CN108881459A - 一种面向实际应用的高可扩展公用区块链*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向实际应用的高可扩展公用区块链***，其特征在于，包括基础区块链、辅助区块链N、辅助区块链1与开放存储架构，所述辅助区块链N与辅助区块链1为辅助区块链，所述基础区块链、辅助区块链与开放存储架构分别与KanBan SCAR与MapReduce相配合的***循环制约错位保证机制，所述基础区块链的设计以最小数据量、最小计算量及最小网络带宽需求为目标，提供基础协议、账本、智能合约、价值体系，拥有最高裁决权，本发明是由经过一体化设计的三大组成部份、基础区块链、辅助区块链及开放存储架构组成，三位一体，相互配合，构建了具有统一协议基础、功能相互协调、具有全程合法性及有效性验证、真正去中心化的、安全可靠的高性能区块链完整架构。

Description

一种面向实际应用的高可扩展公用区块链***

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及一种面向实际应用的高可扩展公用区块链***。

背景技术

区块链技术是下一代互联网–价值互联网的基础，比特币及以太坊等区块链平台的成功运行，为区块链应用展示了良好的前景。然而，由于受通讯、节点性能及共识机制等因素的制约，目前的公有区块链***都面临交易处理能力严重不足的瓶颈问题，如比特币及以太坊每秒钟处理交易量都不超过7笔。这是区块链迈向实用面临的巨大障碍，现实经济活动中，许多应用场景下的交易量都超过这一规模，如交易所、物联网平台、电商平台、供应链、医疗等，单个平台的实际交易量往往每秒钟几十笔、几百笔，甚至数千笔，而公共区块链是同时面向众多应用场景的，实际要求的处理能力要高得多。

发明内容

本发明的目的为解决目前背景技术中存在的缺点，提供了一种面向实际应用的高可扩展公用区块链***，其特征在于，包括基础区块链、辅助区块链N、辅助区块链1与开放存储架构，所述辅助区块链N与辅助区块链1为辅助区块链，所述基础区块链、辅助区块链与开放存储架构分别与KanBan SCAR与MapReduce相配合的***循环制约错位保证机制，所述MapReduce用作快速数据查询及共识决策，所述基础区块链的设计以最小数据量、最小计算量及最小网络带宽需求为目标，提供基础协议、账本、智能合约、价值体系，拥有最高裁决权，基础区块链的信任合法性来源于全部参与节点，辅助区块链通常辅助区块链节点承载大量具体业务，如汇兑交易、电子商务、供应链、物联网平台或医疗平台等，辅助区块链节点业务呈现中心化特征，本发明中价值确认及交易最终裁决权是由基础链以去中心化方式执行的，配合开放存储架构的去中心化数据存储，从根本上保证了辅助区块链具有中心化特征的本地交易实现完全去中心化，而且安全、可靠，所述开放存储架构全面支持快捷商用区块链的价值交易及事务交易记录的存储，并利用MapReduce技术构造映***简函数模型，以支持大数据快速查询。开放存储架构不仅支持面向区块链交易的快速查询，也支持对事务区块链相关的基于内容的开放商业信息快速查询，在服务于本***的同时，为建立区块链时代的搜索引擎打下基础，为了支持大数据并发，***架构设计方案为在数据库口层采用Sharding技术，支持数据库的水平扩展。

对本发明的进一步描述，所述基础区块链全节点功能构成包括Blockchain、Wallet、Miner、Network、Virtual machin与KanBan6个模块。

对本发明的进一步描述，所述KanBan模块在不显著增加基础区块链负担的情况下，在全局范围提供对辅助区块链交易状态的实时更新及查询能力，是专为有效防止辅链双花攻击的特殊模块。KanBan模块以内存数据管理程序或内存数据库的形式，运行于基础区块链的节点计算机或与基础区块链相配合的独立计算机的GPU中，以全局呈现辅助区块链交易状态，将KanBan设计为GPU内存数据库，一方面基本不占用节点普通资源，保证其基础区块链作业效率，另一方面，GPU内存数据库数据处理能力远超计算机主处理器，可以大幅度提高KanBan运行效率，使小批量状态更新及查询操作可以在毫秒级时间内完成。

对本发明的进一步描述，所述KanBan须配有运行适当算法的图形加速卡，初始KanBan节点的硬件要求是安装16GB以上内存的图形加速卡，但随着数据量的增加，要求会提高，提高GPU硬件要求不影响共识机制，但可能影响运作效应。

