CN110941647A - 一种基于dag的区块链的跨链交互方法和*** - Google Patents

一种基于dag的区块链的跨链交互方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DAG的区块链的跨链交互方法和***，属于区块链技术领域。本发明提出一种DAG形式的区块链，不同于链式结构的串行化加入区块，DAG图结构使得交易能够并行化地处理，实现良好的性能以及可扩展性；相比于传统区块链的区块作为链的顶点，交易作为顶点无需区块的打包过程以及解析过程，消除了打包区块以及解析区块的开销，提升了区块链的查询性能，同时交易的大小相比于区块也更有利于网络中数据的传输。对底层的交易数据结构进行统一，不同区块链之间的数据共享同一种数据结构，不同链之间的交互便可通过直接读取其他链的数据实现，这种跨链方式无需中心化机构，也不需要其他链的介入。

Description

一种基于DAG的区块链的跨链交互方法和***
技术领域
本发明属于区块链技术领域，更具体地，涉及一种基于DAG(Directed AcyclicGraph，有向无环图)的区块链的跨链交互方法和***。
背景技术
随着数字货币(如比特币)的火爆，支撑数字货币的底层技术——区块链也受到越来越多的关注。这些基于区块链的新型数字货币，由于其去中心化，参与者无需相互信任等特性，给传统数字货币带来了巨大的冲击，也吸引了很多研究人员对其进行深入的研究。
然而，为了保证区块链的去中心化以及安全性，现有的区块链一般都采用链式的数据结构，由一系列的区块以及区块之间的哈希指针组成，新区块的加入只能通过序列化的方式依次顺序加入，因此整个***缺乏并行性，从而导致区块链具有很差的可扩展性，例如，比特币的吞吐量峰值只能达到7tps(每秒的交易数量)，相比于传统的中心化支付***，如支付宝在双十一期间的吞吐量峰值已达到256000tps。由此可见，区块链的性能相比于中心化的支付***仍然有着非常大的差距。
不同的区块链项目就像一个个孤岛一样，不同的链之间毫无关联，结构互不相同，信息互不相通，大大降低了不同链上资产以及链上应用的可用性。因此，为增加不同区块链之间的可交互性，提升区块链之间的价值流通性，跨链应运而生。同时，最近也涌现出一大批关于跨链的解决方案，大致可分为以下几大类：
1.公证人机制：公证人机制通过引入第三方的中心化机构来对不同区块链之间的资产进行验证转换，从而实现不同链之间资产的转移。
2.侧链技术：侧链技术通过实现一条类似主链的独立链，并将不同的区块链的资产进行锁定，并转换。
3.中继技术：中继技术通过实现一个中继链，这条中继链是不同区块链之间的通道，然后采用多重签名的方式对不同链资产转移进行验证。
4.哈希锁定技术：哈希锁定技术通过智能合约，交易双方分别在两条不同的链上通过哈希时间锁锁定资产，最后通过输入哈希值的原值进行解锁资产，从而实现不同链上的资产转换。
5.分布式私钥控制技术：分布式私钥控制技术通过分布式的方式完成不同区块链账本之间的连接以及价值交换，通过分布式私钥生成与控制技术将不同区块链映射到一条通用的链来实现跨链。
然而，这些跨链方案或多或少都引入了中心化的机制来实现跨链，与区块链的去中心化相违背，亦或是引入了额外链来实现跨链，实现难度大，并不能很好的支持在不同链之间搭建智能合约，来实现不同链之间的信息交换，具有很低的跨链交互性。
发明内容
针对现有技术不同区块链之间的跨链可交互性差的问题，本发明提供了一种基于DAG的区块链的跨链交互方法和***，其目的在于基于DAG的区块链结构，来替代传统的链式结构以提高区块链的性能，并在DAG的基础之上提出一种新型的存储结构以提升跨链的可交互性。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于DAG的区块链的跨链交互方法，该方法包括以下步骤：
S1.创建基于DAG的区块链时，顶点表示交易，用于记录数据，边表示哈希指针，用于记录交易之间的引用关系，创建的不同区块链中交易的数据结构必须相同，且包含哈希引用；
S2.按照跨链交互操作的类型，进行基于DAG的区块链的跨链交互。
具体地，所述交易的数据结构包括以下字段：hash为交易的哈希值，sender为交易的发送方，receiver为交易的接收方，parentHash为该交易对之前交易的哈希指针引用，data为数据，signature为交易的发送方对交易的签名，time为交易的时间戳，optional为可选字段。
