TW202005327A

TW202005327A - 區塊鏈的生成方法及系統

Info

Publication number: TW202005327A
Application number: TW107118027A
Authority: TW
Inventors: 陳泰元; 黃偉寧; 歐曜瑋
Original assignee: 柯賓漢數位金融科技有限公司
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2020-01-16
Also published as: TWI673988B; WO2019224593A1

Abstract

一種區塊鏈的生成方法，其包含以下步驟：複數個節點基於區塊鏈協定獲取一共享文件，並且依據共享文件分別建立一區塊鏈，其中每一區塊鏈包含一區塊，且每一節點所建立之區塊鏈內容皆不完全相同；該等節點互相確認區塊鏈，形成複數個已確認區塊鏈；以及將該等已確認區塊鏈壓實形成一共同區塊鏈。相較於習知技術，本發明之區塊鏈生成方法及系統可以更快速的產生區塊，並且大幅降低運算量，具有無限的可擴展性、防止網路壅塞、確保交易公平、以及達到真正的去中心化的優點。

Description

區塊鏈的生成方法及系統

本發明關於一種區塊鏈系統，並且特別地，關於一種由多個節點各自產出一條區塊鏈，之後將多條區塊鏈壓實成一條共同區塊鏈的區塊鏈系統。

近年來，以區塊鏈技術為基礎的各種虛擬貨幣(Crypto Currency)開始在網際網路上大量使用和流行，如比特幣、以太幣、狗狗幣等，且這些虛擬貨幣的日交易額超過千萬美元，並且在不斷增長中。目前已有維基百科、戴爾電腦、新蛋、PayPal等著名公司和機構支持使用比特幣作為交易貨幣。

區塊鏈技術是一種不依賴第三方、通過自身分散式節點進行網路數據的存儲、驗證、傳遞和交流的一種技術方案。因此，有人從金融會計的角度，把區塊鏈技術看成是一種分散式開放性去中心化的大型網路記賬薄(公開帳本)，任何人任何時間都可以採用相同的技術標準加入自己的信息，延伸區塊鏈，持續滿足各種需求帶來的數據錄入需要。

比特幣使用的公開帳本是一套基於工作量證明(Proof-of-Work)機制的分散式存儲方案，通常具有極高的安全性和抗攻擊特性。要對比特幣區塊鏈的安全性形成有效攻擊，需要高達數千TH/s以上的計算能力，這已經超過了當前全球前500強超級電腦的計算能力總和的百倍。

然而，雖然比特幣具有去中心化、資料不可竄改等優點，但仍存在著許多缺點。例如，資源浪費，比特幣使用工作量證明(Proof-of-Work)機制決定由誰產出新的區塊，這樣的方式導致有大量的電腦在同一時間計算一個沒有意義的數學問題，造成資源的浪費；非完全去中心化，比特幣使用工作量證明(Proof-of-Work)機制決定由誰產出新的區塊，導致算力較強的電腦掌控了大部分出塊的權利，形成另一種形式的中心化問題；不可擴展，比特幣為了確保資料的一致性，限制每段時間只能產出一個被認可的區塊，因此平均每秒交易數(TPS)僅能負荷7筆交易，造成網路堵塞、出塊速度過慢等問題；具有提前交易(front-running)的風險，區塊鏈上每一筆交易資料都是公開透明的，比特幣送出的交易有可能需要經過幾個小時或是幾天才會被寫入區塊中承認，而在交易被寫入區塊之前都會有被別人搶先交易的風險，造成不公平的問題。由上述內容可知，目前以區塊鏈為基礎的比特幣具有諸多的缺點，實非良善設計。

有鑑於此，本發明提供一種區塊鏈的生成方法，執行於一電腦系統，該電腦系統包含複數個節點，其包含以下步驟：該等節點基於區塊鏈協定獲取一共享文件，並且依據該共享文件分別建立一區塊鏈，其中每一區塊鏈包含一區塊，且每一節點所建立之該區塊鏈內容皆不完全相同；該等節點互相確認(Ack)該區塊鏈，形成複數個已確認區塊鏈；以及將該等已確認區塊鏈壓實(Compacted)形成一共同區塊鏈。