对本发明的进一步描述，所述辅助区块链为从同一个根上生成的两条独立区块链，分别为价值链和事务链，用于服务于辅助区块链的价值维护与事务管理，价值链记录价值交易，事务链记录业务逻辑和业务数据。这种双链机制使本***可以在底层区块链与上层业务逻辑之间，构建通用的功能层，全方位支持各类具体商业应用需求。

对本发明的进一步描述，所述开放存储架构的节点除具有数据存储架构外，还具有与区块链***兼容P2P协议及联接管理与通讯接口，可以方便地加入区块链网络，存储节点也是通过P2P网络参与各辅助区块链共识机制的，一个开放存储节点可能与多个辅助区块链相联，为多个辅助区块链提供数据存储服务并参与多个链的共识机制。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

本发明是由经过一体化设计的三大组成部份、基础区块链、辅助区块链及开放存储架构组成，三位一体，相互配合，构建了具有统一协议基础、功能相互协调、具有全程合法性及有效性验证、真正去中心化的、安全可靠的高性能区块链完整架构，KanBan、SCAR及CCUA三项技术，使本地离链交易状态可以在整个区块链范围以去中心化方式实时更新及核查，防止双花，从而使***可以满足包括交易所、物联网、电子商务、供应链、医疗等大交易量场景下去中心化大规模实时交易的要求；为了强化本地交易的去中心化功能，本发明设计了开放存储架构，以经济激励机制及强制性规则，通过协议及共识机制强制辅助区块链或本地化节点支持本地交易的去中心化开放存储。

附图说明

图1为本发明的***循环制约错位保证机制示意图；

图2为本发明的***的总体逻辑架构示意图；

图3为本发明的辅助区块链构造示意图；

图4为本发明的完整的辅助区块链双链结构示意图；

图5为本发明的基础区块链全节点功能构成示意图；

图6为本发明的辅助去块链价值交易处理流程示意图；

图7为本发明的基础区块链网络图；

图8为本发明的基础区块链内核架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1至图8所示的一种面向实际应用的高可扩展公用区块链***，其特征在于，包括基础区块链、辅助区块链N、辅助区块链1与开放存储架构，所述辅助区块链N与辅助区块链1为辅助区块链，所述基础区块链、辅助区块链与开放存储架构分别与KanBan SCAR与MapReduce相配合的***循环制约错位保证机制，所述MapReduce用作快速数据查询及共识决策，所述基础区块链的设计以最小数据量、最小计算量及最小网络带宽需求为目标，提供基础协议、账本、智能合约、价值体系，拥有最高裁决权，基础区块链的信任合法性来源于全部参与节点，辅助区块链通常辅助区块链节点承载大量具体业务，如汇兑交易、电子商务、供应链、物联网平台或医疗平台等，辅助区块链节点业务呈现中心化特征，本发明中价值确认及交易最终裁决权是由基础链以去中心化方式执行的，配合开放存储架构的去中心化数据存储，从根本上保证了辅助区块链具有中心化特征的本地交易实现完全去中心化，而且安全、可靠，所述开放存储架构全面支持快捷商用区块链的价值交易及事务交易记录的存储，并利用MapReduce技术构造映***简函数模型，以支持大数据快速查询。开放存储架构不仅支持面向区块链交易的快速查询，也支持对事务区块链相关的基于内容的开放商业信息快速查询，在服务于本***的同时，为建立区块链时代的搜索引擎打下基础，为了支持大数据并发，***架构设计方案为在数据库口层采用Sharding技术，支持数据库的水平扩展。

对本发明的进一步描述，所述基础区块链全节点功能构成包括Blockchain、Wallet、Miner、Network、Virtual machin与KanBan6个模块。

对本发明的进一步描述，所述KanBan模块在不显著增加基础区块链负担的情况下，在全局范围提供对辅助区块链交易状态的实时更新及查询能力，是专为有效防止辅链双花攻击的特殊模块。KanBan模块以内存数据管理程序或内存数据库的形式，运行于基础区块链的节点计算机或与基础区块链相配合的独立计算机的GPU中，以全局呈现辅助区块链交易状态，将KanBan设计为GPU内存数据库，一方面基本不占用节点普通资源，保证其基础区块链作业效率，另一方面，GPU内存数据库数据处理能力远超计算机主处理器，可以大幅度提高KanBan运行效率，使小批量状态更新及查询操作可以在毫秒级时间内完成。

对本发明的进一步描述，所述KanBan须配有运行适当算法的图形加速卡，初始KanBan节点的硬件要求是安装16GB以上内存的图形加速卡，但随着数据量的增加，要求会提高，提高GPU硬件要求不影响共识机制，但可能影响运作效应。

