CN116012164B - 基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法，区块链中账户根据账户地址平均分配到每个分片，并在其所未分配到的分片中，建立对应的虚拟账户。本发明所有账户都均匀分布到每个分片，并为每个主账户在其他分片中创建虚拟账户，所有的交易过程可以在一轮共识和一个分片中处理，而不需要分解成多个子交易，减少每个节点存储、通信的工作量。

Description

基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法

技术领域

本发明涉及一种区块链跨分片交易方法。

背景技术

区块链是一种去中心化的分布式账本技术，具有数据透明度、完整性和不变性的特点。它在解决金融、工业、政府事务、学术界乃至我们日常生活中的信任、证书、可追溯性、共享、交换等问题方面发挥着越来越重要的作用。越来越多的去中心化应用已经出现。然而，区块链的可扩展性仍然是大规模实际应用中的主要障碍，这是区块链“不可能三角”的特点之一。在数据存储的可扩展性、网络传输效率、共识效率、吞吐量等方面存在一些挑战。

在区块链系统中，分片是主要的链上扩容方案，利用“分而治之”的思想,将区块链的存储和负载分散到并行分片上。目前主要包括网络分片、交易分片和状态分片三种分片方案。

在区块链分片系统中，账户按账户地址分布到不同的分片区，交易按发送者的账户地址分配到每个分片区。传统的跨分片的交易需要将原交易分解成最小的子交易，在不同分片之间传递子交易，子交易一般为对某个分片的输入交易或对某个分片的输出交易，通过将一笔交易分解处理，实现各分片间的跨片交易。或者在每个分片中建立一个新的账户进行跨分片交易，通过生成一对新的公私钥，来产生新账户的地址，每建立一个新账户，增加了密钥管理的工作量的同时，也在原来的基础上增加了跨分片交易验证的工作量。另外，若在每个分片都建立一个账户，那么当账户数量越来越多，也会给整个区块链系统造成较大的压力，并且用户需要对每个账户的账户余额分别进行管理，增加了账户管理和余额管理的工作量。当系统中的跨分片交易数量较多时，则会大大降低交易处理的效率，增加交易确认的延迟。尤其对于状态分片来说，因特定分片只存储部分状态，而不是完整的区块链状态，进一步导致了跨分片交易验证的复杂性。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于虚拟账户的分片扩展区块链方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法，区块链中账户根据账户地址平均分配到每个分片，并在其所未分配到的分片中，建立对应的虚拟账户。

进一步的，区块链中，具有相同账户地址的智能合约交易均被分配到同一个分片。

进一步的，区块链中外部账户EOA建立有虚拟账户，合约账户不建立虚拟账户。

进一步的，虚拟账户地址是在主账户地址后添加分片索引形成的。

进一步的，转账交易被分配至发送方的账户地址所属的分片中处理，而智能合约交易被分配至智能合约地址所属的分片中处理。

本发明完整节点获取账户余额的方法为，将更改的状态数据同步到每个分片；轻节点获取账户余额的方法为，节点向加入了其虚拟账户所在分片的邻居节点发送请求，同步每个分片内虚拟账户的状态变化数据。

另外，本发明还提供一种基于虚拟账户的区块链跨分片交易系统，所述系统包括虚拟账户模块，在虚拟账户模块中，账户根据账户地址被平均分配到每个分片，这些账户称为主账户，每个主账户在其所未分配到的分片中，建立对应的虚拟账户。

所述账户包括外部账户和合约账户，所述外部账户建立有虚拟账户，合约账户不建立虚拟账户。

所述虚拟账户地址是在主账户地址后添加分片索引形成的。

另外，本发明还提供一种基于虚拟账户的区块链跨分片交易设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于虚拟账户的区块链跨分片交易程序，所述基于虚拟账户的区块链跨分片交易程序，配置有实现基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法。

本发明还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有基于虚拟账户的区块链跨分片交易程序，所述基于虚拟账户的区块链跨分片交易程序，在被执行时，实现基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法。

采用以上技术方案，本发明具有以下优点：

1.本发明所有账户都均匀分布到每个分片，并为每个主账户在其他分片中创建虚拟账户。所有的交易过程可以在一轮共识和一个分片中处理，而不需要分解成多个子交易，减少每个节点存储、通信的工作量。

2.有效解决传统的跨分片交易存在的系统吞吐量低的问题，实现了区块链分片系统的整体交易性能优化。

附图说明

图1是本发明账户分片的示意图。

图2是本发明基于虚拟账户的跨分片交易示意图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非是对本发明的限定。