於一具體實施例中，該等節點互相確認該區塊鏈以形成複數個已確認區塊鏈之步驟，進一步包含以下子步驟：該等節點中之一第一節點在所建立的該區塊鏈中產生一第一區塊，並且發出該第一區塊所對應之一第一廣播；非該第一節點之該等節點接收該廣播，並且確認該第一區塊；以及當該第一區塊被超過一預定數量之該等節點確認後，該第一節點建立之該區塊鏈即成為該已確認區塊鏈。其中該預定數量為該等節點總數之三分之二。

於一具體實施例中，非該第一節點之該等節點接收該第一廣播以確認該第一區塊之子步驟，進一步包含以下次步驟：該等節點中之一第二節點接收該第一節點之該第一廣播；該第二節點依據該共享文件產生一第二區塊，其中該第二區塊包含對應於該第一區塊之一確認資料；以及該第二節點發出該第二區塊所對應之一第二廣播。

於實際應用上，該確認資料包含該第一區塊之創建者代碼、該第一區塊之哈希值、該第一區塊之高度、以及一確認時間戳，其中該確認時間戳為該第二節點接收到該第一廣播之時間戳。且該第二區塊之一創建時間戳大於該第一區塊之一創建時間戳，其中該創建時間戳為該區塊創建之時間戳。

於一具體實施例中，將該等已確認區塊鏈壓實形成一共同區塊鏈之步驟後，另包含以下步驟：將該共同區塊鏈儲存在該等節點。

於一具體實施例中，每一區塊鏈之該區塊依據一排序演算法(Ordering Algorithm)壓實形成該共同區塊鏈。

於實際應用上，該區塊包含一創建者代碼、一交易紀錄、該區塊之哈希值、該區塊之前一區塊之哈希值、一創建者簽名、一區塊高度、以及一確認資料。且該交易紀錄為包含複數筆交易資料，每一筆交易資料包含一交易代碼、一發送者代碼、一接受者代碼、一交易量、以及一發送者簽名。

本發明另一範疇在於提供一種區塊鏈生成系統，其包含：一區塊鏈網路，儲存一共享文件；以及複數個節點，該等節點連接該區塊鏈網路獲取該共享文件，並且依據該共享文件分別建立一區塊鏈，該等節點互相確認(Ack)該區塊鏈以形成複數個已確認區塊鏈；其中，該等已確認區塊鏈被壓實(Compacted)以形成一共同區塊鏈，而每一區塊鏈包含一區塊，且每一節點所建立之該區塊鏈內容皆不完全相同。

本發明之區塊鏈生成方法及系統利用多個節點各自形成一條區塊鏈，並且利用共識演算法以及排序演算法將多條區塊鏈壓實成一共同區塊鏈。相較於習知技術，本發明以有向無環圖(Directed Acyclic Graph,DAG)為基礎提出一種創新的區塊鏈資料結構，多個節點同時建立各自的區塊鏈使得出快速度遠大於目前的區塊鏈系統，且避免了中心化的問題。另一方面，本發明使用個節點間互相確認(Ack)的方式使節點間達到共識(Consensus)，不但能解決拜占庭將軍問題(Byzantine Generals Problem)，又可以大幅降低系統的運算量，避免資源浪費。同時，由於本發明的出塊速度遠大於目前的區塊鏈系統，意味著當一筆交易被放上本發明之區塊鏈生成系統時，可以很快的就被寫入區塊中，因此也解決了習知技術公平性問題。

