CN110648139B - 基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法及装置，包括：通过选举为事务配置根委员会和分片委员会；对事务的激励和保证金及冲突事务进行检测，检测通过后在分片委员会中随机选择一个验证节点，在验证时限内对事务进行验证，将验证结果发送给根委员会开启事务的挑战时限，任一节点向验证结果发起挑战，若在挑战时限内没有节点进行挑战，则认同验证节点的验证结果，若有，则在发起挑战的节点随机选取一个合法节点进行下一轮次的验证，若在限定轮次内未结束挑战，则将事务送至争议解决模块直接得到正确验证结果，最后对参与验证的节点的验证结果进行清算。该方法实现了对任意复杂度验证事务的经济验证与线性扩容。

Description

基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法及装置

技术领域

本发明涉及信息安全技术领域，特别涉及一种基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法及装置。

背景技术

随着信息领域的发展，人们对于事务处理的公平性与鲁棒性的需求逐渐提高，而区块链技术完美契合了这一趋势，其通过融合抗女巫算法与激励机制构建去中心化的共识网络，既能维持公开透明、不可篡改、可追溯的分布式账本，作为价值互联网的基础设施；又可以创建图灵完备的智能合约完成任意复杂度事务的分布式计算、存储，通过虚拟网络信用驱动现实社会信用。在此基础上，基于委员会的共识技术通过引入传统的拜占庭共识协议作为区块链的共识内核，以抗女巫算法作为委员会公开竞选/轮换的安全保障，该类共识技术完全消除了分叉带来的不一致问题，极大降低了事务的确认延迟同时提升了服务的鲁棒性。

但以上共识方案要求生态内所有在任的验证者或矿工承担全部事务的验证、存储与通信开销，这极大的限制了方案的可拓展性：一方面，这导致验证节点需要承担庞大的验证压力，该过程算力浪费，效率低下，生态不得不通过限制区块容量和事务复杂度来保证服务的稳定性与安全性；另一方面，用户需要为此付出昂贵的事务验证费用，并承担由于容量限制带来的高用户延迟。该问题导致现有的区块链***承受糟糕的性能与可用性。

现有的解决方案包括两类：基于分片的共识协议和链下的挑战响应协议。其中，基于分片的共识协议依旧采用传统的重复验证模式，不过该协议容许多个委员会(即分片)并行处理事务，并设计了相应的片间协议保证验证的一致性，遗憾的是，由于验证在委员会内部依然具有较高的重复性以及缺乏对于验证者公平的激励机制，这类协议无法处理复杂度高的事务，其对于吞吐量的扩容也无法达到线性。

而部署于链下的挑战响应协议采用了单节点背书的事务验证模式，验证者发布验证结果并对该结果进行背书，而事务的相关者可以对该结果进行挑战，双方通过交互式的二分验证协议进行争议判决，并将整个过程产生的数据锚定到区块链上。虽然这类协议拥有高效的验证模式，但其依赖于参与协议节点的交互合作，一旦诚实节点出现离线情况，将会造成不可估量的损失；另外，该类协议缺乏抗女巫机制的保护，恶意节点可以通过创建多个身份，破坏验证的正确性和验证激励分配的公平性；更糟的是，协议缺乏可行的激励方案设计，规定的背书惩罚往往依赖于交互的节点具备无限充分的保证金，然而这点在现实中并不具备实用性，从而导致挑战者无动力发起挑战，验证者不足以支付惩罚，事务验证的终结缺乏明确的期限，导致恶意节点可以依赖资产优势无限延迟合法交易的入块。

综上，现有的技术与方案均无法实现一个通用的区块链验证方案，在保证验证正确性与可拓展性的同时满足激励相容性，经济性以及非交互性的要求，这也极大限制了区块链本身的发展与可用性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法，该方法消除了传统验证机制造成的不可拓展、算力浪费与费用高昂等问题，实现了对任意复杂度验证事务的经济验证与线性扩容，并保障事务的验证具备激励相容性和正确性，极大增强了现有区块链***的可拓展性与可用性。

本发明的另一个目的在于提出一种基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法，包括：

S1，获取待验证事务，通过抗女巫算法选举多个节点组成根委员会，所述根委员会每隔预设时间运行分布式随机数生成协议生成随机数种子，利用随机数种子选举多个节点配置多个分片委员会；

S2，对所述待验证事务进行链下推演得到所述待验证事务的验证难度和最终状态，利用所述验证难度确定所述待验证事务的验证时限、挑战时限、激励额度与保证金额度，为所述待验证事务添加抵押资产，将所述验证时限、所述挑战时限、所述激励与所述保证金，所述抵押资产随所述待验证事务广播至所述多个分片委员会；

S3，对所述待验证事务对应的所述保证金额度和所述激励额度及所述待验证事务的冲突事务进行检测，若检测通过，所述待验证事务进行验证阶段；

S4，随机选取所述多个分片委员会中的一个节点在所述验证时限内对所述待验证事务标注的最终状态进行验证生成验证结果，并将所述验证结果发送至所述根委员会，所述待验证事务进行见证阶段；

S5，在见证阶段，所述根委员会接收所述验证结果后，记录所述验证结果并开启所述挑战时限以使任一节点在所述挑战时限内缴纳保证金对所述待验证事务的验证结果发起挑战生成挑战事务，所述待验证事务进行挑战阶段；

S6，若在所述挑战时限内接收到大于等于一个的节点发起的所述挑战事务，则执行S7，在所述挑战时限内未收到节点发起的所述挑战事务，则认定所述S4中生成的所述验证结果为正确验证结果，执行S8；

