一种兼容多资产类型快速交易的联盟链构建方法与流程

本发明属于资产交易及区块链技术领域，具体涉及一种兼容多资产类型快速交易的联盟链构建方法。

背景技术：

2008年，化名中本聪的学者发布了奠基性论文《bitcoin：apeer-to-peerelectroniccashsystem》，基于区块链技术的数字货币“比特币”由此诞生。在比特币系统中，底层的设计原则是网络中所有参与者的地位平等，它们一致地信任工作量证明来验证和执行网络规则从而不再需要清算中心。网络采用共识算法来执行各参与者之间的清算，提升了安全性，避免了昂贵的第三方信任需求以及传统货币的物理转移损耗。由此，具备分布式、非中心化、高安全性等特点的区块链技术被认为是继大型机、个人电脑、互联网之后计算模式的颠覆式创新。

比特币系统的出现亦引发了全球对数字货币系统的研究热潮，以比特币系统为模板衍生出众多的数字货币系统，如莱特币、无限币等。然而，随着研究的深入，人们发现比特币等数字货币系统也存在着一定缺陷。首先是交易速度的问题，在比特币工作量证明方法设计下，交易速度平均只有每10分钟1次，并且交易成交用时长短相差很大，有时一笔交易的完成要远远超过10分钟。因此，从实时交易的视角来看，比特币的交易速度太慢。这是比特币系统采用工作量证明这一共识算法必然造成的结果，因为最近保存的交易记录能够被修改(另外一个具有更多工作量证明的节点取代当前节点获取记账权)。这一延迟是为了确认最近的交易确由工作量最大节点完成而必然存在的，然而该延迟却最终阻碍了很多需要实时或者接近立即进行的商业应用。其次，当前各数字货币系统是独立的，仅能进行单一资产类型的交易；可以想见数字货币流行开来也必然是多种数字货币共存流通的局面，因此，需要打通不同数字货币系统间的交易壁垒，实现基于区块链技术的不同类型数字资产在同一系统内的自由交易。

采用其它节点共识算法替代工作量证明以及采用联盟链技术实现不同类型资产交易互通是解决上述问题的有效途径。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种兼容多资产类型快速交易的联盟链构建方法，其通过引入联盟链技术实现多种类型数字资产的交易互通，同时在充分保证系统安全性的基础上引入固定多方签名共识机制代替工作量证明这一动态多方签名机制，显著缩短交易时间。

一种兼容多资产类型快速交易的联盟链构建方法，包括如下步骤：

(1)引入侧链作为资产转移的媒介，通过侧链运作机制打通多种资产类型的交易壁垒；

(2)建立并实现主链与侧链之间联盟挂钩的运作机制；

(3)使用固定多重数字签名代替动态成员多方签名机制，以提升交易速度；

(4)制定并实现联盟系统的共识机制。

所述步骤(1)中的侧链即为用于接受用户从主链转移资产的区块链，该资产转移工作即通过锁定主链上的资产使该资产无法使用(暂时冻结)，然后在侧链上创建一个交易来描述被锁定资产(在侧链上生成或解锁等额的资产)的方式来实现。