10、12、14‧‧‧節點

20、21、22、23、24、25、26、27‧‧‧區塊

30、32、34‧‧‧區塊鏈

100‧‧‧第一節點

110‧‧‧第一區塊

120‧‧‧第一廣播

200‧‧‧第二節點

210‧‧‧第二區塊

220‧‧‧第二廣播

1000‧‧‧步驟

2000‧‧‧步驟

2100‧‧‧步驟

2200‧‧‧步驟

2300‧‧‧步驟

2301‧‧‧步驟

2400‧‧‧步驟

2500‧‧‧步驟

2510‧‧‧步驟

2520‧‧‧步驟

2530‧‧‧步驟

2531‧‧‧步驟

2540‧‧‧步驟

2600‧‧‧步驟

3000‧‧‧步驟

圖1為本發明之一具體實施例之方法流程圖。

圖2為圖1步驟2000之子流程圖。

圖3為圖2步驟2500之次流程圖。

圖4為圖2步驟2300、步驟2400之一具體實施例之示意圖。

圖5為圖3步驟2530、步驟2540之一具體實施例之示意圖。

圖6為節點產生支鏈之示意圖。

圖7為本發明之區塊鏈結構之示意圖。

圖8為將圖1步驟3000之一具體實施例之示意圖。

為了讓本發明的優點，精神與特徵可以更容易且明確地了解，後續將以具體實施例並參照所附圖式進行詳述與討論。值得注意的是，這些具體實施例僅為本發明代表性的具體實施例，其中所舉例的特定方法、裝置、條件、材質等並非用以限定本發明或對應的具體實施例。又，圖中各裝置僅係用於表達其相對位置且未按其實際比例繪述，合先敘明。

請參考圖1，圖1為本發明之一具體實施例之方法流程圖。本發明提供一區塊鏈生成方法及系統，該區塊鏈生成系統包含一區塊鏈網路以及複數個節點。區塊鏈網路中儲存一共享文件，共享文件是經由一使用者所上傳之公開文件，例如交易紀錄，合約內容等，每一個節點都可以透過訪問區塊鏈網路獲取共享文件。複數個節點為該區塊鏈網路的共同維護者，扮演著區塊鏈網路的儲存器(Storage)以及驗證器(Validator)，一般來說每一個節點代表著一個電子計算機裝置，其中複數個節點中包含一第一節點以及一第二節點。如圖1所示，步驟1000，複數個節點依據區塊鏈網路上的共享文件分別建立一區塊鏈。實際應用上，區塊鏈網路上存在著數筆共享文件，而每一個節點可以獲取不同的共享文件建立區塊鏈，因此每一個節點所建立的區塊鏈皆不完全相同(可能發生部分內容相同)。於一具體實施例中，使用者可以自行選擇要將上傳的共享文件交付給選擇的節點，或是由一代表(Delegate)將共享文件隨機分配給多個節點進行資料打包。

於一具體實施例中，每一節點所建立的區塊鏈都是由多個區塊所連接而成，且每一區塊包含一創建者代碼(Block Proposer ID)、一交易紀錄(Transactions)、該區塊之哈希值(Block Hash)、該區塊之前一區塊之哈希值(Previous Block Hash)、一創建者簽名(Signature)、一區塊高度(Block Height)、以及一確認資料(Acks)。進一步的，交易紀錄中包含複數筆交易資料，每一筆交易資料包含一交易代碼(Transaction ID)、一發送者代碼(Sender ID)、一接受者代碼(Receiver ID)、一交易量(Payload)、以及一發送者簽名(Sender Signature)。

請參考圖1、圖2以及圖3，圖2為圖1步驟2000之子流程圖，圖3為圖2步驟2500之次流程圖。於步驟2000中，各節點互相確認(Ack)區塊鏈，形成複數個已確認區塊鏈。而步驟2000又可以分為以下子步驟：步驟2100，第一節點獲取共享文件；步驟2200，第一節點查驗共享文件是否正確？若否，則接續步驟2301，屏除未通過查驗之共享文件；若是，則接續步驟2300，第一節點建立一第一區塊；步驟2400，第一節點發出一第一廣播；步驟2500，其餘節點接收到第一廣播後，確認(Ack)第一區塊；步驟2600，當第一區塊被超過一預定數量之節點確認後，即形成已確認區塊鏈。其中，步驟2500又可以分為以下次步驟：步驟2510，第二節點接收到第一廣播；步驟2520，第二節點查驗第一廣播內容是否正確？若否，則接續步驟2531，屏除未通過查驗之第一廣播；若是，則接續步驟2530，第二節點依據共享文件建立一第二區塊，其中第二區塊包含一確認資料；步驟2540：第二節點發出一第二廣播。以下將針對上述步驟以實施例以及圖式方式詳盡說明。

