CN115174685A - 基于流水线机制的区块链中的非中断式跨链委员会换届方法 - Google Patents

Abstract

一种基于流水线机制的区块链中的跨链委员会换届方法，委员会在收集阶段收集数据流通请求，即跨链请求，并对于①发起自本链的跨链请求，发送给对应的区块链委员会，并等待操作结果；对于②发送至本链的请求，直接在本链处理，并将结果返回至发起方的委员会，当所有跨链请求处理完毕后则由下一届委员会重新启动收集阶段。本发明保证任意时刻内有且仅有一个委员会负责收集请求，能够实现两条平行的区块链之间的跨链，实现更大传输的数据量和更复杂的数据格式，且能够同时涉及数据的读和写操作。

Description

基于流水线机制的区块链中的非中断式跨链委员会换届方法

技术领域

本发明涉及的是一种区块链领域的技术，具体是一种基于流水线机制的区块链中的跨链委员会换届方法，可在不中断用户操作请求的情况下完成换届。

背景技术

当一条区块链上的每个成员都具有一个公钥pk和一个私钥sk。节点间通过点对点网络连接。当网络是同步的，即一个消息可以在一个确定的时间内送达。每一条链上都有一个委员会负责跨链信息的处理。两条区块链之间不能直接连接，需要以委员会为桥梁进行信息的交互。不同链上的委员会通过访问对方区块链上的信息，获得对方的地址，并通过广播的方式传递消息。当委员会换届时，会告知其他委员会下一届委员会信息的区块高度，其他链上的委员会可据此以较低的代价在另一条链上获取新的委员会信息。对于委员会，当共有N个成员，其中存在f个拜占庭节点(f<N/2)既可以发送任意的错误消息，也可以在任意时间离线。因此，需要在拜占庭节点存在的情况下保证协议正确运行，这就需要引入委员会内部的共识机制，并在上链时附上委员会中多数成员的签名。

具体地，委员会各成员在行动之前需要先运行内部共识协议同步状态，以保证信息的同步；当委员会需要在本链上完成上链操作时，需要附上大多数成员的签名，防止少数恶意节点伪造结果。

发明内容

本发明针对现有技术仅支持特定两条区块链之间的跨链，不适用于不支持智能合约的区块链的不足，以及限制用户在两条区块链上都需要拥有账户，才能实现跨链的缺陷，提出一种基于流水线机制的区块链中的跨链委员会换届方法，各届委员会之间以流水线的形式运作，保证任意时刻内有且仅有一个委员会负责收集请求，能够实现两条平行的区块链之间的跨链，实现更大传输的数据量和更复杂的数据格式，且能够同时涉及数据的读和写操作。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于流水线机制的区块链中的跨链委员会换届方法，委员会在收集阶段收集数据流通请求，即跨链请求，并对于①发起自本链的跨链请求，发送给对应的区块链委员会，并等待操作结果；对于②发送至本链的请求，直接在本链处理，并将结果返回至发起方的委员会，当所有跨链请求处理完毕后则由下一届委员会重新启动收集阶段。

所述的等待操作结果，优选设置超时机制，具体为：当达到一定时间后仍未收到消息，则认为请求失败。在终止阶段，将后续委员会成员信息上链，随后解散。

所述的收集、等待、处理和返回所涉及的时间周期是事先约定并公开的，且上一届委员会收集阶段结束时，下一届委员会就立即开始收集阶段，保证不会有请求遗漏或重复。

技术效果

本发明将每届委员会的生命周期分成4个阶段，不同届委员会之间采取流水线式的运行机制，使得委员会换届的过程不会导致委员会服务的中断。不仅允许委员会换届，且支持持续不断的跨链操作。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为实施例一次跨链操作示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种基于流水线机制的区块链中的跨链委员会换届方法，包括：

步骤1)收集阶段：

1.1从n-1届委员会结束收集阶段后，第n届委员会开始执行收集操作。

1.2第n届委员会成员在本阶段不断收集与本链相关的操作请求，包括由本链发往其他链的请求{op_out}、来自其他链的请求{op_in}，其中：{op_out}直接从本链上获取，而{op_in}从其他链的委员会获取。

优选地，委员会各成员每收集到一条操作请求，便把它保存在本地。

1.3当收集阶段结束后，委员会成员停止收集操作请求。

步骤2)初始化阶段：

2.1委员会各成员检查本地是否收集到新的请求。

2.2当没有新的请求，则无需进入处理阶段，等待足够时间，如：两条链所在的网络的最大网络延迟时间的2倍后进入终止阶段。

2.3当收到新的请求，则按事先约定的规则将请求排序(例如按照请求id从小到大排列)，生成op＝sorted({op_in})+sorted({op_out})，随后将这些请求拼接后计算哈希值Hash({op})。

