁则跨链交易已执行；否则回滚跨链事务，释放事务α。
进一步地，各个跨链组织之间通过跨链网络通信模块Crosshub进行通信，将不同跨链组织进行标准跨链通信消息的统一封装，能够兼容不同架构的区块链平台。
进一步地，所述跨链代理节点主要负责跨链的注册、签名、跨链交易路由、验签、验证存在性、保证事务一致性。
进一步地，所述跨链代理节点上设有证书管理模块，证书管理模块生成跨链通信的公私钥对和跨链根证书，然后把公钥给需要通信的目的链，目的链进行审核授权后，用自己的根证书为源链签发跨链证书；获得目的链的授权证书后，进行注册，注册内容包含身份信息、权限信息、签名策略、验证规则，通过注册管理机制实现跨链权限管控、交易路由、合法性验证，实现去中心化的跨链方案。
进一步地，跨链事务交互过程均在内置智能合约里实现，保证操作的原子性。
进一步地，事务锁定和回滚的具体如下：
源链生成随机内容s，计算哈希值H＝Hash(s)，并将随机内容s的哈希值H和门限时间T0发送到目的链；
源链用哈希值H和门限时间T0锁定事务α；
目的链收到随机内容s的哈希值H，并用门限时间T1和H锁定事务β，其中T1<T0；
目的链发送事务β锁定证明和门限时间T1到源链；
源链发送H的原始内容s到目的链，目的链如果在门限时间T1内收到s，则解锁事务β，源链获取事务β锁定的信息，否则进行事务回滚；
目的链发送H的原始内容s到源链，源链如果在门限时间T0内收到s，则解锁事务α，目的链获取事务α锁定的信息，否则进行事务回滚。
进一步地，在进行跨链事务的时候，结合智能合约实现事务锁定功能，在实现跨链交易接口的时候，将事务锁定能力作为底层能力进行封装。
进一步地，跨链过程中，通过数字签名的方式保障数据的完整性，在跨链交易发起的时候，交易发起用户为交易提供一个交易完整性证明，证明该交易是由用户发起的，同时在跨链交易进入另一个链平台的时候，需要将交易数据和证明信息一同发送，确保交易过程的真实可信。
进一步地，跨链数据完整性保障具体通过跨链交易摘要签名实现：
源链代理节点生成跨链交易摘要，用源链代理节点私钥去签名跨链交易摘要，将跨链交易摘要签名作为跨链交易的内容，发送到目的链代理节点；
目的链代理节点用源链代理节点公钥验证跨链交易摘要签名，验证通过则执行后续流程，否则不能解锁事务。
进一步地，跨链交易的存在性证明由默克尔证明来实现，将源链生成的跨链交易证明构造为默克尔树结构，目的链接收源链发送的跨链交易证明后，通过默克尔证明方法来验证跨链交易的存在性。
本发明的有益效果是：本发明通过区块链本身的代理节点进行跨链操作，通过注册管理实现去中心化的跨链方案，相比于中继链或者公证人方式具有实质性区别，更符合区块链去中心化管理的需求。为了保证跨链事务一致性，本发明设计了跨链事务锁方案，包括事务锁定和事务提交回滚等流程，结合哈希时间锁实现了分布事务机制；结合智能合约实现事务锁定功能，在实现跨链交易接口的时候，将事务锁定能力作为底层能力进行封装，用户在进行跨链操作的时候不需要手动处理事务控制合约，提升易用性，由系统对跨链交易事务进行控制，降低出错概率，提升稳定性。本发明还提出了数据完整性与存在性设计。
附图说明
图1是本发明实施例提供的整体跨链架构示意图；
图2是本发明实施例提供的跨链事务交互流程图；
图3是本发明实施例提供的事务锁定和回滚流程图；
图4是本发明实施例提供的默克尔树结构图；
图5是本发明实施例提供的数据存在性和完整性验证的交互流程图。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
传统的分布式事务如多个关系型数据库的事务中，多个数据库会选取一个共同可信的中心协调者，来协调多个数据库的事务操作。协调者向多个参与事务的数据库发送操作步骤，并监视和管理这些操作的执行状态，一旦出现异常，中心协调者会回滚整个事务，还原系统状态。然而，跨链场景中的多个区块链平台的地位是对等的，难以选出一个中心化的协调者，无法按照传统的方式实现分布式事务。
现在流行的跨链方案是采用中继链或者公证人的方式来充当中心协调者，中继链虽然是多个节点的形式，但是对于多个区块链之间的操作来讲，实际上还是中心化的操作。