請參考圖2以及圖4，圖4為圖2步驟2300、步驟2400之一具體實施例之示意圖。於一具體實施例中，第一節點100由區塊鏈網路獲取交易紀錄(共享文件)，並且對交易紀錄進行查驗，查驗項目包含檢查交易紀錄的資料格式是否正確，以及檢查交易紀錄內容是否符合第一節點100內所儲存的資料，例如，檢查交易發送者的帳號中是否有足夠餘額進行交易。若查驗結果顯示資料錯誤，此筆交易紀錄則被屏除，不會被記錄到新的區塊中，於實際應用上，第一節點100可以直接把未通過查驗得交易紀錄刪除，或將錯誤訊息回報給代表(Delegate)或其他節點。若查驗結果顯示資料正確，則將交易紀錄寫入新創建的第一區塊110中。當第一節點100建立第一區塊110後即發出一第一廣播120通知其他節點，其中，第一廣播120包含第一區塊110的相關資訊，且第一廣播120是以八卦協議(Gossip Protocol)的方式廣播，以確保所有節點都能收到廣播，但廣播方式不限於此。

請參考圖3、圖4、圖5以及圖6，圖5為圖3步驟2530、步驟2540之一具體實施例之示意圖，圖6為節點產生支鏈(Fork)示意圖。於一具體實施例中，第二節點200接收到第一廣播120，並且查驗第一廣播120所包含的內容是否正確，例如檢查廣播中所包含之前一區塊之哈希值(Previous Block Hash)是否與其他廣播相同，若具有相同的前一區塊之哈希值(Previous Block Hash)則代表發送廣播的節點產生支鏈(Fork)，而同一節點產生支鏈的情況在本發明中是不允許的，因此當檢查出發送廣播的節點產生支鏈，可以將錯誤訊息回報給代表(Delegate)或其他節點，甚至給予產生支鏈的節點懲處，節點10之區塊20產生支鏈的示意圖如圖6所示。

另一方面，若查驗第一廣播120所包含的內容物正確，則第二節點200將接收到第一廣播120的確認資訊寫入新產生的一第二區塊210中，值得注意的是，第二節點200並非因為收到第一廣播120而建立第二區塊210，第二節點200在建立新的區塊210之前可能會收到數個廣播，而第二節點200僅是在建立新的第二區塊210時，將收到的廣播(通過查驗)的確認資訊(Ack)寫入第二區塊210中。當第一廣播120通過查驗，且第二節點200將收到第一廣播120的確認資訊寫入新產生的一第二區塊210中，則代表第二區塊210確認(Ack)第一區塊110，如圖5中第二區塊210指向第一區塊110之箭號。實際應用上，確認資料包含第一區塊之創建者代碼(Block Proposer ID)、第一區塊之哈希值(Block Hash)、第一區塊之高度(Block Height)、以及一確認時間戳(Block Ack Timestamp)，其中確認時間戳為第二節點210接收到第一廣播120之時間戳，第一區塊之高度為第一區塊110在第一節點100之區塊鏈中被產生之順序，例如，若第一區塊110為第一節點100所產生之第2個區塊，則第一區塊之高度為2。當第二節點200建立第二區塊210後，即發出一第二廣播220通知其他節點，其中，第二廣播220包含第二區塊210的相關資訊，且第二廣播220是以八卦協議(Gossip Protocol)的方式廣播，以確保所有節點(包含第一節點100)都能收到廣播，但廣播方式不限於此。

於一具體實施例中，區塊被建立時具有一創建之時間戳，當第二區塊210確認(Ack)第一區塊110時，第二區塊210之創建時間戳必須大於第一區塊110之創建時間戳，即第一區塊110必須比第二區塊210早創建。