S7，在发起挑战的节点中随机选取一个合法节点作为挑战节点对所述待验证事务标注的最终状态进行验证，启动下一轮次的验证-挑战过程，若在预设上限轮次内挑战未结束，则将所述待验证事务发送至争议解决模块获取正确验证结果；

S8，通过清算模块对参与验证的节点的验证结果进行清算。

本发明实施例的基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法，通过选举为事务配置根委员会和分片委员会；对事务的激励和保证金及冲突事务进行检测，检测通过后在分片委员会中随机选择一个验证节点，在验证时限内对事务进行验证，将验证结果发送给根委员会开启事务的挑战时限，任一节点向验证结果发起挑战，若在挑战时限内没有节点进行挑战，则认同验证节点的验证结果，若有，则在发起挑战的节点随机选取一个合法节点进行下一轮次的验证，若在限定轮次内未结束挑战，则将事务送至争议解决模块直接得到正确验证结果，最后对参与验证的节点的验证结果进行清算。由此，消除了传统验证机制造成的不可拓展、算力浪费与费用高昂等问题，实现了对任意复杂度验证事务的经济验证与线性扩容，并保障事务的验证具备激励相容性和正确性，极大增强了现有区块链***的可拓展性与可用性。

另外，根据本发明上述实施例的基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S1进一步包括：

所述根委员会每隔所述预设时间通过运行所述分布式随机数生成协议生成并广播随机数种子，以随机数种子作为分片委员会内节点生成选举证明的随机启动参数，配合密码学排序算法在本轮次内选举出固定数目的节点配置所述多个分片委员会。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S2进一步包括：

在所述待验证事务发布前，所述待验证事务的发布者通过链下运算推演所述待验证事务执行后的最终状态，根据所述待验证事务的验证程序运行中的指令复杂度加权指令数目之和作为所述待验证事务的所述验证难度；

通过所述验证难度、资金转化参数和时限转化参数确定所述待验证事务对应的所述验证时限、所述挑战时限、所述保证金额度和所述激励额度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S3进一步包括：

判断所述待验证事务是否为跨片事务，若是，则通过所述待验证事务的多个相关分片委员会分别对所述待验证事务对应的所述保证金额度和所述激励额度以及是否存在所述待验证事务的冲突事务进行独立检测，并驱动共识模块耦合多个检测结果；

将多个检测结果在所述多个相关分片委员会之间进行广播，在所述多个相关分片委员会的检测结果一致时，所述多个相关分片委员会驱动共识模块将所述待验证事务与其相关链上状态锁定，以所述多个相关分片委员会共识结果的并集作为锁定证明，将所述待验证事务的锁定证明，所述抵押资产和所述待验证事务的元信息路由至所述根委员会，所述待验证事务进入验证阶段，若所述多个相关分片委员会的检测结果不一致，则废除所述待验证事务。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S4进一步包括：

通过所述根委员会衍生随机数种子，根据随机数种子选取一个分片委员会中的随机验证节点完成所述待验证事务的验证，并锁定对应随机验证节点相应数目的保证金，若对应随机验证节点未在所述验证时限内完成对所述待验证事务的验证，则罚没对应随机验证节点缴纳的保证金。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S6进一步包括：

在所述挑战时限内收到所述挑战事务时，将所述挑战事务在所述多个分片委员会间进行广播，所述多个分片委员会判断发起所述挑战事务的挑战节点缴纳的保证金是否大于预设额度及是否存在所述挑战事务的冲突事务，若无冲突事务且挑战节点缴纳的保证金大于预设额度，则将所述挑战事务及挑战节点缴纳的保证金发送至所述根委员会进行锁定，反之，则废除所述挑战事务。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述待验证事务的验证阶段和挑战阶段，任一节点对所述待验证事务进行验证时缴纳的保证金额度随验证轮次呈指数增长，直至验证轮次达到所述预设上限轮次。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S8进一步包括：

将参与所述待验证事务验证的节点的验证结果与所述待验证事务的正确验证结果进行对比，根据对比结果对验证节点和挑战节点进行奖惩。

进一步地，在本发明的一个实施例中，若所述待验证事务的正确验证结果为非法，则罚没所述待验证事务的发布者的保证金；

若所述待验证事务的正确验证结果为合法，则将所述待验证事务的状态转换为所述待验证事务的最终状态。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容装置，包括：

根委员会，用于管理待验证事务的验证并追踪所述待验证事务的验证状态；

分片委员会，用于管理验证节点并对所述待验证事务进行验证；

随机数生成模块，用于生成分布式随机源以公平选举所述根委员会和所述分片委员会的节点；

重配置模块，用对所述根委员会和所述分片委员会内的节点进行选举与轮换；

共识模块，用于使所述根委员会和所述分片委员会内的节点对所处理的信息产生共识；

争议解决模块，用于在所述分片委员会无法确定出所述待验证事务的正确验证结果时，输出所述待验证事务的正确验证结果；

清算模块，用于根据正确验证结果对参与所述待验证事务验证的节点进行奖惩。

本发明实施例的基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容装置，通过选举为事务配置根委员会和分片委员会；对事务的激励和保证金及冲突事务进行检测，检测通过后在分片委员会中随机选择一个验证节点，在验证时限内对事务进行验证，将验证结果发送给根委员会开启事务的挑战时限，任一节点向验证结果发起挑战，若在挑战时限内没有节点进行挑战，则认同验证节点的验证结果，若有，则在发起挑战的节点随机选取一个合法节点进行下一轮次的验证，若在限定轮次内未结束挑战，则将事务送至争议解决模块直接得到正确验证结果，最后对参与验证的节点的验证结果进行清算。由此，消除了传统验证机制造成的不可拓展、算力浪费与费用高昂等问题，实现了对任意复杂度验证事务的经济验证与线性扩容，并保障事务的验证具备激励相容性和正确性，极大增强了现有区块链***的可拓展性与可用性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法流程图；

