一种基于区块链的链下扩容技术

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，尤其是涉及一种基于区块链的链下扩容技术。

背景技术

区块链是一种基于分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用体系。它本质上是一个去中心化的数据库，是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一批次网络交易的信息，用于验证其信息的有效性(防伪)和生成下一个区块。狭义来讲，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本。广义来讲，区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算方式。

目前为止，区块链的影响范畴已经不仅仅是针对于金融系统的革新，其对互联网的重构以及对整个产业结构的重塑已经成为当前最为热门的话题之一。

现行长安链网络中的共识节点需参与共识流程中通信消息和账本的同步，因此共识存在着一定的时延。同时，面对大规模交易带来的数据存储负担、加密解密计算量负担，交易处理效率也存在着瓶颈。对于数据存储资源有限的问题，众多企业和个人都选择将数据存储在云服务器上。虽然云计算是一种基于大型共享虚拟化计算资源池的分布式计算模型，它可以帮助用户使用强大的计算和存储资源，大大减轻用户在硬件和软件上的数据存储负担。但是，其安全性、可靠性和隐私一直是一个严重的问题。

在用户将数据存储在云服务器上之后，服务器提供商可能会由于各种因素损坏或删除用户数据，验证外包数据的完整性成为云存储中的关键问题。远程数据完整性审计技术非常方便和安全，可以帮助用户检查外包存储的数据的完整性。因此云数据安全的本质是云存储提供商(CSP)如何与用户建立信任。云设备故障、非法攻击和CSP可能被贿赂以查看用户数据，所有这些都可能导致非法侵犯用户数据。

区块链具有去中心化、抗篡改、一致性和可追溯性。因此，存储在区块链上的信息是公开和透明的。尽管使用区块链作为可信的第三方审计可以解决很多问题，但区块的快速增长将导致区块链网络维护和用户创建新区块的高成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于区块链的链下扩容技术，增强隐私保护，降低网络时延，提高处理效率，通过将链上的交易过程转移到线下进行，降低存储和计算成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于区块链的链下扩容技术，包括区块链链下扩容方案、基于等离子智能合约的数据完整性审计协议、批审计方案和安全定义，所述区块链链下扩容方案包括0层扩容、链上扩容和链下扩容，所述0层扩容通过改变区块链的底层数据传输协议来提高区块链的可扩展性；所述链上扩容包括数据层改进方案、共识层改进方案和网络层改进方案；所述链下扩容是在应用层进行更改以提高可扩展性。

优选的，所述基于等离子智能合约的数据完整性审计协议是通过引入等离子子链并在链上和链下部署智能合约，以低计算和通信开销执行。

优选的，所述批审计方案可以同时批处理多个审计任务并引入非交互式审计的概念。

优选的，所述安全定义使任何伪造的证明都不能以不可忽略的概率通过验证，保障了数据的安全性。

优选的，所述链下扩容由链下交易、链下共识和链上通道合约组成。

优选的，所述链下扩容方法包括以下步骤：

(1)在链上创建通道，然后在通道内进行数据交互，最后关闭通道并提交最新状态到链上清算，其中在通道内的数据交互和链下状态更新都无需进行区块链共识；

(2)基于哈希时间锁机制，在创建通道时形成各方的资产证明，用以监察交易各方数据，基于领导者重要性评分机制选举可信节点，对通道各方的交易行为进行监督，以保证通道内信息交互行为安全可控，构建高效可靠的多人链下即时交互网络，把高频交易从链上转移到链下通道进行处理，卸载链上事务处理压力；

(3)把链下的海量的交易组织成默克尔树，通过新型默克尔树数据结构，把海量的链下数据和复杂的链下业务流程以默克尔树根哈希的形式映射到链上，提高链上数据摘要和链下数据的一致性和业务执行的完整性的验证效率；

(4)用链上合约来管理节点的信用值，通过设置初始通道节点的权限，让通道管理员对申请进入通道的节点进行审核，结合链上合约审计功能来决定节点是否可以进入；

(5)节点退出机制依靠链下合约审计机制，通过链下合约对节点的事物进行审计，计算是否存在未完成的事物，并且保留一段时间给链下的节点或者监督节点提出异议，如果都没有，则对链下的事务进行清算，把结果进行上链，节点退出通道。