請參考圖7，圖7為本發明之區塊鏈結構之示意圖。圖7中，每個節點各自建立多個區塊以形成區塊鏈，而多個節點相互對新產生的區塊進行確認(如圖中區塊間的箭號)，形成一有向無環圖(Directed Acyclic Graph,DAG)架構的區塊鏈。於一具體實施例中，區塊20為節點10最新生成的區塊，當區塊20被超過節點總數三分之二的節點確認(Ack)後，區塊20所屬之區塊鏈30即成為已確認區塊鏈。值得注意的事，由於區塊資訊中包含前一區塊之哈希值(Previous Block Hash)，因此當節點10生成新的區塊20(子區塊)被超過三分之二的節點確認(Ack)時，相當於確認了節點10之區塊20(子區塊)前所有連接的區塊(母區塊)。本發明所使用確認(Ack)方式之共識演算法(Consensus Algorithm)解決了區塊鏈中的拜占庭將軍問題(Byzantine Generals Problem)。

請參考圖1以及圖8，圖8為將圖1步驟3000之一具體實施例之示意圖。執行完上述步驟2000後獲得複數個已確認區塊鏈，接著進行步驟3000，將多個已確認區塊鏈壓實形成一共同區塊鏈。於圖8之具體實施例中，節點10、12、14所產生之區塊鏈30、32、34已經被超過三分之二的節點確認(Ack)形成已確認區塊鏈，而節點可以將所有已確認區塊鏈壓實(Compacted)成一條共同區塊鏈，共同區塊鏈上包含所有已確認區塊鏈的所有區塊，且該等區塊(21、22、23、24、25、26、27)排序的相對位置固定不變。區塊的排序方式可以依據每個區塊之創建時間戳排序，或是依據一排序演算法(Ordering Algorithm)進行排序。其中，排序演算法將前一區塊已被放入共同區塊鏈的區塊當作進入共同區塊鏈的第一順序，之後則依據區塊被確認(Ack)的次數做為進入共同區塊鏈的排序，利用排序演算法(Ordering Algorithm)進行整合排序(Total Ordering)可以避免使用區塊的創建時間戳，避免創建時間戳被竄改的風險。

於實際應用上，雖然每個節點雖然各自建立不同的區塊鏈，但由於每個節點間會以廣播方式互相確認(Ack)，因此每個節點計算出的共同區塊鏈會是一致的，而共同區塊鏈被儲存在每個節點中當作查驗的依據(公開帳本)。於一具體實施例中，亦可以透過一代表(Delegate)檢查每個節點所產生的共同區塊鏈是否一致，以確保資料的一致性。

於實際應用上，由於每個節點都是由區塊鏈網路中獲取共享文件而建立區塊鏈，因此在形成共同區塊鏈時可能會產生同一筆交易紀錄被記錄在兩個不同的區塊中，當壓實時檢測到同一筆交易重複出現，則會自動刪除其中一筆重複的交易紀錄，確保資料的正確性。

於一具體實施例中，一電子計算機裝置被分片成多個節點，且每一節點獨立運作產生一區塊鏈，使運算資源被最大化的利用。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