图2为根据本发明一个实施例的处理区块链跨片事务的原子化验证方案示意图；

图3为根据本发明又一个实施例的基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法流程图；

图4为根据本发明一个实施例的区块链事务杠杆验证(锁定-验证-见证-挑战)整体流程及分片委员会与根委员会交互流程示意图；

图5为根据本发明一个实施例的杠杆验证激励方案示例图；

图6为根据本发明一个实施例的区块链事务验证各阶段所路由辅助事务元信息示例图；

图7为根据本发明一个实施例的基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容装置结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法及装置。

首先参照附体描述本发明实施例的基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法。

图1为根据本发明一个实施例的基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法流程图。

如图1所示，该基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法包括以下步骤：

步骤S1，获取待验证事务，通过抗女巫算法选举多个节点组成根委员会，根委员会每隔预设时间运行分布式随机数生成协议生成随机数种子，利用随机数种子选举多个节点配置多个分片委员会。

进一步地，S1进一步包括：根委员会每隔预设时间通过运行分布式随机数生成协议生成并广播随机数种子，以随机数种子作为分片委员会内节点生成选举证明的随机启动参数，配合密码学排序算法在本轮次内选举出固定数目的节点配置多个分片委员会。

具体地，身份委员会与分片委员会采用某种已知的抗女巫算法组织成员的选举与重配置，根委员会的成员数目额定为m，选举过程独立于其他分片委员会，并通过拜占庭强共识耦合竞选结果，每轮共识过程轮换一节点，并以该共识作为***的基础时钟，每轮共识前新节点所发布的选举证明proof_r，作为协调本轮验证工作的重要伪随机源。每隔一定时间，根委员会通过运行公开的分布式随机数生成协议生成并广播随机数种子r，以该种子作为分片委员会内验证者节点生成选举证明的随机启动参数，配合密码学排序算法在本周期内选举出固定数目的验证者节点，并将上一阶段竞选成功的验证者集合节点映射到各个分片委员会中。

需要说明的是，本发明实施例中的抗女巫算法，可指代任何抑制恶意节点制造多个身份以扩大其在共识中影响力的有效机制，例如算力证明PoW、权益证明PoS、空间证明ProofofSpace等。

本发明实施例中描述的分布式随机数生成协议，可指代任何协调多个主体在分布式场景下产生可公开验证、无偏向、不可预测随机数的协议。

本发明实施例中的拜占庭共识算法，可指代任何在容限一定比例恶意节点的情况下驱动委员会其余节点对一定形式信息达成一致性与存活性保障的算法，例如PBFT，SBFT等。

可以理解的是，将根委员会的选举与拜占庭共识相耦合，一方面，消除了分叉对于委员会选举一致性的影响，赋予了委员会成员优秀的流动性，并且委员会成员的抗女巫竞选证明由于具备随机性，成为了一个稳定高效的伪随机源，有助于根委员会对事务的验证任务分配进行公平的协调；另一方面，相对稳定的选举间隔使得根委员会的共识轮次成为了一个稳定的***时钟，有助于在验证过程中对事务验证/挑战时限进行度量。

步骤S2，对待验证事务进行链下推演得到待验证事务的验证难度和最终状态，利用验证难度确定待验证事务的验证时限、挑战时限、激励额度与保证金额度，为待验证事务添加抵押资产，将验证时限、挑战时限、激励与保证金，抵押资产随待验证事务广播至多个分片委员会。

进一步地，S2进一步包括：

在待验证事务发布前，待验证事务的发布者通过链下运算推演待验证事务执行后的最终状态，根据待验证事务的验证程序运行中的指令复杂度加权指令数目之和作为待验证事务的验证难度；

通过验证难度、资金转化参数和时限转化参数确定待验证事务对应的验证时限、挑战时限、保证金额度和激励额度。

可以理解的是，事务发布者在发送交易前，需通过链下运算提前推演出事务执行后得到的最终链上状态o_f，并根据合约定义的验证算法统计出精确的事务验证复杂度η，根据社区确定的资金转化参数k₁与时限转化参数k₂，事务发布者需要为事务附加相应的基本保证金与奖励各不低于k₁η，并将o_f与η与事务绑定广播至相应分片委员会，而事务的验证时限与挑战时限皆被指定为不高于k₂η，资金转化参数使得事务附加的奖励和保证金高于验证者单次验证所消耗的验证开销；而时限转化参数使得在当前验证者能力水平下，事务的挑战于验证时限皆大于事务验证所耗费的平均时间。

具体地，本发明实施例提出精确度量复杂验证所需的执行时限和保证金奖励的方法：以该事务所涉及验证程序中运行过程中指令复杂度加权指令数目之和作为程序的验证复杂度度量，标定为该事务的验证难度η。在***的初始化过程中，委员会确定复杂验证事务的难度下限参数η_l，资金转化参数k₁以及时限转化参数k₂。

