CN115225529B - 一种支持多类别区块链系统的高仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及区块链系统技术领域，公开了一种支持多类别区块链系统的高仿真平台，其包括应用层、合约中间层、合约层、激励层、共识层、数据层和网络层，高仿真平台包括网络管理模块、准入权限管理模块、共识协议管理模块、智能合约管理模块、密码管理模块、节点管理模块、区块管理模块和交易管理模块。该支持多类别区块链系统的高仿真平台，通过模拟上层的同时依赖于真实的网络基础设施，从而产生比现有仿真平台更加接近于真实系统环境的效果，同时简化了仿真环境搭建的过程；支持区块链系统所有对应分层仿真，提供智能合约开发、编译、检测、部署、交易和管理功能，支持第三方测试工具在仿真环境中进行安全分析，提供安全测试报告。

Description

一种支持多类别区块链系统的高仿真平台

技术领域

本发明涉及区块链系统技术领域，具体涉及一种支持多类别区块链系统的高仿真平台。

背景技术

区块链高仿真是一种基于白盒测试，通常由高级语言编写并且无需在硬件层面上操作的区块链系统。其分层模型的设计可以在白盒设置中对每层的参数进行调整，并且根据层次划分，可以对整个区块链系统不同的分层进行单独的测试。

当前研究人员或从业人员在针对区块链系统进行实验验证和评估时，由于实现整个真实的系统(即使用大量物理计算机)在大多数情况下不太现实，同时现有的针对真实环境下的区块链系统基准测试工具，例如BlockBench或Hyperledger Caliper，存在部署成本高、缺乏可扩展性(例如，进行大规模实验)和模块化的问题，往往采用仿真技术在大规模基础设施环境中部署和测试区块链技术，但现有的区块链系统仿真技术例如BlockSim、PeerSim、BlockPerf和Shadow Vibes等，通常在以下几个方面受到限制。

1.仿真技术的分层模型不足以支持区块链系统全部层次的仿真，例不支持智能合约层和应用程序层；

2.只支持固定的区块链系统和内部实现，例仅支持比特币系统和基于工作量证明的共识算法；

3.仿真技术不够接近真实系统环境，例仿真环境固定化，不考虑网络层的模糊动态变化；

4..部署成本高，缺乏可扩展性，例部署网络节点过程过于复杂，仿真环境搭建比较麻烦；

5.提供的仿真和测试功能不够全面，例只支持少数的性能指标，只允许用户进行观察无法进行同区块链系统的动态交互；

6.不支持第三方测试工具或自定义测试脚本的接入。

发明内容

本发明的目的在于提供一种支持多类别区块链系统的高仿真平台，基于区块链系统的应用层、合约层、激励层、共识层、数据层和网络层，引入合约中间层实现对智能合约的安全分析，创新构建了完备耦合的高仿真区块链平台抽象层级模型，从而支持多类典型区块链系统安全分析及漏洞挖掘的区块链安全分析及态势感知的仿真验证。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种支持多类别区块链系统的高仿真平台，其包括应用层、合约中间层、合约层、激励层、共识层、数据层和网络层，所述高仿真平台包括网络管理模块、准入权限管理模块、共识协议管理模块、智能合约管理模块、密码管理模块、节点管理模块、区块管理模块和交易管理模块。

优选的，所述应用层包括以下可测量的性能指标：执行时间和计算资源使用情况，所述合约中间层主要包括以下安全分析功能：链码静态分析；以太坊智能合约分析和链下合约执行分析。

优选的，所述合约层包括以下可测量的性能指标：合约创建时间和合约验证和执行时间，所述激励层包括以下可测量的性能指标：奖励演化、费用演化和货币演化。

优选的，所述共识层包括以下可测量的性能指标：未确认交易、分叉分辨率和计算一致性，所述数据层包括以下可测量的性能指标：事务演化、区块演化和进化链，所述网络层包括以下可测量的性能指标：网络视图演化和吞吐量。

优选的，所述网络管理模块主要包括以下子模块：日志服务模块、网络性能管理模块、网络拓扑管理模块和网络监督模块。

优选的，所述准入权限管理模块主要面向区块链节点和客户端进行仿真，所述共识管理模块主要负责共识协议以及整个共识流程的仿真和管理，所述智能合约管理模块主要进行智能合约的系列仿真，所述密码管理模块主要负责仿真系统中其他模块的密码管理和服务。