本发明所述的一种基于区块链的链下扩容技术的优点和积极效果是：

1.增强隐私保护，采用链下通道隔离技术，解决了长安链链上交易存在的隐私泄露问题。

2.降低网络时延，通过高安全、高可用、高性能的链上链下协作体系和参与节点的动态增删机制，使部分节点能够利用链下网络快速、高效、安全地处理交易，整体降低长安链网络的时延和大规模节点组网能力。

3.提高处理效率，构建高效可靠的多人链下即时交互网络，把高频交易从链上转移到链下通道进行处理，卸载链上事务处理压力，提升系统事务处理效率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种基于区块链的链下扩容技术中的链上链下交互图；

图2为本发明一种基于区块链的链下扩容技术中的交易流程图；

图3为本发明一种基于区块链的链下扩容技术中的链下交易过程图；

图4为本发明一种基于区块链的链下扩容技术中的链下共识过程图；

图5为本发明一种基于区块链的链下扩容技术中的合约判断流程图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例

一种基于区块链的链下扩容技术，包括区块链链下扩容方案、基于等离子智能合约的数据完整性审计协议、批审计方案和安全定义，区块链链下扩容方案包括0层扩容、链上扩容和链下扩容，0层扩容通过改变区块链的底层数据传输协议来提高区块链的可扩展性。

链上扩容包括数据层改进方案、共识层改进方案和网络层改进方案，增加块大小(直接或间接)或减少块验证传播时间和共识形成时间。链下扩容不会改变基本协议，而是在应用层进行更改以提高可扩展性。链下扩容主要包括四种方法：状态通道、侧链、交叉链和链下计算，将一些链上交易转移到链下执行，以减轻链上的处理压力，提高整体效率。在提高区块链性能的同时，链下扩容技术考虑了去中心化和安全性，并具有各种优异的性能。

基于等离子智能合约的数据完整性审计协议是通过引入等离子子链并在链上和链下部署智能合约，以低计算和通信开销执行。

批审计方案可以同时批处理多个审计任务并引入非交互式审计的概念。为了尽可能避免在审计过程中由于与CSP的沟通而影响用户体验，引入了非交互式审计的概念。为了保证审计的正确性，采用了奖励池机制，验证节点可以获得合理的奖励。

安全定义使任何伪造的证明都不能以不可忽略的概率通过验证，保障了数据的安全性。

链下扩容的方法，包括以下步骤：

(1)在链上创建通道，然后在通道内进行数据交互，最后关闭通道并提交最新状态到链上清算，其中在通道内的数据交互和链下状态更新都无需进行区块链共识；

(2)基于哈希时间锁机制，在创建通道时形成各方的资产证明，用以监察交易各方数据，基于领导者重要性评分机制选举可信节点，对通道各方的交易行为进行监督，以保证通道内信息交互行为安全可控，构建高效可靠的多人链下即时交互网络，把高频交易从链上转移到链下通道进行处理，卸载链上事务处理压力；

(3)把链下的海量的交易组织成默克尔树，通过新型默克尔树数据结构，把海量的链下数据和复杂的链下业务流程以默克尔树根哈希的形式映射到链上，提高链上数据摘要和链下数据的一致性和业务执行的完整性的验证效率；

(4)用链上合约来管理节点的信用值，通过设置初始通道节点的权限，让通道管理员对申请进入通道的节点进行审核，结合链上合约审计功能来决定节点是否可以进入；

(5)节点退出机制依靠链下合约审计机制，通过链下合约对节点的事物进行审计，计算是否存在未完成的事物，并且保留一段时间给链下的节点或者监督节点提出异议，如果都没有，则对链下的事务进行清算，把结果进行上链，节点退出通道。

链下扩容由链下交易、链下共识和链上通道合约组成。领导者节点组织链下的交易和共识过程，当领导者的更新提议得到全部用户的投票后，把链下检查点提交到链上通道智能合约，链下通道的主要流程如图1所示。