可选地，***以委员会的共识轮次作为***的时钟，若***选举的平均时间间隔为t_avg，以成员节点的平均算力水平，运行难度为η所耗时间为T，所消耗的算力价值为C，则k₁的取值应满足k₁·η＞C，即事务附带的激励大于单个节点进行验证所造成的消耗，而k₂应满足k₂·t_avg·η≥T的极小值，即

限定事务的验证额定时限大于以成员节点能力验证所实际消耗的时间。此三参数皆为确定常量，每隔一段时间，委员会会根据实际情况运行共识对参数进行调节。

需要说明的是，实施例中三参数的确定综合参考***代币的价值、外包计算市场行情、委员会成员运算水平、委员会选举激励等因素动态调节，由社区与委员会成员在一定时间内驱动共识锚定调节的幅度。

步骤S3，对待验证事务对应的保证金额度和激励额度及待验证事务的冲突事务进行检测，若检测通过，待验证事务进行验证阶段。

分片委员会收到待验证事务及其标注的验证时限、挑战时限、激励、保证金级抵资产等信息后，对该事务及其相关信息进行检测，检测通过后才可对该事务进行验证。

具体地，相关分片委员会在接受到待验证事务后，首先检测该事务是否附有充足的保证金和奖励，再检测该事务是否与任何已确认事务或现有区块状态冲突。如果事务无冲突且具备充足的抵押资产，则分片委员会驱动共识模块将该事务与其相关链上状态锁定，并将事务的锁定证明，携带资产和元信息路由至根委员会，标记该事务正式进入验证阶段。否则将该事务标记为废除。

可以理解的是，通过链下计算降低事务的验证难度，划清事务执行与验证的界限，同时将事务的验证结果二元化，使得事务在验证挑战阶段不会出现多种作恶的形式。以事务的难度作为其验证时限和激励的度量标准，是设计具备激励相容性的前提。

进一步地，如果该待验证事务为跨片事务，则通过待验证事务的多个相关分片委员会分别对待验证事务对应的保证金额度和激励额度以及是否存在待验证事务的冲突事务进行独立检测，并驱动共识模块耦合多个检测结果。

将多个检测结果在多个相关分片委员会之间进行广播，在多个相关分片委员会的检测结果一致时，多个相关分片委员会驱动共识模块将待验证事务与其相关链上状态锁定，以多个相关分片委员会共识结果的并集作为锁定证明，将待验证事务的锁定证明，抵押资产和待验证事务的元信息路由至根委员会，待验证事务进入验证阶段，若多个相关分片委员会的检测结果不一致，则废除待验证事务。

具体地，该事务是跨片交易，其输入涉及多个分片委员会的链上状态验证，则每个相关输入分片委员会首先根据各自分片内区块状态独立完成以上资产和冲突检测，并驱动共识模块对检测结果达成片内一致，其次各个相关输入分片通过片间通信交换以上结果，当且仅当所有分片皆通过上述检测时，各分片委员会驱动共识模块将该事务与其相关链上状态锁定，将事务的锁定证明，携带资产和元信息路由至根委员会，标记事务进入验证阶段。否则，将该事务标记为废除。

可以理解的是，发明的此步设计充分保证了跨片事务验证的原子性，结合图2可见，事务在广播后经过所有相关的输入分片委员会的独立锁定检测，通过两轮拜占庭共识过程对锁定结果进行通信与确认，使得所有相关输入分片对事务的锁定操作是一致的，随后根委员会随机指定某一输入委员会的随机验证节点承担该验证任务，该节点从其他输入分片委员会同步验证所需的代码和数据，由此的迭代杠杆验证过程遵从单进程处理，同样具备原子性，当事务获得正确的验证结果后由根委员会广播至所有相关分片，保证事务最终状态的原子化处理。

进一步地，在待验证事务的验证阶段，根委员会对锁定证明进行验证，若验证通过，将待验证事务携带的抵押资产锁定至根委员会。

具体地，根委员会接受到事务后验证其锁定证明，若验证通过，则将事务的携带资产锁定至根委员会，并根据下一轮根委员会的选举证明proof_r衍生随机种子r_s，以该随机种子选取某一个随机的输入分片委员会中的随机验证节点，将该事务的验证工作分配给该节点承担，同时该节点的相应数目保证金将被锁定，以上信息将被共识模块锚定，并随新区块广播至所有在任节点，同时并开启验证时限k₂η，若根委员会的平均共识间隔为t_p即该验证者须在

个根委员会共识轮次内完成验证并反馈验证结果。

步骤S4，随机选取多个分片委员会中的一个节点在验证时限内对待验证事务标注的最终状态进行验证生成验证结果，并将验证结果发送至根委员会，待验证事务进行见证阶段。

进一步地，S4进一步包括：通过根委员会衍生随机数种子，根据随机数种子选取一个分片委员会中的随机验证节点完成待验证事务的验证，并锁定对应随机验证节点相应数目的保证金，若对应随机验证节点未在验证时限内完成对待验证事务的验证，则罚没对应随机验证节点缴纳的保证金。

需要说明的是，在根委员会随机指定一个验证节点进行验证时，分片委员会还会对该指定的验证节点进行检测，检测该节点是否符合验证条件，在符合条件时，该节点对待验证事务进行验证。

进一步地，在待验证事务的验证阶段，根委员对锁定证明进行验证，若验证通过，将待验证事务携带的抵押资产锁定至根委员会。

具体地，根委员会接受到事务后验证其锁定证明，若验证通过，则将事务的携带资产锁定至根委员会，并根据下一轮根委员会的选举证明proof_r衍生随机种子r_s，以该随机种子选取某一个随机的输入分片委员会中的随机验证节点，将该事务的验证工作分配给该节点承担，同时该节点的相应数目保证金将被锁定，以上信息将被共识模块锚定，并随新区块广播至所有在任节点，同时并开启验证时限k₂η，若根委员会的平均共识间隔为t_p即该验证者须在