所述步骤(1)中的侧链运作机制，具体实现如下：

1.1用户将待交易的资产发送到一个特定的地址，使该资产在侧链发出“资产送回”信号之前始终处于冻结状态；

1.2在侧链上嵌入相应信息，表明该资产已经在主链上被冻结，请求在侧链上交易；

1.3通过在侧链上解锁或创建等额的资产，使得用户可以在不同于主链规则的侧链规则下与可选择的其它类型的资产进行交易；

1.4当用户要在侧链上取回部分或全部的资产时，则先在侧链上嵌入“资产送回”信息来描述一个资产输出到主链；

1.5联盟中各个成员就该交易的真实性达成共识，确认交易真实发生；

1.6消除侧链上的资产，将主链上被锁定的资产解冻。

所述步骤(2)中的联盟挂钩运作机制即利用智能合约校验两条区块链之间转移资产，联盟成员通过智能合约校验过程观察主链与侧链，验证它们之间的资产交易。

所述智能合约校验过程通过安排相应的联盟成员扮演以下角色来实现：

区块签名员，负责在侧链上标记交易并定义其共识历史区块；

监察员，负责从侧链移出资产并在主链上标记交易。

上述两种角色可以是独立的，区块签名员按照共识协议生成，区块共识推动侧链账本的生成，监察员只需保证资产在链间转移时在线，解决资产的“进链”和“出链”事务。

所述联盟成员运行一个载有比特币、侧链节点、创建及管理跨链交易的软件的安控服务器，该服务器还包含一个管理秘钥及其数字签名的硬件安全模块，该模块用于保护网络安全，当发现网络攻击，则检查所有的秘钥并冻结网络。如果一个或几个联盟成员受到攻击，即使它们难以毁坏的硬件已被完全毁坏，但只要其他联盟仍是完好的，那么系统也不会受到影响，要想成功毁掉联盟挂钩系统则至少要毁掉大多数的联盟成员，包括区块签名员和监察员。

所述步骤(3)中采用固定的签名集合代替动态多方成员，采用脚本验证取代工作量证明共识规则；在联盟链中，利用脚本来实现k/n的多方签名机制，这一机制要求标记区块的成员数量比例达到k/n的门槛值，n为固定签名集合中的成员总数，k为同意对某一区块签名的成员总数且n/2＜k≤n。如此一来，本发明构建的联盟链可以仿效比特币系统实现对拜占庭将军问题的鲁棒，仅攻陷少数(少于固定签名集合成员总数一半)签名者无法对系统造成影响。

所述步骤(4)的具体实现过程如下：

4.1区块签名员提出候选块并采用循环的方式给固定签名集合中的所有成员签署；

4.2通过一次性签署给定的候选块，各区块链签名者将它们的意愿通过信号发出；

4.3对于任一区块链签名者，如果该签名者的意愿(验算值)超过门槛值x，则签署该候选块，进而以循环的方式让下一签名者进行判断签署；

4.4若候选块的签名数量达到门槛值y，则共识达成，进而区块签名员向网络成员广播该候选块；其中，x和y均为设定值且1/2＜y≤1。

本发明能够打通不同资产类型间的交易壁垒，实现交易系统对各种资产类型的广泛兼容；同时本发明采用固定签名集合方案，能够大幅缩减系统内各节点共识达成时间，快速敲定交易显著提升资产流转效率，此外本发明对拜占庭将军问题有优越的鲁棒性，难以被攻破。

附图说明

图1(a)为资产转移之前的区块链结构示意图。

图1(b)为借助侧链实现资产转移运作后的区块链结构示意图。

图2为含7成员固定签名集合的12节点联盟网络系统示意图。

图3为基于固定签名集合的共识机制流程示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提出了一种兼容多资产类型快速交易的区块链联盟机制设计方法，引入联盟链技术实现多种类型数字资产的交易互通，同时，在充分保证系统安全性的基础上引入固定多方签名共识机制代替工作量证明这一动态多方签名机制，显著缩短交易时间；其具体实现方案采用如下步骤：

(1)引入侧链作为资产转移的媒介，通过联盟挂钩机制打通多种资产类型的交易壁垒。

侧链是允许用户从其他区块链移进或移出资产的区块链。这些转移工作通过锁定一条链上的资产使资产无法使用(暂时冻结)，然后在侧链上创建一个交易来描述锁定的资产(在侧链生成或解锁等额的资产)来实现。实际上，实现了资产从母链至子链的等效转移。

