CN112887365B - 基于mmr算法区块链的超轻量级节点验证方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证方法及装置，该方法包括以下步骤：系统初始化MMR算法；扩展MMR中每个节点的数据结构；使用区块链中最新区块的哈希值作为随机源进行区块的概率性抽样，随机选择区块进行抽样验证；全节点生成证据；超轻量级节点收到多个全节点发来的证据，选择一个合法的且最长的区块链，超轻量级节点选择完最长合法链后，再通过对应全节点发送的交易所在区块的MMR证据和交易存在于区块中的Merkle证据进行验证。通过方法和装置，达到了通用性扩展，减少了当前区块链中轻节点所需存储的数据量；确保了无论恶意敌手采用何种方式作弊；对交易能进行准确地验证。

Description

基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证方法及装置

技术领域

本发明涉及节点验证技术领域，具体来说，涉及一种基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证方法及装置。

背景技术

在区块链中随着交易量的不断增大，存储交易信息的区块也逐渐庞大，对于一些存储容量和带宽有限的节点，在验证交易支付时，无法将整个区块链数据保存在本地进行交易的验证。区块链轻节点，是相对于区块链的全节点提出的概念。全节点同步所有区块链的数据，包括区块头和包含交易列表的区块体等信息，全节点在验证交易时，不需要依赖第三方，可自行验证。而区块链轻节点只需要存储区块头信息，而不存储区块的交易列表。当轻节点验证一笔交易时，需要由全节点提供交易所在的区块哈希值，然后全节点使用中本聪在论文中提到的SPV(Simplified Payment Verification)技术，利用Merkle树的生成路径生成交易存在证据，随后将该区块的哈希值和该证据发送给轻节点进行交易验证。

轻节点需要存储的空间随着区块长度n呈线性增长，尤其在吞吐量较高的区块链中轻节点存储量增长问题尤为严重，例如目前在以太坊中，轻节点需要存储4.5G大小的区块头信息，并且在每次验证交易时，需要不断更新存储的区块头信息，这给轻节点带来了很大的负担。

在区块链上进行交易验证时，使用SPV技术虽然可以减轻节点存储的数据大小，但随着区块链长度的增长，一些存储容量和带宽有限的轻节点的负担日益增大。另一方面对于手机、可穿戴设备和物联网设备等节点因为存储量和带宽有限的原因无法成为轻节点，当需要进行交易验证时，往往依赖于一个可信第三方，通过对可信第三方的询问来获取交易是否存在于区块链中，这与区块链的去中心化特点相违背。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证方法及装置，能够克服现有技术的上述不足。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证方法，该方法包括以下步骤：

S1：系统初始化MMR算法，其中，初始化时，设置的信息包括安全参数、哈希函数、初始生成难度值、难度调整的目标用时、难度调整的区块间隔、浮动最大限度、概率抽样的安全参数、恶意敌手的能力、安全的确认块数；

S2：扩展MMR中每个节点的数据结构，使用参数对MMR的区块生成状态转移算法进行设置；

S3：使用区块链中最新区块的哈希值作为随机源进行区块的概率性抽样，随机选择区块进行抽样验证，其中，定义抽样区块算法为g(x)，x∈[0，1]，x代表当前选取区块的生成难度值占总生成难度的比值；

S4：全节点生成证据；

S5：超轻量级节点收到多个全节点发来的证据，通过对每个全节点发送的最新区块头部信息和被抽样区块的MMR证据进行验证，选择一个合法的且最长的区块链，超轻量级节点选择完最长合法链后，再通过对应全节点发送的交易所在区块的MMR证据和交易存在于区块中的Merkle证据进行验证，若验证通过则证明交易存在于区块链中；否则，不存在，其中，Merkle证据为默克尔树的证据。

进一步的，所述步骤S1中，所述恶意敌手的能力的值小于1。

进一步的，所述步骤S1中，设定每个区块为B，当前块的生成状态值为T，仅当H(B)＜T时，该区块被视为合法，其中，H为哈希函数。

进一步的，所述步骤S4包括以下步骤：

S41：设定全节点已知验证节点请求的验证交易为tx；

S42：全节点通过构造MMR结构算法生成区块链的MMR结构；

S43：全节点生成交易存在于区块链中的证据π。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证装置，所述装置中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行以上任一项中所述的方法。

本发明的有益效果：通过方法和装置，达到了如下效果：

1.本发明对区块结构进行了通用性扩展，即增加了总生成状态值和MMR结构的根哈希值，使之适用于MMR结构进行区块存在性证明，减少了当前区块链中轻节点所需存储的数据量；