个根委员会共识轮次内完成验证并反馈验证结果。

可以理解的是，根委员会指定的验证节点收到并确认根委员会的消息后，从各个输入分片同步事务验证所需的相关数据，独立验证该事务，并产生辅助事务承载该验证结果(合法/非法)，签名后发送至其所属分片委员会，其所属分片委员会驱动共识模块锚定该事务，验证节点是否具备验证资格且事务是否引发冲突，若验证通过则驱动共识模块记录该事务并将其路由至根委员会，原始事务的验证进入见证阶段。

步骤S5，在见证阶段，根委员会接收验证结果后，记录验证结果并开启挑战时限以使任一节点在挑战时限内缴纳保证金对待验证事务的验证结果发起挑战生成挑战事务，待验证事务进行挑战阶段。

进一步的，在本发明的一个实施例中，在见证阶段中，若根委员会在验证时限超时前收到指定验证者的结果，则记录该结果并将事务验证状态标记为挑战，并开启挑战时限k₂η，标记事务进入挑战阶段。否则扣除该验证者保证金并采用重新协调事务的验证任务，即本轮共识选举产生的随机种子重新分配该事务的验证分片及验证者。

根委员会接受验证结果后开启挑战时限，任意节点可赋予相应的保证金发布事务挑战该结果，挑战事务由分片委员会确认后以跨片事务的形式路由至根委员会存储，根委员会重新选择随机验证者启动新一轮验证-挑战过程，每轮流程使事务验证/挑战所需的保证金呈指数规律增长。

可以理解的是，在挑战时限内，生态内的任何节点如果对该事务的验证结果持不同意见，皆可通过附加充足的挑战保证金生成特殊的挑战事务，向任意分片委员会广播该事务。分片委员会确认挑战事务无冲突且保证金充足后通过共识锚定并将挑战事务连同其绑定资产路由至根委员会，否则标定该事务为废除。

步骤S6，若在挑战时限内接收到大于等于一个的节点发起的挑战事务，则执行S7，在挑战时限内未收到节点发起的挑战事务，则认定S4中生成的验证结果为正确验证结果，执行S8。

进一步地，S6进一步包括：在挑战时限内收到挑战事务时，将挑战事务在多个分片委员会间进行广播，多个分片委员会判断发起挑战事务的挑战节点缴纳的保证金是否大于预设额度及是否存在挑战事务的冲突事务，若无冲突事务且挑战节点缴纳的保证金大于预设额度，则将挑战事务及挑战节点缴纳的保证金发送至根委员会进行锁定，反之，则废除挑战事务。

根委员会若在挑战时限内收到关于该事务一个或多个合法的挑战事务，则利用本轮重配置模块竞选证明衍生的随机种子协调选定其中一个挑战事务通过共识模块锚定，锁定该挑战抵押的资产，并将其他挑战标记为废除，解除其资产锁定。在这一过程中，原始待验证事务的验证轮次递增，重新进入验证阶段为事务随机调配验证者，开启下一个验证-见证-挑战循环。若在整个挑战周期内没有接受到任何合法挑战事务，根委员会则标记原始事务的验证结果为该轮验证者提交的结果，并依此结果进入清算流程。

步骤S7，根委员会在发起挑战的节点中随机选取一个合法节点作为挑战节点对待验证事务标注的最终状态进行验证，启动下一轮次的验证-挑战过程，若在预设上限轮次内挑战未结束，则将待验证事务发送至争议解决模块获取正确验证结果，争议解决模块调动多节点采用不可拓展的冗余验证模型获取事务的正确验证结果。

对于可能出现的循环验证流程，当原始事务的验证轮次达到

对，若根委员会仍收到对于该轮合法的挑战请求，则在完成对相关抵押资产的锁定后，将该事务的验证工作交由运行于根委员会的争议解决模块处理。争议解决模块调动根委员会内的多个验证节点以冗余验证的方式在有限时间内达成共识，返回该争议事务验证的正确结果，该结果被根委员会的共识模块锚定后，原始事务的验证进入清算过程。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在待验证事务的验证阶段和挑战阶段，任一节点对待验证事务进行验证时缴纳的保证金额度随验证轮次呈指数增长，直至验证轮次达到预设上限轮次。

具体地，激励关系随验证迭代轮次遵循如下规律：对于同一验证事务，其验证阶段和挑战阶段所需的保证金皆随其验证轮次的增长呈指数规律增长，即事务所积累的验证/挑战奖励亦呈指数规律增长，直至事务验证在挑战阶段自然终结或达到第

轮次，使得事务积累奖励满足争议解决模块重复验证的需求。对于交易发起者、验证者、挑战者，只要其发布的事务带有错误的信息或验证结果，皆会导致其保证金被罚没。

可以理解的是，定义生态的增长指数为τ＞1，若事务的验证难度为η，则事务验证所附加的保证金和初始奖励皆为a＝k₁η，a仅需满足验证者对单次事务验证的激励需求，对于该事务可能出现的第

轮验证，该轮验证者所需附加的保证金不可低于τ^sa，挑战者所附加的保证金不可低于τ^s+1a，无论是验证者还是挑战者，其提出正确的验证结果所获得的激励不低于τ^s-1a。