1、交易发起用户1向用户3发起转账请求；

2、交易收款用户2对这笔交易的签名表示同意交易，并返回给用户1；

3、交易发起者用户1向领导者提交附有双方签名的交易；

4、领导者对该笔交易的合法性检查无误后回复交易回执。

经过一个轮次(多笔交易)的链下交易后进入链下共识阶段：

1、领导者发布检查点更新提案；

2、其他用户收到提案后，回复对该提案的签名表示对该提案的投票；

3、领导者获得全部用户的投票后把提交检查点到链上通道合约，或超时未收集，则领导者节点调用合约查看是否有挑战者。

4、当链下出现共识争议，挑战者节点提交当前轮次涉及自己的所有交易构造的默克尔树，领导者节点提交当前轮次涉及挑战者节点的所有交易构造的默克尔树，交由链上合约解决争议(如图2所示)。

链下交易过程：

链下交易模块实现了安链链下通道内交易的功能，链下交易与链上交易解耦，链下交易结构定义区别于链上交易结构，只将链下阶段性的用户状态通过链上交易存区块链。链下交易具体流程如图3所示。

1.用户向交易接收方请求构建交易。链下交易发送方随机生成一个唯一的uuid对交易进行构造，设置交易的发送方、接收方、支付金额和其他状态参数，并对交易进行签名，最后向接收方发送此交易，请求其对交易进行签名。

2.接收方响应构建交易请求。接收方接到发送方构建交易的请求后，验证发送方交易签名，若验证通过，则使用其私钥对交易签名，并将具有交易双方签名的交易发送给领导者。

3.领导者向交易双方响应确认交易。当前领导者收到带有双方签名的交易，验证交易双方签名，若验证通过，领导者将使用其私钥对交易进行签名，签名后向交易双方响应确认信息。

链下共识过程

1.当前epoch的leader节点在交易周期结束时驱动通道进入共识阶段，首先leader节点计算当前epoch的最终状态，包括当前epoch、下个周期leaderId、所有通道参与者的余额、节点退出集合。leader将最终状态在通道中进行广播，并等待接收通道参与者对最终状态的签名。

2.通道参与者从leader节点接收到当前epoch的最终状态，需验证的余额是否正确，若验证通过，通道参与者对最终状态进行签名，并将此签名发送给leader节点，等待leader节点的状态确认消息。

3.leader节点接收到所有通道参与者的签名并验证，若验证签名通过后，将一个包含最终状态和所有通道参与者对状态签名的确认消息广播给所有参与者，以完成当前的epoch，至此，多人通道的参与者即可进入下一个epoch。

链上通道智能合约

链上通道合约作为连接链与链下通道的桥梁，它的功能主要是是记录链下通道的交易情况和行为，同时为关键的链上操作提供执行的完整性和正确性保证。部署在链上的通道智能合约能够保证用户挑战时的正确性(如图5所示)。

1.先判断双方提交的默克尔树根是否相同，如果相同，则认为领导者正确。这里分情况讨论，第一种情况，挑战者没有作弊，提交了涉及的所有交易，那么领导者节点提交的该挑战者的交易和挑战者相同，则认为所有交易都正确，挑战者发起无意义挑战，领导者正确，第二种情况，挑战者作弊，隐瞒部分交易，领导者节点提交的该挑战者的交易和挑战者不相同，由于挑战者作弊，则领导者节点正确。

2.若默克尔树根不同，则判断交易数量相同部分是否相同，若不同，则开始验证交易不同部分及后面所有交易签名，若相同则判断交易数量是否相同，若相同则认为领导者正确，否则也开始验证交易不同部分及后面所有交易签名。

3.若挑战者提交交易签名有问题，则领导者正确，否则判断领导者提交交易，若领导者提交交易签名有问题，则挑战者正确，都正确，则判断交易数量。

4.若挑战者提交的交易数量多，则挑战者正确，否则领导者正确。

5.领导者正确，则领导者提交该阶段状态到链上通道合约，若挑战者正确，则回滚该阶段状态，选择新的领导者重新开始本阶段交易。

因此，本发明采用上述一种基于区块链的链下扩容技术，增强隐私保护，降低网络时延，提高处理效率，通过将链上的交易过程转移到线下进行，降低存储和计算成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。