2.本发明给出了安全且高效的区块抽样算法，并使用最新区块的哈希值作为随机源，确保无论恶意敌手采用何种方式作弊，通过此概率抽样算法，至少能检测出一个无效区块，保证了方案的安全性；

3.本发明给出了全节点生成证据算法和超轻量级节点验证算法，实验结果表明，该算法在时间和存储空间复杂度方面都较优，使存储量和计算量有限的设备无需存储所有的区块头信息及不依赖任何第三方的前提下，对交易进行准确验证。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证方法的流程框图；

图2是根据本发明实施例所述的基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证方法的系统框图。

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，根据本发明实施例所述的基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证方法，包括以下步骤：

S1：系统初始化MMR算法，其中，初始化时，设置的信息包括安全参数、哈希函数、初始生成难度值、难度调整的目标用时、难度调整的区块间隔、浮动最大限度、概率抽样的安全参数、恶意敌手的能力、安全的确认块数；

S2：扩展MMR中每个节点的数据结构，使用参数对MMR的区块生成状态转移算法进行设置；

S3：使用区块链中最新区块的哈希值作为随机源进行区块的概率性抽样，随机选择区块进行抽样验证，其中，定义抽样区块算法为g(x)，x∈[0，1]，x代表当前选取区块的生成难度值占总生成难度的比值；

S4：全节点生成证据；

S5：超轻量级节点收到多个全节点发来的证据，通过对每个全节点发送的最新区块头部信息和被抽样区块的MMR证据进行验证，选择一个合法的且最长的区块链，超轻量级节点选择完最长合法链后，再通过对应全节点发送的交易所在区块的MMR证据和交易存在于区块中的Merkle证据进行验证，若验证通过则证明交易存在于区块链中；否则，不存在，其中，Merkle证据为默克尔树的证据。

在本发明一个具体的实施例中，所述步骤S1中，所述恶意敌手的能力的值小于1。

在本发明一个具体的实施例中，所述步骤S1中，设定每个区块为B，当前块的生成状态值为T，仅当H(B)＜T时，该区块被视为合法，其中，H为哈希函数。

步骤S4包括以下步骤：

S41：设定全节点已知验证节点请求的验证交易为tx；

S42：全节点通过构造MMR结构算法生成区块链的MMR结构；

S43：全节点生成交易存在于区块链中的证据π。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证装置，所述装置中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行以上任一项中所述的方法。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下对本发明的上述技术方案进行详细说明。

本专利提出了一种实用的面向区块链的超轻量级节点验证技术，使用该技术后验证节点的存储量仅随区块长度的增长，呈对数增长关系，因此存储的数据量较小，我们称之为超轻量级节点验证技术，并且验证过程无需依赖任何可信第三方。由于数据量较小可以实时传输，因此存储容量和带宽有限的节点在本地可以无需存储任何数据，便可对交易进行合法性验证。本发明解决了目前区块中轻节点存储负担日益严重的问题以及手机、可穿戴设备和物联网设备等节点需要依赖可信第三方进行交易验证的问题。

本发明使用了专利《一种适用于区块链的通用MMR验证算法》中的技术，该技术的主要功能为诚实的全节点为某一区块生成证据，证明该区块存在于区块链中。专利提供了区块生成状态转移算法、构造MMR结构算法、生成证据算法和验证证据算法。区块生成状态转移算法：生成区块的难度值调整算法；构造MMR结构算法：全节点通过区块链信息构造MMR结构；生成MMR证据算法：诚实的全节点生成某一区块存在于区块链中的证据；验证MMR证据算法：验证节点收到全节点发送来的MMR证据后，进行验证。

为解决上述问题，本发明对区块结构进行了通用性的扩展，使得不同共识算法的区块链均可运用该技术，本发明包含三个算法，概率抽样算法、全节点生成证据算法、超轻量级节点验证算法。

区块结构的通用性扩展：我们对区块头部的数据结构进行了扩展，每个区块头部新增了两个数据：总生成状态值和MMR结构的根哈希值。

概率抽样算法：为了减少超轻量级节点需要下载和验证的区块头信息，我们提出了一种安全的概率抽样算法。该算法只需要超轻量级节点验证与区块长度呈对数关系的区块个数，一个恶意敌手如果想说服验证节点，以证明某个区块在于一个无效链中，我们提出的概率抽样算法会以压倒性地优势发现至少一个由敌手生成的无效块，从而发现敌手的恶意行为，拒绝敌手提供的证据。