本发明通过区块链本身的代理节点进行跨链操作，整体跨链架构如图1所示。每个跨链组织具有至少一个跨链代理节点crossagent，每个跨链代理节点crossagent能够与该跨链组织中的任意节点连接；各个跨链组织之间通过网络通信交互。
图1中，Crosshub为跨链网络通信模块，用于区块链跨链间网络通信，将不同跨链组织进行标准跨链通信消息的统一封装，能够兼容不同架构的区块链平台。
跨链代理节点crossagent与该跨链组织中的任意节点连接，通信采用TLS加密方式；crossagent主要负责跨链的注册、签名、跨链交易路由、验签、验证存在性、保证事务一致性等，具体实现方式为：在跨链代理节点crossagent上设有证书管理模块，证书管理模块会生成跨链通信的公私钥对和跨链根证书，然后把公钥给需要通信的目的链，目的链进行审核授权后，用自己的根证书为源链签发跨链证书。这样采用密码学方式保证了跨链通信过程中的身份验证，保证安全性。获得目的链的授权证书后，进行注册，注册内容主要包含身份信息、权限信息、签名策略、验证规则，通过注册管理机制实现跨链权限管控、交易路由、合法性验证等，实现了去中心化的跨链方案。
本发明通过注册管理实现去中心化的跨链方案，相比于中继链或者公证人方式具有实质性区别，更符合区块链去中心化管理的需求。
为了保证跨链事务一致性，本发明设计了跨链事务锁方案，跨链事务交互流程均在内置智能合约里实现，保证了操作的原子性。图2为本发明实施例提供的跨链事务交互流程图，任意两个跨链组织的交易流程如下：
一、源链A通过其代理节点向目的链B发起跨链交易；
二、在源链A的代理节点和目的链B的代理节点执行以下操作：
1、源链A的代理节点生成跨链交易证明和跨链交易摘要签名，锁定事务α，向目的链B的代理节点发起跨链事务请求；
2、目的链B的代理节点收到跨链事务请求后，验证锁定的事务α，如果验证通过则锁定事务β，生成事务β锁定证明，并将事务β锁定证明发送给源链A的代理节点；
3、源链A的代理节点接收并验证事务β锁定证明，如果验证通过则向目的链B发起跨链交易请求，所述跨链交易请求中包括跨链交易证明和跨链交易摘要签名；
4、目的链B的代理节点接收跨链交易请求，并验证跨链交易证明和跨链交易摘要签名，如果验证通过则解锁事务β，提交跨链事务，并向源链A的代理节点返回提交跨链事务凭证；
5、源链A的代理节点接收并验证提交跨链事务凭证，如果验证通过则解锁事务α，实现事务α和事务β的一致性操作。
在验证过程中：
目的链B的代理节点在门限时间内验证事务β是否解锁，如果已解锁则跨链交易已执行；否则回滚跨链事务，释放事务β；
源链A的代理节点在门限时间内验证事务α是否解锁，如果已解锁则跨链交易已执行；否则回滚跨链事务，释放事务α；
通过事务锁定和交互，保证事务α和事务β同时解锁或者同时未解锁。
在一个实施例中，如图3所示，事务锁定和回滚的具体流程如下(均在代理节点上执行)：
1、源链A生成随机内容s，计算哈希值H＝Hash(s)，并将随机内容s的哈希值H和门限时间T0发送到目的链B；
2、源链A用哈希值H和门限时间T0锁定事务α，α锁定的可以是跨链交互相关的价值资产信息；
3、目的链B收到随机内容s的哈希值H，并用门限时间T1(T1<T0)和H锁定事务β，事务β锁定的可以是跨链交互相关的价值资产信息；
4、目的链B发送事务β锁定证明和门限时间T1到源链A；
5、源链A发送H的原始内容s到目的链B，目的链B如果在门限时间T1内收到s，则解锁事务β，源链A获取事务β锁定的价值资产，否则进行事务回滚；
6、目的链B发送H的原始内容s(s由步骤5中的源链A发来)到源链A，如果源链A在门限时间T0内收到s，则解锁事务α，目的链B获取事务α锁定的价值资产，否则进行事务回滚。
本发明通过哈希值实现事务锁定和回滚，利用哈希计算的特点，正向计算(由s计算H)较简单，但是逆向计算(由H计算s)很难实现，可以有效防止攻击。
在进行跨链事务的时候，需要结合智能合约实现事务锁定功能，在实现跨链交易接口的时候，将事务锁定能力作为底层能力进行封装，用户在进行跨链操作的时候不需要手动处理事务控制合约，提升易用性，由系统对跨链交易事务进行控制，降低出错概率，提升稳定性。