如图1所示，侧链的运作机制可分为以下几个步骤：

1.1用户将待交易的资产发送到一个特定的地址，之后该资产在侧链发出“资产送回”信号之前始终处于冻结状态。

1.2侧链上嵌入信息表明资产已经在母链上被冻结，请求在侧链上交易。

1.3侧链上解锁或创建等额的资产，从而用户可以在不同于主链规则的侧链规则下与可选择的其它类型的资产进行交易。

1.4用户在侧链上想要取回部分或全部的资产，则在侧链上嵌入“资产送回”信息描述一个资产输出到主链。

1.5联盟中各个成员就交易的真实性达成共识，确认交易真实发生。

1.6消除侧链上的资产，将主链上冻结的资产解冻。

(2)实现主链与侧链间的联盟挂钩。

联盟挂钩的运作机制是利用智能合约校验在两条链之间转移资产。联盟成员通过智能合约校验过程观察至少两条区块链——母链区块链和侧链，验证它们之间的资产交易。

智能合约校验的实现通过安排相应的联盟成员扮演以下角色来实现：

a.区块签名员，负责侧链上标记交易定义其共识历史区块。

b.监察员，负责从侧链移出资产并在主链上标记交易。

这两种角色可以是独立的，区块签名员按照共识协议生成区块共识推动侧链账本的生成，监察员只需保证资产在链间转移时在线，解决资产的“进链”和“出链”事务。

联盟挂钩成员运行一个载有比特币、侧链节点以及创建和管理跨链交易软件的安控服务器。每个服务器包含一个管理秘钥和秘钥数字签名的硬件安全模块。该模块的主要工作是保护网络安全，并且如果发现网络攻击，则检查所有的秘钥并冻结网络。如果一个或几个联盟成员受到攻击，即使它们难以毁坏的硬件已被完全毁坏，但只要其他联盟仍是完好的，那么系统也不会受到影响。要想成功毁掉联盟挂钩系统则至少要毁掉大多数的联盟成员，包括区块签名员和监察员。

(3)使用固定多重数字签名代替动态成员多方签名机制提升交易速度。

假定系统中存在少量的恶意节点，为了实现交易的低延迟以及消除新生成区块的重组风险，本发明采用固定的签名集合代替动态成员，采用脚本验证取代了工作量证明共识规则。在联盟链中，脚本实现k/n的多方签名方案。这一机制要求标记区块的成员数量达到k/n的门槛值。其中，n表示固定签名集合中的成员总数，k为同意对某一区块签名的成员总数(n/2＜k≤n)。如此以来，本发明构建的系统可以仿效比特币系统实现对拜占庭将军问题的鲁棒：仅攻陷少数(少于固定签名集合成员总数一半)签名者无法对系统造成影响。如图2所示的一个12节点网络系统，其中包括7个节点组成的固定签名集合，当3个签名节点被攻陷时，剩余的4个签名者仍能就新产生的交易区块达成共识。

(4)制定联盟系统的共识机制。

如图3所示，共识机制的实现过程如下：

4.1区块签名员提出候选块并采用循环的方式给所有其他参与者签署。

4.2通过一次性签署给定的待定区块，每个区块链签名者将它们的意愿通过信号发出。

4.3如果区块链签名员的签名意愿达到门槛值x，则该标识者签署这一区块。

4.4如果签名数量达到门槛值y，则该区块被接受并发送到网络。

4.5下一个区块签名员以循环的方式处理下一个区块。

其中，i和j为计数变量无实际含义，n表示系统固定签名集合的成员总数。

以下我们模拟一个12节点系统，其中包括一个由7个节点组成的固定签名集合和5个普通节点，同时选定节点8作为交易监察员，系统如图2所示。交易流程及共识达成方法与发明内容保持一致，同时采用以下算法加密交易数据：

首先，每个参与者(每个产生交易区块的节点)选择两对公钥-私钥对(a,a)和(b,b)，其中a为线上私钥，b为线下私钥，参与者将公钥a、b交给监察员。

其次，每个参与者授权一个与自己所控制资产地址所对应的秘钥w，做如下计算：l＝a+h(w+b)(w+b)，其中h为随机预言哈希；对l生成一个环签名并将结果发送给监察员。

最后，当监察员观察到从侧链到母链的资产转移时，判断该转移是否满足条件：资产本属于母链或者有与资产地址相关的授权证明；若满足则执行该资产转移，不满足则制止。

为测试系统对拜占庭问题的鲁棒性，人为组织固定签名集合成员节点1、3、11参与共识过程，发现系统仍能就新产生的交易区块达成共识保持良好运转。结果表明，根据本发明构建的系统能够实现不同资产类型的快速交易且具有良好的拜占庭问题鲁棒性。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。