全节点生成证据算法：全节点生成某一交易存在于区块链中的证据。由于超轻量级节点几乎不存储区块链的相关信息，为了防止恶意的全节点通过生成无效的区块拼凑成较长的区块链欺骗验证节点，全节点需要通过概率抽样算法，随机地从区块链中选取若干个区块，为每个区块提供MMR证据，证明全节点所声称的区块链没有无效块，即该区块链合法。证明完该区块链合法后，再生成交易所在区块的MMR证据，以及交易存在于该区块中的证据，即交易所在Merkle树中的生成路径。全节点将上述所有证据(包括：多个被抽样区块的MMR证据、交易所在区块的MMR证据、交易存在于区块中的Merkle证据)以及所在区块链中的最后若干个(防止不稳定区块的影响)区块头部信息打包发送给超轻量级节点。

超轻量级节点验证算法：超轻量级节点收到多个全节点发来的证据，通过对每个全节点发送的最新区块头部信息和被抽样区块的MMR证据进行验证，选择一个合法的且最长的区块链。超轻量级节点选择完最长合法链后，再通过对应全节点发送的交易所在区块的MMR证据和交易存在于区块中的Merkle证据进行验证，若验证通过则证明交易存在于区块链中；否则，不存在。

为了更好的说明本发明方案，我们采用目前使用最为广泛的pow共识算法规则进行说明，但本发明不仅适用于pow共识算法，也适用于其他包括但不限于pos等共识，只需对MMR的区块生成状态转移算法进行修改即可适用。

一、初始化算法

设置安全参数、哈希函数、初始生成难度值、难度调整的目标用时、难度调整的区块间隔m、浮动最大限度、概率抽样的安全参数、恶意敌手的能力(恶意敌手的出块能力除以诚实节点的出块能力，该值小于1)、安全的确认块数L(即区块链最后L个区块之前的数据视为稳定的状态)。针对每个区块B，当前块的生成状态值为T，仅当H(B)＜T时，该区块被视为合法。

扩展MMR中每个节点的数据结构，其中h为该节点的哈希值、w为总生成状态值、t为该区块生成时间、D_start为当前块的生成状态值、D_next为下一个块的生成状态值、n为子树个数和data为附加数据。并使用参数对MMR的区块生成状态转移算法进行设置。

针对概率抽样算法，我们使用区块链中最新区块的哈希值作为随机源进行区块的概率性抽样，随机选择一些区块进行抽样验证以确保该区块链是合法的，并且不管计算能力有限的恶意敌手采用何种作弊方式，通过此概率抽样算法，至少能检测出一个无效区块。我们定义抽样区块算法为g(x)，其中x∈[0，1]，例如

表示选取生成状态总值是当前区块生成状态总值一半的区块，在比特币中选取当前总难度一半的区块。g(1)表示选取最新的区块。假设最新区块为H_last，进行如下过程：

(1)计算L个安全确认区块的总生成状态值：T_Ltotal＝T₁+…+T_L，其中T₁，..，T_L依次为L个区块头信息中的生成状态值；

(2)从H_last中提取当前区块链的生成状态总值T_total、从当前的MMR树根中提取总叶子节点个数n，即当前区块链长度、最新区块的哈希值hash_last；

(3)计算抽样区块的个数：

(4)针对每一个i∈{1，...，k}，计算

(5)计算得到k个区块：(g(x₁)，...，g(x_k))。

二、全节点生成证据算法

假设全节点已知验证节点请求的验证交易为tx(此步骤可以通过超轻量级节点在区块链中广播交易验证请求)，全节点已通过构造MMR结构算法生成区块链的MMR结构，全节点生成交易存在于区块链中的证据π，过程如下：

(1)使用安全确认块数参数L，将区块链中最新的L个区块头部信息加入π中，并记最新的区块为H_last。

(2)使用最新的L个区块头部信息、概率抽样的安全参数λ_p、恶意敌手的能力c等参数调用概率抽样算法，获得k个待抽样区块(g(x₁)，...，g(x_k))。

(3)针对k个区块，使用安全参数入、哈希函数H、初始生成难度值T₀、难度调整的目标用时t_target、难度调整的区块间隔m、浮动最大限度τ等参数调用MMR生成证据算法，生成k个MMR区块存在证据MMRπ_i，i∈{1，...，k}。

(4)针对交易tx所在的区块block_tx，生成MMR区块存在证据MMRπ_tx，以证明区块block_tx存在于以H_last为最新区块的区块链中。

(5)针对交易tx，利用Merkle生成路径，生成Merkle证据Merkleπ，以证明交易存在于block_tx中。

(6)生成证据π，π＝(H₁，...，H_L-1，H_last，MMRπ₁，...，MMRπ_k，MMRπ_tx，Merkleπ)。

三、超轻量级节点验证算法

超轻量级节点检验交易tx是否存在于区块链中，假设收到q个全节点发送的证据，其中至少存在一个诚实的全节点即可准确无误地完成交易存在性的检验，而恶意节点生成的证据会以不可忽略的极大概率检测出不合法的区块信息，过程如下：