对本发明的进一步描述，所述辅助区块链为从同一个根上生成的两条独立区块链，分别为价值链和事务链，用于服务于辅助区块链的价值维护与事务管理，价值链记录价值交易，事务链记录业务逻辑和业务数据。这种双链机制使本***可以在底层区块链与上层业务逻辑之间，构建通用的功能层，全方位支持各类具体商业应用需求。

对本发明的进一步描述，所述开放存储架构的节点除具有数据存储架构外，还具有与区块链***兼容P2P协议及联接管理与通讯接口，可以方便地加入区块链网络，存储节点也是通过P2P网络参与各辅助区块链共识机制的，一个开放存储节点可能与多个辅助区块链相联，为多个辅助区块链提供数据存储服务并参与多个链的共识机制。

本发明是由经过一体化设计的三大组成部份、基础区块链、辅助区块链及开放存储架构组成，三位一体，相互配合，构建了具有统一协议基础、功能相互协调、具有全程合法性及有效性验证、真正去中心化的、安全可靠的高性能区块链完整架构，KanBan、SCAR及CCUA三项技术，使本地离链交易状态可以在整个区块链范围以去中心化方式实时更新及核查，防止双花，从而使***可以满足包括交易所、物联网、电子商务、供应链、医疗等大交易量场景下去中心化大规模实时交易的要求；为了强化本地交易的去中心化功能，本发明设计了开放存储架构，以经济激励机制及强制性规则，通过协议及共识机制强制辅助区块链或本地化节点支持本地交易的去中心化开放存储。

KanBan的处理流程是：收到来自辅助区块链的包、验证包的合法性、验证交易合法性、更新KanBan状态、向辅助区块链提交收据，这样KanBan中终始保存着在辅助区块链交易的地址或账户的准确状态，如果需要，还可进一步向存储节点核实辅助区块链上的详细交易记录，KanBan在收到辅助区块链数据包后，验证包及其中交易的合法性，经验证合格后更新相关地址状态，并向辅助区块链返回收据并通知存储节点，包括节点余额、合约签名，如不合格则拒收并通知辅助区块链，KanBan可以实时的方式提供每个地址的当前状态，以防止双花。KanBan还提供每个辅助区块链的当前块的签名存根，以证实辅助区块链中块的有效性。

对辅助区块链上的新交易，***通过KanBan状态及基础区块链交易状态验证交易的有效性，对于同一账户或地址有冲突的，时间优先，时间相同的，hash值优先。如果交易发生冲突，对产生冲突的地址或账户设置可疑标识，对于KanBan中设置可疑标记的地址，在新交易发生时，要通过开放存储架构节点清查详细交易记录，技术上为了强化KanBan处理性能，开发专用GPU数据处理模块，使KanBan运行于节点计算机GPU中，不占用节点普通资源，以使其有效处理基础区块链交易，KanBan除了用于快速处理辅助链交易、维护辅助链地址状态外，同时还执行辅助链挖矿任务，KanBan还可周期性地向硬盘镜像数据，以备掉电后快速恢复。

KanBan可以运行于基础区块链节点主算机中，也可以运行于与基础区块链节点相联的独立主算机，甚至可以运行于存储节点主算机中。技术上，一个节点也可以没有主链节点、辅链节点或存储节点，而仅仅是一个独立的KanBan节点。由于KanBan程序设计为GPU数据库程序，运行于计算机GPU中并占用GPU内存，因此，未配有适当图形加速卡的设备无法运行KanBan。设计方案上，***并不要求基础区块链上所有全节点都带有KanBan功能，但带有KanBan功能的节点均拥有KanBan标识。不带KanBan功能的节点不参与KanBan服务，也不参与辅链共识机制；提供KanBan功能的节点则可以赚取辅助链采矿收益，此收益来自辅助链的交易费用。事实上，对于基础条件比较好的节点，可以提供包括基础区块链、KanBan、辅链及开放存储节点在内的全部***功能。

节点计算机若要运行KanBan，须配有运行适当算法的图形加速卡，初始KanBan节点的硬件要求是安装16GB以上内存的图形加速卡，但随着数据量的增加，要求会提高。提高GPU硬件要求不影响共识机制，但可能影响运作效应。因为***中KanBan节点是根据性能分类的，并分别作也标识，如16GB为KB1,32GB为KB2。假设保留2GB GPU内存作为节点其它用途，2GB用作辅助区块链相关数据，其余用作最重要的离链账户地址状态表。一条账户状态记录数据不超过64字节，则12GB可以提供大约2亿个活动账户状态记录；如果安装32GB图形加速卡则可以提供约5亿个活动账户状态信息。***设计方案上，支持KanBan分组功能，一组KanBan服务于某一或某些辅助区块链。