优选的，所述节点管理模块主要进行区块链节点的仿真，所述区块管理模块主要进行区块的仿真，包括创造区块和共识出块子模块，易管理模块主要进行交易的仿真，主要包括交易的创造和确认两个子模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.该支持多类别区块链系统的高仿真平台，通过模拟上层的同时依赖于真实的网络基础设施，从而产生比现有仿真平台更加接近于真实系统环境的效果，同时简化了仿真环境搭建的过程；支持区块链系统所有对应分层的仿真，包括应用层、合约中间层、合约层、激励层、共识层、数据层和网络层，其中合约中间层支持智能合约的安全分析(漏洞检测)；支持多区块链系统的仿真，针对不同区块链系统同一分层内部的具体实现进行了差异化处理。

2.该支持多类别区块链系统的高仿真平台，提供可视化界面，以及用户同区块链系统的实时动态交互接口；提供更加全面的仿真和测试功能，支持网络层的模糊变化，提供智能合约的开发、编译、检测、部署、交易和管理功能，支持第三方测试工具在仿真环境中进行安全分析，提供安全测试报告。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的多类别区块链系统高仿真平台的抽象层级模型示意图；

图2为本发明实施例的多类别区块链系统高仿真平台的系统架构示意图。

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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参阅图1-2，本发明实施例提供的支持多类别区块链系统的高仿真平台，包括应用层、合约中间层、合约层、激励层、共识层、数据层和网络层，应用层是客户端和区块链系统之间的接口，用于管理用户界面、API(应用程序编程接口)和计算资源(例如，区块链元素存储、钱包创建等所需的资源)。客户端可以通过API进行底层区块链网络的配置和改动，并向区块链网络部署合约、提交交易，查询区块链区块、交易等具体信息。以下是在应用层可测量的性能指标：

1)执行时间：指仿真验证平台是否跟踪运行模拟所需的时间；

2)计算资源使用情况：指仿真验证平台在运行过程中是否跟踪资源使用情况的变化，包括每个节点的CPU、交换空间、存储容量等。所述合约中间层主要包括以下安全分析功能：链码静态分析；以太坊智能合约分析和链下合约执行分析。

合约中间层是新引入的区块链系统仿真抽象层级，负责多类典型区块链系统，例Hyperledger Fabric和以太坊的智能合约漏洞挖掘和安全分析，以及进一步扩展到链下智能合约的执行分析。本方案利用链码分析工具Chaincode-Analyzer和以太坊智能合约分析工具Slither-Analyzer对两类典型区块链智能合约进行安全分析和漏洞挖掘，通过对Hyperledger Fabric的go语言智能合约和以太坊solidity语言智能合约代码执行和部署的过程中进行静态分析，结合智能合约源代码层、基于构建层和EVM字节码层的不同特征层级的信息，实现自动化和高精度的智能合约漏洞挖掘和安全分析，以及设计了链下合约执行模块对区块链智能合约仿真模拟部署做了进一步扩展，对于当前支持并发执行，无状态设计的链下合约提供仿真模拟执行环境，为区块链系统链下层级扩展研究工作和链下合约开发部署相关工作提供支持，拓宽了当前智能合约安全分析和漏洞挖掘层级边界。主要包括以下安全分析功能：

1)链码静态分析：可支持Hyperledger Fabric中最主流的Go语言智能合约(通常称为链码)的静态分析，对链码进行漏洞挖掘和安全分析；

2)以太坊智能合约分析：可支持以太坊solidity智能合约静态分析，本发明使用机器学习和深度学习模型算法，融合智能合约源代码，基于构建和EVM字节码三种特征层级，对智能合约实现高精度漏洞检测和安全分析；

3)链下合约执行分析：可支持链下合约的仿真模拟执行及相应分析。现有越来越多的方案为提升区块链的运行效率从而把智能合约业务执行移到链下，因此需要考虑链下合约的执行和分析。所述合约层包括以下可测量的性能指标：合约创建时间和合约验证和执行时间，所述激励层包括以下可测量的性能指标：奖励演化、费用演化和货币演化。

合约层主要负责管理智能合约从开发、编译、部署到交易发起的全生命流程，并仿真真实的合约的执行环境，实现智能合约的智能化全流程管理，是本发明主要实现的重点内容。以下是在合约层可测量的性能指标：

1)合约创建时间：指仿真验证平台是否跟踪在模拟过程中生成不同合约所需的时间(可以是不同规模的合约)；

2)合约验证和执行时间：仿真验证平台是否跟踪仿真场景中不同合约验证和执行所需的时间。

参与性激励是指诚实行为受到激励而不诚实行为受到抑制的方式，激励层通常服从纳什均衡策略，以确保诚实节点从偏离大多数节点采用的策略中得不到任何好处。奖励的形式可以是交易费用或奖励，但该决策影响已实现的共识算法，并分别受到所选算法的影响。以下是在激励层可测量的性能指标：