1.针对每个全节点发送来的证据π_i，i∈{1，..，q}，进行如下验证，选择最长且合法的区块链t；

1.1解析证据π_i，获得(H₁，...，H_L-1，H_last，MMRπ₁，...，MMRπ_k)；

1.2对H₁，...，H_L-1，H_last区块头部信息进行合法性验证，即工作量证明是否满足、生成状态转移值是否正确生成。若通过则继续执行，若失败则说明证据π_i为恶意节点生成，进行下个证据检验，跳转1.6，对下个证据进行验证；

1.3根据H₁，...，H_L-1，H_last信息，执行概率性抽样算法，获得需要抽样的区块个数为k′以及需要抽样的区块(g(x₁)，..，g(x_k′))，判断k′是否等于k，以及需要抽样的区块(g(x₁)，...，g(x_k′))是否依次对应MMRπ₁，...，MMRπ_k所证明的区块。若通过则继续执行，若失败则说明证据π_i为恶意节点生成，进行下个证据检验，跳转1.6，对下个证据进行验证；

1.4对抽样的区块进行合法性验证，依次对MMRπ₁，..，MMRπ_k进行MMR的验证算法，若验证全部通过则继续执行，若有一个不通过则说明证据π_i为恶意节点生成，进行下个证据检验，跳转1.6，对下个证据进行验证；

1.5解析H_last，获得当前区块链高度len_i，若len_i＞len_t，则t＝i；

1.6执行i＝i+1，若i＜q+1，则跳转1.1，验证下个证据；否则跳转2，表示完成对所有证据的验证。

2.选取最长且合法的区块链t后，对证据π_t进行解析，提取交易所在区块的MMR证据

和交易存在于该区块中的证据Merkleπ^t；

3.对交易所在区块的MMR证据

进行验证，验证结果为b₁∈{true，false}；

4.对交易tx存在于区块中的证据Merkleπ^t进行验证，验证结果为b₂∈{true，false}：

5.输出b₁∧b₂。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过方法和装置，达到了如下效果：本发明对区块结构进行了通用性扩展，即增加了总生成状态值和MMR结构的根哈希值，使之适用于MMR结构进行区块存在性证明，减少了当前区块链中轻节点所需存储的数据量；本发明给出了安全且高效的区块抽样算法，并使用最新区块的哈希值作为随机源，确保无论恶意敌手采用何种方式作弊，通过此概率抽样算法，至少能检测出一个无效区块，保证了方案的安全性；本发明给出了全节点生成证据算法和超轻量级节点验证算法，实验结果表明，该算法在时间和存储空间复杂度方面都较优，使存储量和计算量有限的设备无需存储所有的区块头信息及不依赖任何第三方的前提下，对交易进行准确验证。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：系统初始化MMR算法，其中，初始化时，设置的信息包括安全参数、哈希函数、初始生成难度值、难度调整的目标用时、难度调整的区块间隔、浮动最大限度、概率抽样的安全参数、恶意敌手的能力、安全的确认块数；

S2：扩展MMR中每个节点的数据结构，使用参数对MMR的区块生成状态转移算法进行设置；

S3：使用区块链中最新区块的哈希值作为随机源进行区块的概率性抽样，随机选择区块进行抽样验证，其中，定义抽样区块算法为g(x)，x∈[0，1]，x代表当前选取区块的生成难度值占总生成难度的比值；

S4：全节点生成证据；

S5：超轻量级节点收到多个全节点发来的证据，通过对每个全节点发送的最新区块头部信息和被抽样区块的MMR证据进行验证，选择一个合法的且最长的区块链，超轻量级节点选择完最长合法链后，再通过对应全节点发送的交易所在区块的MMR证据和交易存在于区块中的Merkle证据进行验证，若验证通过则证明交易存在于区块链中；否则，不存在，其中，Merkle证据为默克尔树的证据。

2.根据权利要求1所述的基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述恶意敌手的能力的值小于1。

3.根据权利要求1所述的基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证方法，其特征在于，所述步骤S1中，设定每个区块为B，当前块的生成状态值为T，仅当H(B)＜T时，该区块被视为合法，其中，H为哈希函数。

4.根据权利要求1所述的基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

S41：设定全节点已知验证节点请求的验证交易为tx；

S42：全节点通过构造MMR结构算法生成区块链的MMR结构；

S43：全节点生成交易存在于区块链中的证据π。

5.一种基于MMR算法区块链的超轻量级节点验证装置，其特征在于，所述装置中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1至4任一项中所述的方法。

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