辅助区块链起源于基础区块链授权，由基础链提供原始证据及身份，并通过基础链签发的智能合约确定本辅助区块链的属性及参数，交易过程中由主链、KanBan及存储架构参与验证。

每条辅助区块链的起始块是由基础区块链签署的特别块，并为辅助区块链定义一个特别账号，称为智能合约代理路由(SCAR)，以代理辅助区块链与外部的一切交易。在***总体设计方案上，辅助区块链可以为从同一个根上生成的两条独立区块链，分别为价值链和事务链，用于服务于辅助区块链的价值维护与事务管理。

辅助区块链的内核结构及大部份功能与基础区块链相同，许多模块甚至可以通用。但共识机制及矿工软件不同，辅助区块链比基础区块链内核模块具有更多的选择性，由于辅助区块链可以定制自己的货币体系，并且有交易包处理和发送开放存储架构数据功能，辅助区块链内核还有包处理模块、KanBan通讯及数据交换模块、数据外部存储管理模块等。辅助区块链核心功能中一个非常重要的特殊模块为SCAR处理模块，以将所有的交易转换为与SCAR之间的交易，并维护关联交易状态，另外辅助存储模块需扩充开放存储架构(OSA)支持功能，辅助区块链中，KanBan功能是可选的，仅当有下级子链时才需要。

本发明为地址设计制订一了套专门规则–跨链统一地址协议(Cross ChainUnified Address,简称CCUA)，即地址专属规则，地址码段相同的地址属于同一拥有人，具体规则如下：一个地址由四个码段组成，即：地址类型码-链码-地址码-校验码地址类型码为2个字节，目前0m为基础链PKH地址，1a为辅助链PKH地址；链码为4字节，代表所在链的编号，基础链编号为0000；目前仅假定地址码为PKH值，辅助链与基础区块链采用相同私钥及公钥，因而，对应地址相同；校验码是对组合地址串二次Hash后取前4个字节。任何两个地址码段相同的账户均属于同一拥有人，无论在哪个链上，如：0m 0000aaabbbccc123y4sg 1a0a4u aaabbbccc123g8rj这两个账户，一个位于基础区块链，一个位于链码为0a4u的辅助链，由于地址码段相同，这两个地址属于同一个拥有者。辅助链与基础链之间仅限同一拥有者在相同地址码的地址间交易。当一个辅助链用户向基础区块链提交清算时，必须转到相对应的地址。一个地址在辅助链上为交易状态型地址，即每次交易不会改变地址，而只是更新余额。

跨链统一地址协议CCUA为实施交易验证及简化辅链交易的管理提供了方便的手段，事实上，跨链统一地址协议不限于本***，完全可以作为唯一跨链统一地址协议，适应于所有的区块链，可以为实施通用去中心化的交易管理，提供非常方便的手段。

每个辅助区块链均有一个特殊账户，称为智能合约代理路由账户Smart ContractAgent Route，简称SACR，该账户的支配权仅限于基础区块链授权的智能合约，用于执行基础链与辅助区块链对应账户之间的交易，该路由中的智能合约亦由主链确立及控制。

SCAR是辅助区块链交易枢纽，辅助区块链上账户间的一切交易均转化为辅助区块链账户与SCAR之间的交易，所有辅助区块链与主链及其它辅助区块链之间的交易也均通过SCAR账户执行，这样，就使辅助区块链上的所有交易流线化，目的是当用户向基础区块链申请清算时，减少基础链交易数据，且无需交易对方同意即可执行，而SCAR也为基础链防范辅助区块链欺诈提供了可能措施。

这种方式看似中心化，但交易是由去中心化的KanBan验证且数据由去中心化的开放存储节点保存的，辅助区块链本身不具有裁决权，也不存在数据的独占权，所以也完全是去中心化的。辅助区块链的SCAR账户私钥由主链智能合约控制。辅助区块链上的任何交易均由智能合约及SCAR进行合法性检查。辅助区块链上任何两账户间的交易均被流线化为用户与SCAR之间的交易。辅助区块链上账户A与账户B之间交易：A B转换为A SCAR和SCAR B，辅助区块链账户A与主链账户X音交易：A X转换为A X1，X1 SCAR和SCAR X，主链账户X与辅助区块链账户A间交易：X A转换为X SCAR，SCAR X1和X1 A，同辅助区块链用户AB间交易：AB转换为A SCAR1，SCAR1 SCAR2和SCAR2 B，