实施例1：鉴于现有技术的种种问题，本发明提出一种基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法。

在本发明的区块链中，每个账户根据账户地址平均分配到每个分片。这些账户称为主账户。每个主账户在其所未分配到的分片中，建立对应的虚拟账户。例如，有两种不同类型的账户：由用户控制的外部账户（EOA）和由虚拟机（VM）执行的代码控制的合约账户。每个EOA在其主账户之外的其他分片中都有其虚拟账户，而合约账户不需要拥有其虚拟账户。在图1中，主账户A、B和C分别分布在分片S1、S2和S3中。主账户A在分片S2中具有虚拟账户A2，而在分片S3中具有虚拟账户A3。

在基于账户余额模型的分片区块链系统中，账户按账户地址分配到不同的分片，交易按发送方的账户地址分配给每个分片。跨分片交易需要分成几个子交易，并在多个分片中处理，或者在每个分片中增加一个新账户。它降低了交易处理效率。

本发明中，每个账户也按账户地址分配给一个分片。每个EOA账户在其他分片中都有其虚拟账户，以提高交易处理效率。

账户分配是将区块链中的账户按账户地址分配到各个分片中。假设区块链网络的分片数量为N_shard，将账户地址的前

个字符统一划分为N_shard个分片区域，并按账户地址将账户分配到各个分片。如图1，当分片数为3时，账户地址的前2个字符被均匀地划分为3个区域：[00,55)，[55,AA)，[AA,FF]。账户A的地址是0x16d085bA5C712322EdF6A4F8376260CdB834b038，由于其账户地址的前2个字符（16）是在[00，55）的范围，因此账户A被分配到分片S1。与账户A同理，账户B和C分别被分配到分片S2和S3。

账户分配完毕，需要创建虚拟账户。即为每个已分配的账户（称为主账户）在其他分片中创建其对应的虚拟账户。本发明中有两种不同类型的账户：由用户控制的外部账户EOA，以及由虚拟机（VM）执行的代码控制的合约账户。本发明仅对外部账户创建虚拟账户。每个分片中的虚拟账户地址是在主账户地址后添加分片索引形成的。例如，主账户A在分片S2的虚拟账户A2，其地址为0x16d085bA5C712322EdF6A4F8376260CdB834b0382，而在分片S3内的虚拟账户A3，其地址则为0x16d085bA5C712322EdF6A4F8376260CdB834b0383。

合约账户是智能合约的唯一标识符，合约交易是通过调用其合约地址来实现的。为了保证智能合约交易序列的正确性和一致性，具有相同账户地址的智能合约交易均被分配到同一个分片。因此，合约账户不需要通过虚拟账户来解决跨分片交易。

在本发明中，转账交易在发送人账户地址分布的分片中处理，智能合约交易在智能合约地址分布的分片中处理。

如图2，采用有向无环图（DAG）结构表示了账户与交易的关系。其中A、B、C分别为三个主账户，A2、A3为主账户A在分片S2、S3内的虚拟账户，B1、B3为主账户B在分片S1、S3内的虚拟账户, C1、C2为主账户C在分片S1、S2内的虚拟账户。图中实线表示主账户与其对应的虚拟账户，虚线则表示账户之间的交易。若账户A向账户B转账，只需要向账户B在分片S1的虚拟账户B1转账即可,所有的交易过程可在一个分片中完成。

具体的，当节点接收到一个交易时，首先对该交易的交易类型进行判断，若为转账交易，节点会将该转账交易分配至交易发起方的账户地址所在的分片中，该分片中的所有节点都会对该交易进行验证，若验证成功，则该节点将该交易放入交易池中，并将其广播给该分片中的邻居节点。

若一笔交易为合约交易，那么这笔交易会被分配到智能合约地址所在的分片中，同一智能合约的所有合约交易都在一个分片中处理，若交易发起方的账户不在此分片，则交易费用将从其虚拟账户中扣除。

一个账户的余额等于其主账户和所有虚拟账户的余额之和。节点有两种方法来查询账户余额：一是通过跨分片通信同步账户的状态变化数据，节点可以向加入了其虚拟账户所在分片的邻居节点发送请求，同步每个分片内虚拟账户的状态变化数据。

第二种方法是将更改的状态数据同步到每个分片。具体为：每个节点在收到并成功验证一个新区块后，将这个新区块广播给这个区块所在分片的邻居节点。同时，该节点向其他分片的邻居节点广播状态变化的数据和它的默克尔（Merkle）根。当一个节点接收到状态变化数据时，便会在验证成功后存储这些数据。