本实施例中保证跨链事务一致性的方法，包括事务锁定和事务提交回滚等流程，结合哈希时间锁实现了分布事务机制，通过哈希锁定的方式开始跨链事务，源链A和目的链B都必须在门限时间内完成事务提交，如果超过门限时间，由于事务检查机制的要求，事务将会自动回滚。
本发明还提出了数据完整性与存在性设计。
跨链交互将会突破原有的区块链的安全边界，数据完整性和存在性在跨链交互过程当中成为了重要的挑战。在单链体系内部，数据的完整性和存在性通过特定的共识算法保证，收到达到数量要求的一致性投票之后将会接受数据，因为数据是经过多数共识的，所以存在性也是天然保障的，但是在跨链交互过程当中，交互的两条链之间没有参与对方的共识过程，在实际部署运行过程当中，发起跨链操作的往往也只是单链中的某一个或者是多个节点，跨链交互过程，链间各自独立获取交互目标链数据，因此需要一种机制能够证明数据的完整性和存在性。
一、针对跨链数据完整性保障的具体方案如下：
跨链过程中，数据的完整性通过数字签名的方式进行保障，在跨链交易发起的时候，交易发起用户将会为交易提供一个交易完整性证明，证明该交易是由用户发起的，同时在跨链交易通过crosshub进入另一个链平台的时候，需要将交易数据和证明信息一同发送，确保交易过程的真实可信。具体通过跨链交易摘要签名实现：
源链A代理节点crossagent生成跨链交易摘要，用源链A代理节点私钥去签名跨链交易摘要，将跨链交易摘要签名作为跨链交易的内容，发送到目的链B代理节点crossagent。
目的链B代理节点crossagent用源链A代理节点公钥验证跨链交易摘要签名，验证通过则执行后续流程，否则不能解锁事务β。
二、针对跨链数据存在性保障的具体方案如下：
参与跨链的双方通常没有条件和权限去存储另一方的全量区块链数据，要在不存储所有区块的情况下验证某个区块是否包含了特定的交易，需要借助一种特殊的数据结构：默克尔树。
本发明中，跨链交易的存在性证明是由默克尔证明来实现的。将源链A生成的跨链交易证明构造为默克尔树结构，目的链B接收源链A发送的跨链交易证明后，通过默克尔证明方法来验证跨链交易的存在性。
默克尔树的结构如图4所示，每个非叶子节点通过其子节点的哈希值来进行标注，树的根节点叫作默克尔根(merkle root)。图4所示是某区块X的默克尔树结构，如果要验证交易Tx_D是否在该区块中，无需获取整个区块，只需要提供交易Tx_D，H_AB，H_C以及merkleroot即可。具体过程如下：
1.根据交易Tx_D计算哈希，得到H_D；
2.根据H_C和H_D计算哈希，得到H_CD；
3.根据H_AB和H_CD计算哈希，得到H_ABCD；
4.对比H_ABCD和merkle root，如果相同，则证明区块中存在交易Tx_D，否则说明不存在。
上述验证的过程被称为默克尔证明，证明信息是指验证过程中用到的初始哈希值，即H_AB、H_C、merkle root和Tx_D，默克尔证明是一种经典技术，用于证明交易存在于区块链的某个区块中。
图5为数据存在性和完整性验证的交互流程。
在一个实施例中，提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机可读指令，计算机可读指令被处理器执行时，使得处理器执行上述各实施例中保障区块链跨链事务一致性的方法中的步骤。
在一个实施例中，提出了一种存储有计算机可读指令的存储介质，计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行上述各实施例中保障区块链跨链事务一致性的方法中的步骤。其中，存储介质可以为非易失性存储介质。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种保障区块链跨链事务一致性的方法，其特征在于，该方法包括：
每个跨链组织具有至少一个跨链代理节点，每个代理节点能够与该跨链组织中的任意节点连接；各个跨链组织之间通过网络通信交互；
基于事务锁定和事务提交回滚保证事务一致性，任意两个跨链组织的跨链事务交互过程如下：
源链通过其代理节点向目的链发起跨链交易；在源链的代理节点和目的链的代理节点执行以下操作：