10‧‧‧節點

20‧‧‧區塊

30‧‧‧區塊鏈

Claims

一種區塊鏈生成方法，執行於一電腦系統，該電腦系統包含複數個節點，其包含以下步驟：該等節點基於一區塊鏈協定獲取一共享文件，並且依據該共享文件分別建立一區塊鏈，其中每一區塊鏈包含一區塊，且每一節點所建立之該區塊鏈內容皆不完全相同；該等節點互相確認該區塊鏈，形成複數個已確認區塊鏈；以及將該等已確認區塊鏈壓實形成一共同區塊鏈。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等節點互相確認該區塊鏈以形成複數個已確認區塊鏈之步驟，進一步包含以下子步驟：該等節點中之一第一節點在所建立的該區塊鏈中產生一第一區塊，並且發出該第一區塊所對應之一第一廣播；非該第一節點之該等節點接收該廣播，確認該第一區塊；以及當該第一區塊被超過一預定數量之該等節點確認後，該第一節點建立之該區塊鏈即成為該已確認區塊鏈。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該預定數量為該等節點總數之三分之二。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中非該第一節點之該等節點接收該第一廣播以確認該第一區塊之子步驟，進一步包含以下次步驟：該等節點中之一第二節點接收該第一節點之該第一廣播；該第二節點依據該共享文件產生一第二區塊，其中該第二區塊包含對應於該第一區塊之一確認資料；以及該第二節點發出該第二區塊所對應之一第二廣播。
如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該確認資料包含該第一區塊之創建者代碼、該第一區塊之哈希值、該第一區塊之高度、以及一確認時間戳，其中該確認時間戳為該第二節點接收到該第一廣播之時間戳。
如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該第二區塊之一創建時間戳大於該第一區塊之一創建時間戳，其中該創建時間戳為該區塊創建之時間戳。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中將該等已確認區塊鏈壓實形成一共同區塊鏈之步驟後，另包含以下步驟：將該共同區塊鏈儲存在該等節點。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中每一區塊鏈之該區塊依據一排序演算法壓實形成該共同區塊鏈。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該區塊包含一創建者代碼、一交易紀錄、該區塊之哈希值、該區塊之前一區塊之哈希值、一創建者簽名、一區塊高度以及一確認資料。
如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該交易紀錄為包含複數筆交易資料，每一筆交易資料包含一交易代碼、一發送者代碼、一接受者代碼、一交易量以及一發送者簽名。
一種區塊鏈生成系統，其包含：一區塊鏈網路，儲存一共享文件；以及複數個節點，該等節點連接該區塊鏈網路獲取該共享文件，並且依據該共享文件分別建立一區塊鏈，該等節點互相確認該區塊鏈以形成複數個已確認區塊鏈；其中，該等已確認區塊鏈被壓實以形成一共同區塊鏈，而每一區塊鏈包含一區塊，且每一節點所建立之該區塊鏈內容皆不完全相同。
如申請專利範圍第11項所述之區塊鏈生成系統，其中該複數個節點包含有一第一節點，該第一節點依據該共享文件生成一第一區塊，並且發出該第一區塊所對應之一第一廣播，其中非該第一節點之該等節點接收該第一廣播，並且確認該第一區塊，當該第一區塊被超過一預定數量之該等節點確認後，該第一節點建立之該區塊鏈即成為該已確認區塊鏈。
如申請專利範圍第12項所述之區塊鏈生成系統，其中該預定數量為該等節點總數之三分之二。
如申請專利範圍第12項所述之區塊鏈生成系統，其中該複數個節點包含有一第二節點，用於接收該第一節點之該第一廣播，其中當該第二節點依據該共享文件產生一第二區塊時，該第二區塊包含對應於該第一區塊之一確認資料，並且該第二節點發出該第二區塊所對應之一第二廣播。
如申請專利範圍第14項所述之區塊鏈生成系統，其中該確認資料包含該第一區塊之創建者代碼、該第一區塊之哈希值、該第一區塊之高度以及一確認時間戳，其中該確認時間戳為該第二節點接收到該第一廣播之時間戳。
如申請專利範圍第14項所述之區塊鏈生成系統，其中該第二區塊之一創建時間戳大於該第一區塊之一創建時間戳，其中該創建時間戳為該區塊創建之時間戳。
如申請專利範圍第11項所述之區塊鏈生成系統，其中該共同區塊鏈被儲存在該等節點中。
如申請專利範圍第11項所述之區塊鏈生成系統，其中每一區塊鏈之該區塊依據一排序演算法壓實以形成該共同區塊鏈。
如申請專利範圍第11項所述之區塊鏈生成系統，其中該區塊包含一創建者代碼、一交易紀錄、該區塊之哈希值、該區塊之前一區塊之哈希值、一創建者簽名、一區塊高度以及一確認資料。
如申請專利範圍第19項所述之區塊鏈生成系統，其中該交易紀錄為包含複數筆交易資料，每一筆交易資料包含一交易代碼、一發送者代碼、一接受者代碼、一交易量以及一發送者簽名。