步骤S8，通过清算模块对参与验证的节点的验证结果进行清算。

在根委员会的每一次共识过程中，其皆会驱动清算模块对本共识周期内终结的事务进行清算：将事务的终结验证结果与之前共识锚定的验证者、挑战者提供的结果进行比对，递归地对所有提供正确结果的节点按照其所在轮次激励发送奖励并解冻其保证金，对提供错误验证结果的节点的锁定资产予以完全罚没。

若事务验证结果为非法，则对事务发布者的保证金亦予以罚没，否则予以解冻。在共识完成后，相关节点可以账本交易的方式提取其奖励和解冻的抵押资产。根据根委员会的共识结果，若事务验证结果合法，则相关分片委员会驱动共识模块完成原始事务所描述区块状态转换，否则解除对相应状态的锁定，使其恢复原始状态。

进一步地，在本发明的一个实施例中，涉及的分片委员会至根委员会的信息、事务或资产路由，皆可以通过批处理的方式优化路由效率。

综上所述，本发明的实施例可以提高现有区块链***对于事务的处理能力与处理效率，使用高效的单次验证模型代替传统的多节点冗余验证模型，使得***验证事务的吞吐量呈线性提升，同时降低事务的验证费用，提高***的可用性。

通过设计迭代运行的验证-挑战游戏与巧妙的激励关系设计，保障在事务的验证过程中任何诚实验证的节点皆获得相容的正激励，而任何偏离协议的节点都会受到相应的惩罚，即使遭遇资产丰厚且顽固的，随着游戏轮次的深入，事务本身所提供的激励呈指数趋势提高，当累计激励达到争议解决模块的需求时，将启用多节点重复验证的方法保障事务验证的正确性。

通过赋予理性验证者丰厚的验证激励消除了传统挑战响应协议对用户交互性、保证金资产以及在线要求的限制。在现有的区块链***上实现对于任意复杂度事务验证的经济性、可拓展性、激励相容性、非交互性、正确性保障，从而极大拓宽了现有区块链技术与***的发展前景与可用性。

如图3所示，展示了本发明的详细流程，具体为：

步骤1：***利用独立的抗女巫算法选举根委员会成员，通过拜占庭共识算法耦合选举结果，根委员会每隔固定时间运行分布式随机数生成协议产生分片委员会选举所需的随机种子，并利用该种子对委员会成员进行重配置。

步骤2：用户通过链下计算推导事务执行所导致的链上最终状态，并获取精确的事务验证难度，利用该参数确定事务的验证/挑战时限、激励与保证金，为事务添加充足的抵押资产，将以上信息随事务广播至分片委员会。

步骤3：分片委员会验证以筛除带有不充足激励、保证金或与已确认事务相互冲突的事务后，利用共识模块锁定待验证事务与其涉及的合约状态，并将该交易的元信息和所附资产路由至根委员会。

步骤4：根委员会随机选取该分片委员会中某一验证者节点承担该事务验证工作，锁定其相应保证金，并开启验证时限，验证者须在时限内发布事务提交验证结果，否则保证金被罚没，该结果由分片委员会共识模块确认后路由至根委员会。

步骤5：根委员会接受验证结果后开启挑战时限，任意节点可赋予相应的保证金发布事务挑战该结果，挑战事务由分片委员会确认后以跨片事务的形式路由至根委员会存储，根委员会重新选择随机验证者启动新一轮验证-挑战过程，每轮流程使事务验证/挑战所需的保证金呈指数规律增长。

步骤6：若在挑战期限内根委员会未收到任何合法的挑战事务，则认定本轮验证为正确结果；若协议增长到固定轮次未终结，事务激励达到多节点重复验证需求，事务被送入争议解决神谕获得正确验证结果。

步骤7：根委员会启用清算模块依据正确验证结果对锁定事务进行处理，并递归完成对事务发布者、验证者、挑战者的激励与锁定资产的清算过程。

如图4所示，为根据本发明示例的一个实施例遵循以上步骤构造的区块链事务杠杆验证(锁定-验证-见证-挑战)整体流程及分片委员会与根委员会交互流程图。

由图可知，***采用分片的框架，将整个区块的状态分割为多个相互独立的集合，使得事务的计算、存储与通信得到充分优化，对验证难度简单的日常共识事务具备随节点数目线性增长的处理能力，但单凭分片框架无法突破冗余验证模式造成的算力浪费、繁重验证任务与高昂的验证费用，这点尤其在高复杂度的验证任务中被体现。

为了进一步消除上限制，在此基础上，将每一个事务的验证消耗降至最低，设计了迭代的单节点验证-挑战的机制，并允许生态内任何节点在期限内对验证结果加以确认，以此赋予事务相关者在受到错误验证结果时及时反驳的权利；为了防止理性验证节点陷入不良竞争，从而导致其因为激励不足而选择消极验证，造成“验证者困境”，发明设计根委员会根据公开的随机选协调验证者的选取，使验证任务的分配公平合理；为了保证协议激励相容，方案将事务验证的复杂度与事务的验证/挑战时限和激励绑定，并通过根委员会的拜占庭共识过程建立一个相对稳定的***时钟衡量事务验证的时限，发布者对事务复杂度的估计将被融入事务验证的合法性中，这意味着任何发布者对复杂度的误报、可以对事务激励的克扣行为皆会导致事务验证的失败，从而使得理性验证者总会得到预期的验证收益。