源链的代理节点生成跨链交易证明和跨链交易摘要签名，锁定事务α，向目的链的代理节点发起跨链事务请求；
目的链的代理节点收到跨链事务请求后，验证锁定的事务α，如果验证通过则锁定事务β，生成事务β锁定证明，并将事务β锁定证明发送给源链的代理节点；
源链的代理节点接收并验证事务β锁定证明，如果验证通过则向目的链发起跨链交易请求，所述跨链交易请求中包括跨链交易证明和跨链交易摘要签名；
目的链的代理节点接收跨链交易请求，并验证跨链交易证明和跨链交易摘要签名，如果验证通过则解锁事务β，提交跨链事务，并向源链的代理节点返回提交跨链事务凭证；
源链的代理节点接收并验证提交跨链事务凭证，如果验证通过则解锁事务α，实现事务α和事务β的一致性操作；
在验证过程中，目的链的代理节点在门限时间内验证事务β是否解锁，如果已解锁则跨链交易已执行；否则回滚跨链事务，释放事务β；源链的代理节点在门限时间内验证事务α是否解锁，如果已解锁则跨链交易已执行；否则回滚跨链事务，释放事务α；
所述跨链代理节点上设有证书管理模块，证书管理模块生成跨链通信的公私钥对和跨链根证书，然后把公钥给需要通信的目的链，目的链进行审核授权后，用自己的根证书为源链签发跨链证书；获得目的链的授权证书后，进行注册，注册内容包含身份信息、权限信息、签名策略、验证规则，通过注册管理机制实现跨链权限管控、交易路由、合法性验证，实现去中心化的跨链方案。
2.根据权利要求1所述的一种保障区块链跨链事务一致性的方法，其特征在于，各个跨链组织之间通过跨链网络通信模块Crosshub进行通信，将不同跨链组织进行标准跨链通信消息的统一封装，能够兼容不同架构的区块链平台。
3.根据权利要求1所述的一种保障区块链跨链事务一致性的方法，其特征在于，所述跨链代理节点主要负责跨链的注册、签名、跨链交易路由、验签、验证存在性、保证事务一致性。
4.根据权利要求1所述的一种保障区块链跨链事务一致性的方法，其特征在于，跨链事务交互过程均在内置智能合约里实现，保证操作的原子性。
5.根据权利要求1所述的一种保障区块链跨链事务一致性的方法，其特征在于，事务锁定和回滚具体如下：
源链生成随机内容s，计算哈希值H=Hash(s)，并将随机内容s的哈希值H和门限时间T0发送到目的链；
源链用哈希值H和门限时间T0锁定事务α；
目的链收到随机内容s的哈希值H，并用门限时间T1和H锁定事务β，其中T1<T0；
目的链发送事务β锁定证明和门限时间T1到源链；
源链发送H的原始内容s到目的链，目的链如果在门限时间T1内收到s，则解锁事务β，源链获取事务β锁定的信息，否则进行事务回滚；
目的链发送H的原始内容s到源链，源链如果在门限时间T0内收到s，则解锁事务α，目的链获取事务α锁定的信息，否则进行事务回滚。
6.根据权利要求1所述的一种保障区块链跨链事务一致性的方法，其特征在于，在进行跨链事务的时候，结合智能合约实现事务锁定功能，在实现跨链交易接口的时候，将事务锁定能力作为底层能力进行封装。
7.根据权利要求1所述的一种保障区块链跨链事务一致性的方法，其特征在于，跨链过程中，通过数字签名的方式保障数据的完整性，在跨链交易发起的时候，交易发起用户为交易提供一个交易完整性证明，证明该交易是由用户发起的，同时在跨链交易进入另一个链平台的时候，需要将交易数据和证明信息一同发送，确保交易过程的真实可信。
8.根据权利要求7所述的一种保障区块链跨链事务一致性的方法，其特征在于，跨链数据完整性保障具体通过跨链交易摘要签名实现：
源链代理节点生成跨链交易摘要，用源链代理节点私钥去签名跨链交易摘要，将跨链交易摘要签名作为跨链交易的内容，发送到目的链代理节点；
目的链代理节点用源链代理节点公钥验证跨链交易摘要签名，验证通过则执行后续流程，否则不能解锁事务。
9.根据权利要求1所述的一种保障区块链跨链事务一致性的方法，其特征在于，跨链交易的存在性证明由默克尔证明来实现，将源链生成的跨链交易证明构造为默克尔树结构，目的链接收源链发送的跨链交易证明后，通过默克尔证明方法来验证跨链交易的存在性。
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