状态变化数据的数据结构可以如表1所示。

表1

数据项	大小（字节）	备注
			Account Address	20	此虚拟账户在该分片中的地址
Balance	8	此虚拟账户在该分片内的余额
			Nonce	8	该虚拟账户的交易序列号
Block Number	8	包括该虚拟账户交易的区块编号
			Shard Index	4	此虚拟账户所在分片的索引

第一种方法具有从邻居节点请求账户余额的延迟，第二种方法需要更多空间来存储其他分片的已更改状态数据。本发明中对于一些完整节点，我们同步更改的状态数据并从本地节点查询账户余额；对于一些轻节点（如钱包节点），向邻居节点请求账户余额是更好的选择。

本发明的虚拟账户地址无需通过新的密钥生成；通过前述方法获取总的账户余额，无需对每个虚拟账户单独进行余额管理；且本发明的虚拟账户对用户来说是不可见的，用户无法操作虚拟账户，且只在分片区块链系统中使用。

虚拟账户方法的提出是为了在单一分片中处理一笔交易的所有交易过程，它完全解决了跨分片的交易缺陷，但它可能导致两种新的攻击。

（1）同一账户在不同分片中的平行交易：

一般情况下转账交易在交易发起方的账户地址分布的分片中处理，这些转账交易在同一个分片中被验证。但转账交易也可在几个不同的分片中并行处理，攻击者在几个不同的分片中同时发送同一账户的多笔交易，每笔交易都可以被验证，但这些交易的总转账金额的总和大于主账户的余额。

在这种情况下交易验证者会向邻居节点请求该账户在所有分片中的所有未打包交易。例如，账户A在分片S1发送了金额为100和nonce（从账户地址发送的交易的序列号）为20的转账交易tx1，在分片S2发送了金额为120和nonce为21的转账交易tx2。交易验证者得到的账户A的余额和nonce分别是150和19，由于状态变化数据是同步到每个分片的，账户余额和nonce可以从本地节点查询，因此，交易tx1可以被直接验证，因为它的nonce 20与nonce 19相邻，且其交易金额100不大于账户A的账户余额150。而交易tx2的nonce是21，尽管其金额120不大于余额150，但交易验证者会先对nonce值与nonce 19相邻的未打包交易tx1进行验证。

合约交易的验证过程与上述流程同理，但只在智能合约地址所分布的分片中处理。

（2）账户余额欺诈

攻击者发送的交易，其转账金额不超过分片中虚拟账户的余额，但大于账户余额（其主账户和所有虚拟账户的余额之和）。

在这种情况下，由于验证者是将转账金额与整个账户的总余额进行比较，而不是与一个虚拟账户的余额进行比较，因此攻击者无法完成此账户余额欺诈攻击。例如，虚拟账户A1在分片S1的余额为120，而虚拟账户A2在分片S2的余额为-30，账户A的余额是90，假设账户A的其余虚拟账户在相应的分片中的余额都是0。账户A在分片区S1中发送了一个金额为100的转账交易tx1，则交易tx1无法被验证。

交易吞吐量表示区块链系统每秒处理的交易数量，即TPS。平均而言，以太坊的交易吞吐量为15-20TPS。在分片区块链系统中，区块链系统的性能可能会受到跨分片交易的影响。TPS的理论值几乎随着分片数量的增加而线性增加，但本发明中没有跨分片交易。

我们将非分片区块链系统中处理的平均交易数定义为

，将分片中处理的交易数定义成/>

，分片数为/>

。由于本发明中不需要存在跨分片交易，因此本发明中分片的交易吞吐量/>

和分片的平均交易吞吐量/>

为：

（1）

在本发明中，

的值几乎等于以太坊中的/>

值，因此，

的理论值约为以太坊中/>

的/>

倍。

本发明基于虚拟账户实现区块链跨分片交易，采用虚拟账户模型来处理单个分片中的所有交易，为每个外部账户在其他分片中创建对应的虚拟账户，所有的交易过程可以在一轮共识和一个分片中处理，而不需要分解成多个子交易，减少每个节点存储、通信的工作量，每个外部账户的账户余额数据能够快速进行同步。本方法有效解决传统的跨分片交易存在的系统吞吐量低的问题，实现了区块链分片系统的整体交易性能优化。

需要说明的是，以上所描述的工作流程仅仅是示意性的，并不对本发明的保护范围构成限定，在实际应用中，本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现发明的目的，此处不做限制。