步骤3)处理阶段：委员成员间首先对Hash({op})完成一次共识，以确保诚实成员的信息同步。共识完成后，委员会各成员开始处理请求，包括：

a)对于发起自本链的跨链请求{op_out}，委员会成员按照事先约定的规则排列，各自生成签名，并通过共识算法形成多签名{sgn_out}。利用区块链中的随机性，随机选择一部分委员会成员，通过广播的方式将{op_out}连同{sgn_out}一起发送给目标链委员会的成员。只要选择的成员达到一定数量，这些成员中至少存在一个诚实成员的概率就会接近1。因为委员会成员不能伪造多签名，所以只要有一个诚实成员发送消息便保证目标链的委员会正确收到{op_out}。委员会成员等待目标链上的执行结果，并在收到执行结果后，对结果进行共识，即对于某个请求，当结果在规定时间内返回，则标记请求成功，当超时仍未返回，则标记请求失败。收到结果后，委员会成员各自决定应该上链的数据，对该数据进行共识后，附上多签名上链，用户即可获知操作的结果。

b)对于发送至本链的请求{op_in}，委员会成员首先校验签名是否正确。当签名错误，则丢弃，等待下一次接收；当签名正确，则将其保存到本地，并标记该目标链上的消息已收到，不再接收新的消息。随后，委员会成员对{op_in}消息的所有内容完成一次共识，以确保消息的同步。随后，委员会在链上执行相应的操作(同样需要附上多签名)，并从链上获取执行结果。对执行结果共识后，再利用广播将结果发送给发出请求的链所在的委员会。

步骤4)终止阶段：所有的操作都完成后，当前委员会成员收集后续委员会成员信息，进行内部共识；将共识结果上链；区块链全体用户依据委员会成员选举算法得到第n+k届委员会成员信息，最后本阶段委员会停止运行。

优选地，委员会的产生应提前几届，防止某一届委员会的成员还未产生就已经到收集阶段，具体为：在步骤1～步骤4执行的同时，并行地进行委员会选举。第n+k届委员会的选举应提前k届，即由第n届委员会选举产生第n+k届委员会的成员。

本实施例中k＝4，即第1届到第4届委员会的成员由区块链硬编码完成，保证所有区块链用户正确获得前4届委员会的成员信息；从参与第5届委员会开始，想要参与竞选成为委员会成员的区块链用户需要提前解决一个哈希谜题。该谜题根据区块链上的随机因素r_block和一个确定的规则产生一个随机数r，该成员可利用随机数r、公钥pk、nonce值生成哈希值h＝Hash(r,pk,nonce)。竞选者不断调整nonce值并计算哈希，当哈希值小于一个预先规定的阈值，则成功解决哈希谜题，将这些信息上链后即可获得竞选资格。

委员会成员等待一段预先约定好的时间以后，在链上收集合法的竞选信息，将哈希值从小到大排列，并选择最小的且排名为偶数的哈希值生成者作为第n+k届委员会的成员，以保证结果的随机性。以上结果经过共识后并附上委员会成员的多签名后上链，可被所有人获取和验证。

当存在区块链A和B，其跨链委员会分别是C_A和C_B，现在A链上的用户U想要查询B链上的某个数据data的值。

经过具体实际实验，在委员会换届的时间占总时长的1％且各条链上委员会换届的时间点是完全随机且独立，用户需要从所有区块链上随机选择10％获取数据的情况下，采用现有技术当区块链的数量分别为10、20、50、100时，受到影响的请求比例分别达到1.00％、2.00％、4.90％、9.56％；在委员会的换届周期为3天的情况下，则一旦受到影响，平均等待时长将达到约21分钟。使用本方法以下流程后，可以保证服务不会中断，所有请求均不会受到换届的影响。

a)用户U生成请求tx＝(B,"query","data")，附上签名后上链。

b)C_A收集到A链上的请求tx。

c)C_A进入初始化阶段，收集包括tx在内的请求。

d)C_A进入处理阶段，对请求tx进行共识，将请求tx发送给C_B。

e)C_B收到tx后进行共识，并处理操作tx，成功查询到结果为10，返回结果result＝("success",10)并再次共识。

f)C_B将result发送给C_A。

g)C_A收到result后进行共识，同步后将result上链。

h)用户U在链上得到tx的处理结果result。

i)过一段时间，C_A进入终止阶段，计算出第n+k届委员会的成员并上链。

j)当前C_A下线，第n+1届C_A上线并进入收集阶段。

与现有技术相比，本方法消除了委员会换届对于跨链数据操作的影响，使得跨链服务不会因为换届而中断。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于流水线机制的区块链中的跨链委员会换届方法，其特征在于，委员会在收集阶段收集数据流通请求，即跨链请求，并对于①发起自本链的跨链请求，发送给对应的区块链委员会，并等待操作结果；对于②发送至本链的请求，直接在本链处理，并将结果返回至发起方的委员会，当所有跨链请求处理完毕后则由下一届委员会重新启动收集阶段。