辅助区块链的价值交易具有全局有效性，这是通过KanBan功能及去中心化的存储架构实施的，即辅助区块链的账户状态始终与KanBan同步，而包含交易记录的块被提交到KanBan指定的存储节点存储。当辅助区块链客户向基础区块链提交账户清算时，即使所在的辅助区块链消失，也可使清算得到顺利执行，因为KanBan及存储***保存完整的交易数据及状态信息，而由于SCAR机制的设立，任何辅助区块链交易均转化为用户与SCAR之间的交易，而SCAR是由基础区块链控制的，所以无需其它交易方的同意即可执行清算，清算完成后，辅助区块链上对应地址清空，KanBan中对应的记录也删除。KanBan始终保持每个辅助区块链SCAR的总状态，并可通过对辅助区块链UTXO集合清查核算。

以上描述了本发明的基本原理和主要特征，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种面向实际应用的高可扩展公用区块链***，其特征在于，包括基础区块链、辅助区块链N、辅助区块链1与开放存储架构，所述辅助区块链N与辅助区块链1为辅助区块链，所述基础区块链、辅助区块链与开放存储架构分别与KanBan、SCAR与MapReduce相配合的***循环制约错位保证机制，所述MapReduce用作快速数据查询及共识决策，所述基础区块链的设计以最小数据量、最小计算量及最小网络带宽需求为目标，提供基础协议、账本、智能合约、价值体系，拥有最高裁决权，基础区块链的信任合法性来源于全部参与节点，辅助区块链通常辅助链节点承载大量具体业务，如汇兑交易、电子商务、供应链、物联网平台或医疗平台等，辅助区块链节点业务呈现中心化特征，本发明中价值确认及交易最终裁决权是由基础链以去中心化方式执行的，配合开放存储架构的去中心化数据存储，从根本上保证了辅助链具有中心化特征的本地交易实现完全去中心化，而且安全、可靠，所述开放存储架构全面支持快捷商用区块链的价值交易及事务交易记录的存储，并利用MapReduce技术构造映***简函数模型，以支持大数据快速查询。开放存储架构不仅支持面向区块链交易的快速查询，也支持对事务区块链相关的基于内容的开放商业信息快速查询，在服务于本***的同时，为建立区块链时代的搜索引擎打下基础，为了支持大数据并发，***架构设计方案为在数据库口层采用Sharding技术，支持数据库的水平扩展。

2.根据权利要求1所述的一种面向实际应用的高可扩展公用区块链***，其特征在于，所述基础区块链全节点功能构成包括Blockchain、Wallet、Miner、Network、Virtualmachin与KanBan6个模块。

3.根据权利要求1所述的一种面向实际应用的高可扩展公用区块链***，其特征在于，所述KanBan模块在不显著增加基础区块链负担的情况下，在全局范围提供对辅助区块链交易状态的实时更新及查询能力，是专为有效防止辅链双花攻击的特殊模块。KanBan模块以内存数据管理程序或内存数据库的形式，运行于基础区块链的节点计算机或与基础区块链相配合的独立计算机的GPU中，以全局呈现辅助链交易状态，将KanBan设计为GPU内存数据库，一方面基本不占用节点普通资源，保证其基础区块链作业效率，另一方面，GPU内存数据库数据处理能力远超计算机主处理器，可以大幅度提高KanBan运行效率，使小批量状态更新及查询操作可以在毫秒级时间内完成。

4.根据权利要求1所述的一种面向实际应用的高可扩展公用区块链***，其特征在于，所述KanBan须配有运行适当算法的图形加速卡，初始KanBan节点的硬件要求是安装16GB以上内存的图形加速卡，但随着数据量的增加，要求会提高，提高GPU硬件要求不影响共识机制，但可能影响运作效应。

5.根据权利要求1所述的一种面向实际应用的高可扩展公用区块链***，其特征在于，所述辅助区块链为从同一个根上生成的两条独立区块链，分别为价值链和事务链，用于服务于辅助链的价值维护与事务管理，价值链记录价值交易，事务链记录业务逻辑和业务数据。这种双链机制使本***可以在底层区块链与上层业务逻辑之间，构建通用的功能层，全方位支持各类具体商业应用需求。

6.根据权利要求1所述的一种面向实际应用的高可扩展公用区块链***，其特征在于，所述开放存储架构的节点除具有数据存储架构外，还具有与区块链***兼容P2P协议及联接管理与通讯接口，可以方便地加入区块链网络，存储节点也是通过P2P网络参与各辅助链共识机制的，一个开放存储节点可能与多个辅助链相联，为多个辅助链提供数据存储服务并参与多个链的共识机制。