为了防止资产丰厚的攻击者无限延伸验证-挑战过程，配合对验证者的贿赂攻击使得事务的相关者难以维护验证的正确性，发明设计了巧妙的验证激励关系，使得事务验证/挑战所需的保证金随杠杆游戏轮次深入呈指数增长，同时这也使事务所附加的验证激励同样随指数增长(因为同一轮次中的验证者与挑战者总有一个会是恶意节点，其罚没的保证金使验证激励增加)。

进一步地，设计了部署冗余验证模式的争议解决模块，一旦杠杆游戏所累计的激励达到模块的激励需求，该模块便能利用此激励给出正确的验证结果使得事务的验证终结，由此激励机制，一方面保证了验证方案的正确性，使诚实的验证行为被激励，任何事务都能在有限的时间内获得终结；另一方面，协议消除了挑战机制对于事务发布者的交互性限制，任何理性验证者都可以通过诚实验证参与该游戏对抗恶意节点，追求快速增长的事务验证激励。整个验证过程产生的中间数据被共识模块快速锚定，保证了事务验证过程的一致性。从而使发明的激励方案同时满足激励相容性、正确性、可拓展性、验证经济性、一致性存活性、公开可验证性、通用性的需求。

如图5所示，根据本发明一个实施例的杠杆验证激励方案示例，展示了在待验证事务的验证阶段和挑战阶段中保证金的指数增长规律。

示例中选取激励增长指数为τ＝2，交易发布者、验证者与挑战者的初始保证金比例为1∶2∶4，同时交易发布者同样需支付a＝k₁η的验证激励，fee为提供给各委员会日常共识的费用，相比验证本身的激励可以忽略。

当第一轮游戏所涉及的事务为非法，或在第二轮以上验证中，前一轮挑战者发布错误结论时，由于该轮次内有额外保证金罚没，因此，该轮诚实验证的激励翻倍。由此，可推导出表1的完整激励关系，表1为事务激励在多种情况下的激励关系，图5则更形象的说明了事务激励在各种情况下的翻倍过程，简而言之，由于在每一轮中的验证者与挑战者之一的所抵押保证金必然被罚没，进而转化为了事务的验证激励，故指数增长的保证金要求使得事务的激励同样呈指数增长，从而以最快速度使事务的验证获得终结。

表1

如图6所示的本发明示例的一个实施例的区块链事务验证各阶段所路由辅助事务元信息可见，分片委员会在最大程度上抽取了原始验证事务和各辅助事务的标识、抵押资产以及所带有的验证结论，从而降低了根委员会的存储开销，仅有各分片委员会则需要存储或同步事务验证所需的数据与原始的事务信息。

根据本发明实施例提出的基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容装置，通过选举为事务配置根委员会和分片委员会；对事务的激励和保证金及冲突事务进行检测，检测通过后在分片委员会中随机选择一个验证节点，在验证时限内对事务进行验证，将验证结果发送给根委员会开启事务的挑战时限，任一节点向验证结果发起挑战，若在挑战时限内没有节点进行挑战，则认同验证节点的验证结果，若有，则在发起挑战的节点随机选取一个合法节点进行下一轮次的验证，若在限定轮次内未结束挑战，则将事务送至争议解决模块直接得到正确验证结果，最后对参与验证的节点的验证结果进行清算。由此，消除了传统验证机制造成的不可拓展、算力浪费与费用高昂等问题，实现了对任意复杂度验证事务的经济验证与线性扩容，并保障事务的验证具备激励相容性和正确性，极大增强了现有区块链***的可拓展性与可用性。

图7为根据本发明一个实施例的基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容装置结构示意图。

如图7所示，该基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容装置包括：随机数生成模块100、重配置模块200、共识模块300、争议解决模块400、清算模块500、根委员会600和分片委员会700。

随机数生成模块100，用于生成分布式随机源以公平选举根委员会和分片委员会的节点。

重配置模块200，用对根委员会和分片委员会内的节点进行选举与轮换。

共识模块300，用于使根委员会和分片委员会内的节点对所处理的信息产生共识。

争议解决模块400，用于在分片委员会无法确定出待验证事务的正确验证结果时，输出待验证事务的正确验证结果。

清算模块500，用于根据正确验证结果对参与待验证事务验证的节点进行奖惩。

根委员会600，用于管理待验证事务的验证并追踪待验证事务的验证状态。

分片委员会700，用于管理验证节点并对待验证事务进行验证。

可以理解的是，通过基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容装置可以实现本发明实施例的基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法。

需要说明的是，前述对基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容装置，通过选举为事务配置根委员会和分片委员会；对事务的激励和保证金及冲突事务进行检测，检测通过后在分片委员会中随机选择一个验证节点，在验证时限内对事务进行验证，将验证结果发送给根委员会开启事务的挑战时限，任一节点向验证结果发起挑战，若在挑战时限内没有节点进行挑战，则认同验证节点的验证结果，若有，则在发起挑战的节点随机选取一个合法节点进行下一轮次的验证，若在限定轮次内未结束挑战，则将事务送至争议解决模块直接得到正确验证结果，最后对参与验证的节点的验证结果进行清算。由此，消除了传统验证机制造成的不可拓展、算力浪费与费用高昂等问题，实现了对任意复杂度验证事务的经济验证与线性扩容，并保障事务的验证具备激励相容性和正确性，极大增强了现有区块链***的可拓展性与可用性。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，获取待验证事务，通过抗女巫算法选举多个节点组成根委员会，所述根委员会每隔预设时间运行分布式随机数生成协议生成随机数种子，利用随机数种子选举多个节点配置多个分片委员会；