2.根据权利要求1所述的基于流水线机制的区块链中的跨链委员会换届方法，其特征是，所述的等待操作结果，设置超时机制，具体为：当达到一定时间后仍未收到消息，则认为请求失败，在终止阶段，将后续委员会成员信息上链，随后解散。

3.根据权利要求1所述的基于流水线机制的区块链中的跨链委员会换届方法，其特征是，所述的收集、等待、处理和返回所涉及的时间周期是事先约定并公开的，且上一届委员会收集阶段结束时，下一届委员会就立即开始收集阶段，保证不会有请求遗漏或重复。

4.根据权利要求1～3中任一所述的基于流水线机制的区块链中的跨链委员会换届方法，其特征是，具体包括：

步骤1)收集阶段：

1.1从n-1届委员会结束收集阶段后，第n届委员会开始执行收集操作；

1.2第n届委员会成员在本阶段不断收集与本链相关的操作请求，包括由本链发往其他链的请求{op_out}、来自其他链的请求{op_in}，其中：{op_out}直接从本链上获取，而{op_in}从其他链的委员会获取；

1.3当收集阶段结束后，委员会成员停止收集操作请求；

步骤2)初始化阶段：

2.1委员会各成员检查本地是否收集到新的请求；

2.2当没有新的请求，则无需进入处理阶段，等待足够时间，如：两条链所在的网络的最大网络延迟时间的2倍后进入终止阶段；

2.3当收到新的请求，则按事先约定的规则在本将请求排序，生成op＝sorted({op_in})+sorted({op_out})，随后将这些请求拼接后计算哈希值Hash({op})；

步骤3)处理阶段：委员成员间首先对Hash({op})完成一次共识，以确保诚实成员的信息同步；共识完成后，委员会各成员开始处理请求，包括：

a)对于发起自本链的跨链请求{op_out}，委员会成员按照事先约定的规则排列，各自生成签名，并通过共识算法形成多签名{sgn_out}；利用区块链中的随机性，随机选择一部分委员会成员，通过广播的方式将{op_out}连同{sgn_out}一起发送给目标链委员会的成员；只要选择的成员达到一定数量，这些成员中至少存在一个诚实成员的概率就会接近1；因为委员会成员不能伪造多签名，所以只要有一个诚实成员发送消息便保证目标链的委员会正确收到{op_out}；委员会成员等待目标链上的执行结果，并在收到执行结果后，对结果进行共识，即对于某个请求，当结果在规定时间内返回，则标记请求成功，当超时仍未返回，则标记请求失败；收到结果后，委员会成员各自决定应该上链的数据，对该数据进行共识后，附上多签名上链，用户即可获知操作的结果；

b)对于发送至本链的请求{op_in}，委员会成员首先校验签名是否正确；当签名错误，则丢弃，等待下一次接收；当签名正确，则将其保存到本地，并标记该目标链上的消息已收到，不再接收新的消息；随后，委员会成员对{op_in}消息的所有内容完成一次共识，以确保消息的同步；随后，委员会在链上执行相应的操作，并从链上获取执行结果；对执行结果共识后，再利用广播将结果发送给发出请求的链所在的委员会；

步骤4)终止阶段：所有的操作都完成后，当前委员会成员收集后续委员会成员信息，进行内部共识；将共识结果上链；区块链全体用户依据委员会成员选举算法得到第n+k届委员会成员信息，最后本阶段委员会停止运行。

5.根据权利要求4所述的基于流水线机制的区块链中的跨链委员会换届方法，其特征是，委员会各成员每收集到一条操作请求，便把它保存在本地。

6.根据权利要求4所述的基于流水线机制的区块链中的跨链委员会换届方法，其特征是，提前产生委员会以防止某一届委员会的成员还未产生就已经到收集阶段，具体为：在步骤1～步骤4执行的同时，并行地进行委员会选举，第n+k届委员会的选举应提前k届，即由第n届委员会选举产生第n+k届委员会的成员。

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