1)奖励演化：指仿真验证平台是否跟踪模拟过程中从共识过程(如领袖选举或区块挖掘)中分配的加密货币数量；

2)费用演化：指仿真验证平台是否跟踪客户节点为激励矿工处理交易而提供给矿工的奖励费用；

3)货币演化：是指仿真验证平台是否跟踪货币生成速率，根据实现的区块链不同而变化(例如，在比特币或以太坊中随着哈希难度的变化而变化)。

共识机制：确定性共识和概率性共识。常见的概率性共识机制包括工作量证明(PoW)、权益证明(PoS)，常见的确定性共识包括Raft、实用拜占庭协议(PBFT)等。本课题研究方案提供了几种共识机制的实现，同时具备足够的灵活性以允许修改现有的共识协议和引入新的共识机制。以下是在共识层可测量的性能指标：

1)未确认交易：指仿真验证平台在一段时间内是否跟踪等待确认的交易数量(这种等待区域被称为交易池或交易队列)；

2)分叉分辨率：指仿真验证平台是否跟踪链内出现交易的数量，以及整个仿真模拟过程中的陈旧率(块丢弃率)；

计算一致性：指仿真验证平台是否跟踪验证事务和区块所需的集体(或个人)计算工作量。

数据层负责在将数据附加到块之前构造数据，其结构通常包括诸如先前块哈希值、Merkle根、时间、比特等信息。数据层依赖于非对称密码学技术，如RSA、椭圆曲线密码学，以及隐私保护协议，如承诺协议、零知识证明、环签名、隐身地址等。区块链高仿真平台的用户能够选择自身想要使用的密码学算法和实现的隐私保护协议，同时允许用户定义自己的可插拔隐私保护协议。以下是在数据层可测量的性能指标：

1)事务演化：指仿真验证平台是否跟踪每天产生的事务数量，以及模拟的事务是否与现实数据结构匹配。

2)区块演化：指模拟器是否跟踪作为最长链的一部分被验证、挖掘和接受的区块数量，每个验证块所花费的(平均)时间，块大小(取决于包含的事务的数量和大小)，以及一个块中平均包含的事务数。

进化链:指是否仿真模拟平台跟踪链的长度随时间(例如，形成最长链的块的数量)的变化。

网络层管理主要负责管理网络的物理和逻辑拓扑，以及用于节点间消息传递的各种协议，这种消息封装了从一个节点传输到另一个节点的数据。本发明专注于TCP/IP协议栈，并利用开源模拟仿真工具CORE(Common Open Research Emulator)来仿真网络层的功能。以下是在网络层可测量的性能指标：

(1)网络视图演化：指仿真是否准确遵循P2P协议覆盖网络的规范(如支持随时添加和发现节点)，并通过聚类系数、平均测地线距离、直径等网络图度量来跟踪网络(节点)的变化；

(2)吞吐量：指仿真验证平台是否跟踪每秒钟作为最长链中有效块的一部分的有效事务的数量(Tx/s)。

该高仿真平台包括网络管理模块、准入权限管理模块、共识协议管理模块、智能合约管理模块、密码管理模块、节点管理模块、区块管理模块和交易管理模块。

1.网络管理模块

网络管理模块主要面向区块链网络的设计、模拟和服务接口。可根据不同的区块链系统结构和实现，进行网络通信协议、网络初始化参数、网络拓扑结构、网络节点、网络安全协议的设计和配置；进行区块链系统网络层的仿真，向外部提供网络层服务。主要包括以下子模块：

1)日志服务模块：用于记录网络中节点(IP地址和端口号)的日常行为操作；2)网络性能管理模块：用于监测网络的通信性能，包括时延、带宽、错误率、信号波动、计算开销、吞吐量等指标；3)网络拓扑管理模块：用于管理通信协议(PPP、TCP/IP等)、初始化节点个数、安全协议(密码算法等)、套接字(IP地址和端口号)、准入策略(依赖于准入权限模块)；4)网络监督模块：用于监测网络中节点的异常行为，以及网络系统或人为错误。