S2，对所述待验证事务进行链下推演得到所述待验证事务的验证难度和最终状态，利用所述验证难度确定所述待验证事务的验证时限、挑战时限、激励额度与保证金额度，为所述待验证事务添加抵押资产，将所述验证时限、所述挑战时限、所述激励与所述保证金，所述抵押资产随所述待验证事务广播至所述多个分片委员会；

S3，对所述待验证事务对应的所述保证金额度和所述激励额度及所述待验证事务的冲突事务进行检测，若检测通过，所述待验证事务进行验证阶段；

S4，随机选取所述多个分片委员会中的一个节点在所述验证时限内对所述待验证事务标注的最终状态进行验证生成验证结果，并将所述验证结果发送至所述根委员会，所述待验证事务进行见证阶段；

S5，在见证阶段，所述根委员会接收所述验证结果后，记录所述验证结果并开启所述挑战时限以使任一节点在所述挑战时限内缴纳保证金对所述待验证事务的验证结果发起挑战生成挑战事务，所述待验证事务进行挑战阶段；

S6，若在所述挑战时限内接收到大于等于一个的节点发起的所述挑战事务，则执行S7，在所述挑战时限内未收到节点发起的所述挑战事务，则认定所述S4中生成的所述验证结果为正确验证结果，执行S8；

S7，在发起挑战的节点中随机选取一个合法节点作为挑战节点对所述待验证事务标注的最终状态进行验证，启动下一轮次的验证-挑战过程，若在预设上限轮次内挑战未结束，则将所述待验证事务发送至争议解决模块获取正确验证结果；

S8，通过清算模块对参与验证的节点的验证结果进行清算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1进一步包括：

所述根委员会每隔所述预设时间通过运行所述分布式随机数生成协议生成并广播随机数种子，以随机数种子作为分片委员会内节点生成选举证明的随机启动参数，配合密码学排序算法在本轮次内选举出固定数目的节点配置所述多个分片委员会。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2进一步包括：

在所述待验证事务发布前，所述待验证事务的发布者通过链下运算推演所述待验证事务执行后的最终状态，根据所述待验证事务的验证程序运行中的指令复杂度加权指令数目之和作为所述待验证事务的所述验证难度；

通过所述验证难度、资金转化参数和时限转化参数确定所述待验证事务对应的所述验证时限、所述挑战时限、所述保证金额度和所述激励额度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3进一步包括：

判断所述待验证事务是否为跨片事务，若是，则通过所述待验证事务的多个相关分片委员会分别对所述待验证事务对应的所述保证金额度和所述激励额度以及是否存在所述待验证事务的冲突事务进行独立检测，并驱动共识模块耦合多个检测结果；

将多个检测结果在所述多个相关分片委员会之间进行广播，在所述多个相关分片委员会的检测结果一致时，所述多个相关分片委员会驱动共识模块将所述待验证事务与其相关链上状态锁定，以所述多个相关分片委员会共识结果的并集作为锁定证明，将所述待验证事务的锁定证明，所述抵押资产和所述待验证事务的元信息路由至所述根委员会，所述待验证事务进入验证阶段，若所述多个相关分片委员会的检测结果不一致，则废除所述待验证事务。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4进一步包括：

通过所述根委员会衍生随机数种子，根据随机数种子选取一个分片委员会中的随机验证节点完成所述待验证事务的验证，并锁定对应随机验证节点相应数目的保证金，若对应随机验证节点未在所述验证时限内完成对所述待验证事务的验证，则罚没对应随机验证节点缴纳的保证金。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S6进一步包括：

在所述挑战时限内收到所述挑战事务时，将所述挑战事务在所述多个分片委员会间进行广播，所述多个分片委员会判断发起所述挑战事务的挑战节点缴纳的保证金是否大于预设额度及是否存在所述挑战事务的冲突事务，若无冲突事务且挑战节点缴纳的保证金大于预设额度，则将所述挑战事务及挑战节点缴纳的保证金发送至所述根委员会进行锁定，反之，则废除所述挑战事务。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述待验证事务的验证阶段和挑战阶段，任一节点对所述待验证事务进行验证时缴纳的保证金额度随验证轮次呈指数增长，直至验证轮次达到所述预设上限轮次。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S8进一步包括：

将参与所述待验证事务验证的节点的验证结果与所述待验证事务的正确验证结果进行对比，根据对比结果对验证节点和挑战节点进行奖惩。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

若所述待验证事务的正确验证结果为非法，则罚没所述待验证事务的发布者的保证金；

若所述待验证事务的正确验证结果为合法，则将所述待验证事务的状态转换为所述待验证事务的最终状态。

10.一种基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容装置，其特征在于，所述基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容装置用于执行如权利要求1所述的基于分片技术和博弈论的区块链事务验证扩容方法，包括：

根委员会，用于管理待验证事务的验证并追踪所述待验证事务的验证状态；

分片委员会，用于管理验证节点并对所述待验证事务进行验证；

随机数生成模块，用于生成分布式随机源以公平选举所述根委员会和所述分片委员会的节点；

重配置模块，用对所述根委员会和所述分片委员会内的节点进行选举与轮换；

共识模块，用于使所述根委员会和所述分片委员会内的节点对所处理的信息产生共识；

争议解决模块，用于在所述分片委员会无法确定出所述待验证事务的正确验证结果时，输出所述待验证事务的正确验证结果；

清算模块，用于根据正确验证结果对参与所述待验证事务验证的节点进行奖惩。

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