实施例2：此外，本发明实施例还提出一种基于虚拟账户的区块链跨分片交易系统，所述系统包括虚拟账户模块，在虚拟账户模块中，账户根据账户地址被平均分配到每个分片，这些账户称为主账户，主账户在其所未分配到的分片中，建立对应的虚拟账户。

所述账户包括外部账户和合约账户，所述外部账户建立有虚拟账户，合约账户不建立虚拟账户。

所述虚拟账户地址是在主账户地址后添加分片索引形成的。

另外，本实施例仅仅是对本发明基于虚拟账户的分片扩展区块链系统，所作的基本表述，未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供方法，此处不再赘述。

实施例3：本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例的系统及方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如只读存储器（Read Only Memory，ROM）/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端设备（可以是手机，计算机，节点打包设备，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。

所以，本发明还提供了一种基于虚拟账户的区块链跨分片交易设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于虚拟账户的区块链跨分片交易程序，所述基于虚拟账户的区块链跨分片交易程序，配置有实现基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法。

另外，本发明还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有基于虚拟账户的区块链跨分片交易程序。

由于，在现实情况中，在部署设备或程序时，某个程序的运行可以是实行所有步骤，也可以是只实行某一步骤，并通过多个程序配合来实现全部步骤，

所以，所述基于虚拟账户的区块链跨分片交易程序，在被执行时，实现基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法中的全部或某一流程。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法，其特征在于，区块链中账户根据账户地址平均分配到每个分片，并在其所未分配到的分片中，建立对应的虚拟账户；

当节点接收到交易时，对该交易的交易类型进行判断，

若为转账交易，节点会将该转账交易分配至交易发起方的账户地址所在的分片中，该分片中的所有节点都会对该交易进行验证，若验证成功，则该节点将该交易放入交易池中，并将其广播给该分片中的邻居节点；

若为合约交易，交易会被分配到智能合约地址所在的分片中，同一智能合约的所有合约交易都在一个分片中处理，若交易发起方的账户不在此分片，则交易费用将从其虚拟账户中扣除。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法，其特征在于，区块链中，具有相同账户地址的智能合约交易均被分配到同一个分片，区块链中外部账户EOA建立有虚拟账户，合约账户不建立虚拟账户。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法，其特征在于，虚拟账户地址是在主账户地址后添加分片索引形成的。

4.根据权利要求2所述的基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法，其特征在于，转账交易被分配至发送方的账户地址所属的分片中处理，而智能合约交易被分配至智能合约地址所属的分片中处理。

5.根据权利要求2所述的基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法，其特征在于，完整节点获取账户余额的方法为，将更改的状态数据同步到每个分片；轻节点获取账户余额的方法为，节点向加入了其虚拟账户所在分片的邻居节点发送请求，同步每个分片内虚拟账户的状态变化数据。

6.基于虚拟账户的区块链跨分片交易系统，其特征在于，所述系统包括虚拟账户模块，在虚拟账户模块中，账户根据账户地址被平均分配到每个分片，这些账户称为主账户，每个主账户在其所未分配到的分片中，建立对应的虚拟账户；

当节点接收到交易时，对该交易的交易类型进行判断，若为转账交易，节点会将该转账交易分配至交易发起方的账户地址所在的分片中，该分片中的所有节点都会对该交易进行验证，若验证成功，则该节点将该交易放入交易池中，并将其广播给该分片中的邻居节点；若为合约交易，交易会被分配到智能合约地址所在的分片中，同一智能合约的所有合约交易都在一个分片中处理，若交易发起方的账户不在此分片，则交易费用将从其虚拟账户中扣除。

7.根据权利要求6所述的基于虚拟账户的区块链跨分片交易系统，其特征在于，所述账户包括外部账户和合约账户，所述外部账户建立有虚拟账户，合约账户不建立虚拟账户。

8.根据权利要求7所述的基于虚拟账户的区块链跨分片交易系统，其特征在于，所述虚拟账户地址是在主账户地址后添加分片索引形成的。

9.基于虚拟账户的区块链跨分片交易设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于虚拟账户的区块链跨分片交易程序，所述基于虚拟账户的区块链跨分片交易程序，配置有实现如权利要求1至5任一项所述的基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法。

10.存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有基于虚拟账户的区块链跨分片交易程序，所述基于虚拟账户的区块链跨分片交易程序，在被执行时，实现如权利要求1至5任一项所述的基于虚拟账户的区块链跨分片交易方法。

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