2.准入权限管理模块

准入权限管理模块主要面向区块链节点和客户端进行仿真，包括准入协议的增加、更新和删除，权限的更改，准入状态的实时动态确认等。

3.共识协议管理模块

共识管理模块主要负责共识协议以及整个共识流程的仿真和管理，包括共识协议切换、默认共识协议设置，共识流程的仿真等。

4.智能合约管理模块

智能合约管理模块主要进行智能合约的系列仿真，包括智能合约的语言类型、运行环境，开发、编译和部署，交易发起，以及安全分析(漏洞检测)和管理服务等。

5.密码管理模块

密码管理模块主要负责仿真系统中其他模块的密码管理和服务，用于安全校验和隐私保护等。

6.节点管理模块

节点管理模块主要进行区块链节点的仿真，包括节点的增加和删除、节点状态设置、节点交易池管理、节点网络发现等。

7.区块管理模块

区块管理模块主要进行区块的仿真，包括区块的创造(节点打包交易形成区块)，共识出块(通过共识协议对每轮出块节点达成一致)。主要包括以下子模块：1)创造区块：包括获取可用的内存空间，创造空块，添加交易、计算区块哈希，检查网络连接、广播区块等操作；2)共识出块：按照既定的共识策略获取出块证明，检查并确认证明，检查网络连接、广播区块、区块上链等。

8.交易管理模块

交易管理模块主要进行交易的仿真，主要包括交易的创造和确认两个子模块：1)创造交易：包括网络和节点费用、交易费用、交易签名、交易数据、计算交易哈希等；2)确认交易：包括检查交易合法性、发布交易等。

上述实施例提供的支持多类别区块链系统的高仿真平台，其通过模拟上层的同时依赖于真实的网络基础设施，从而产生比现有仿真平台更加接近于真实系统环境的效果，同时简化了仿真环境搭建的过程；支持区块链系统所有对应分层仿真，提供智能合约开发、编译、检测、部署、交易和管理功能，支持第三方测试工具在仿真环境中进行安全分析，提供安全测试报告。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种支持多类别区块链系统的高仿真平台，其特征在于：其包括应用层、合约中间层、合约层、激励层、共识层、数据层和网络层；所述高仿真平台包括网络管理模块、准入权限管理模块、共识协议管理模块、智能合约管理模块、密码管理模块、节点管理模块、区块管理模块和交易管理模块；

所述应用层包括以下可测量的性能指标：执行时间和计算资源使用情况，所述合约中间层主要包括以下安全分析功能：链码静态分析、以太坊智能合约分析和链下合约执行分析；

合约中间层实现对智能合约的安全分析，创新构建了完备耦合的高仿真区块链平台抽象层级模型，从而支持多类典型区块链系统安全分析及漏洞挖掘的区块链安全分析及态势感知的仿真验证；

所述合约层负责管理智能合约从开发、编译、部署到交易发起的全生命流程，并仿真真实的合约的执行环境，实现智能合约的智能化全流程管理，所述合约层包括以下可测量的性能指标：合约创建时间、合约验证和执行时间；

所述激励层确保诚实节点从偏离大多数节点采用的策略中得不到任何好处，所述激励层包括以下可测量的性能指标：奖励演化、费用演化和货币演化；

所述共识层确定包括确定性共识和概率性共识的共识机制，包括以下可测量的性能指标：未确认交易、交叉分辨率和计算一致性；

所述数据层负责在将数据附加到块之前构造数据，其结构包括先前块哈希值、Merkle根、时间、比特；

所述数据层依赖于非对称密码学技术，包括RSA、椭圆曲线密码学和隐私保护协议，隐私保护协议包括承诺协议、零知识证明、环签名、隐身地址；区块链高仿真平台的用户能够选择自身想要使用的密码学算法和实现的隐私保护协议，同时允许用户定义自己的可插拔隐私保护协议；

所述网络层负责管理网络的物理和逻辑拓扑，以及用于节点间消息传递的各种协议，这种消息封装了从一个节点传输到另一个节点的数据。

2.根据权利要求1所述的支持多类别区块链系统的高仿真平台，其特征在于：所述共识层包括以下可测量的性能指标：未确认交易、分叉分辨率和计算一致性，所述数据层包括以下可测量的性能指标：事务演化、区块演化和进化链，所述网络层包括以下可测量的性能指标：网络视图演化和吞吐量。

3.根据权利要求1所述的支持多类别区块链系统的高仿真平台，其特征在于：所述网络管理模块主要包括以下子模块：日志服务模块、网络性能管理模块、网络拓扑管理模块和网络监督模块。

4.根据权利要求1所述的支持多类别区块链系统的高仿真平台，其特征在于：所述准入权限管理模块主要面向区块链节点和客户端进行仿真，所述共识协议管理模块主要负责共识协议以及整个共识流程的仿真和管理，所述智能合约管理模块主要进行智能合约的系列仿真，所述密码管理模块主要负责仿真系统中其他模块的密码管理和服务。

5.根据权利要求1所述的支持多类别区块链系统的高仿真平台，其特征在于：所述节点管理模块主要进行区块链节点的仿真，所述区块管理模块主要进行区块的仿真，包括创造区块子模块和共识区块子模块，交易管理模块主要进行交易的仿真，主要包括交易的创造和确认两个子模块。