具体地，跨链读操作时，先对目标交易进行查询，再由目标交易所在链返回查询结果；跨链写操作时，先对目标链发送写请求，再由目标链返回写操作的结果。
具体地，跨链查询某个特定交易时，先对目标链发出查询请求，再由目标链根据需查询的交易的哈希值对交易进行查询，最后返回查询结果。
具体地，跨链查询某个交易是否已经被其他链所接收时，可通过查询交易的方法，由交易的发起方向其他链发出交易查询请求，再根据其他链返回的查询结果判断交易是否被其他链所接收。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种基于DAG的区块链的跨链交互***，所述***中的区块链，顶点表示交易，用于记录数据，边表示哈希指针，用于记录交易之间的引用关系，不同区块链中交易的数据结构必须相同，且包含哈希引用。
具体地，所述交易的数据结构包括以下字段：hash为交易的哈希值，sender为交易的发送方，receiver为交易的接收方，parentHash为该交易对之前交易的哈希指针引用，data为数据，signature为交易的发送方对交易的签名，time为交易的时间戳，optional为可选字段。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)针对各区块链性能和跨链交互性差的问题，本发明提出一种DAG形式的区块链，不同于链式结构的串行化加入区块，DAG图结构使得交易能够并行化地处理，可以实现良好的性能以及可扩展性；采用交易直接作为DAG图的顶点，相比于传统区块链的区块作为链的顶点，交易作为顶点无需区块的打包过程以及解析过程，消除了打包区块以及解析区块的开销，从而也提升了区块链的查询性能，同时交易的大小相比于区块也更有利于网络中数据的传输。
(2)本发明对底层的交易数据结构进行统一，不同链之间使用相同的交易结构，不同区块链之间的数据共享同一种数据结构，因而，不同链之间的交互便可通过直接读取其他链的数据实现，这种跨链方式无需中心化机构，也不需要其他链的介入，只需由本链向目标链主动交互读取即可，从而实现主动式跨链。
附图说明
图1为本发明实施例提供的交易的数据结构的示意图；
图2为本发明实施例提供的基于DAG的跨链交互存储结构的***架构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为实现一个具有可扩展性并支持跨链可交互性的区块链***，本发明首先提出以下的区块链存储结构设计范式：
(1)区块链的数据结构应能够支持并行性，区块链中的区块以及交易应并行化地加入到账本中，而不再是串行化地加入，并行化的处理不仅有利于提升区块链的可扩展性，也能够增强链之间的交易的吞吐量。
(2)区块链的数据结构应能支持有效的数据查询，数据查询在区块链以及跨链中是一个非常常见的应用场景，包括查询某个特定交易以及查询某个交易是否已经被其他链所接收，因此设计一种可支持有效查询的数据结构也是非常重要的。
(3)在不同区块链上实现统一的交易数据结构，从而减少链与链之间交易格式的转换，并且便于跨链之间交易的共识，不同链之间不再需要进行额外的交易传输。除此之外，统一的数据结构也能提升链之间的可交互性，不同链之间不再需要进行数据结构的转换，链之间的数据可实现更方便的共享。
根据上述所述的存储结构设计范式，本发明提供一种基于DAG的主动式跨链交互存储结构。
所述DAG为有向无环图，顶点表示交易，用于记录数据；边表示哈希指针，用于记录交易之间的引用关系。所述DAG结构中图顶点摒弃区块的存储结构，直接采用交易作为一个区块单元。
区块链的整体结构为DAG图形式，相比于链状的线性结构，图结构能够支持并行化地处理交易，能够有效地提升***的性能，交易的加入需引用之前多个交易的哈希值作为哈希指针。
采用交易代替区块作为区块链基本存储单元，避免了交易的打包和解析过程，因此在查询交易时，无需解析区块，可以直接查询交易，加快交易的查询速度，提升区块链的查询性能。
交易的存储结构在不同区块链中采用统一的数据结构，增强跨链的可交互性，不再需要引入额外的中心化机构或者链，由于交易数据结构的统一，使得每条链可以主动地向其他链请求数据，从而实现主动式跨链交互。对于具体的交易格式，并不需要进行具体说明，原则上只需保持统一即可。
如图1所示，实施例一中，hash为交易的哈希值，sender为交易的发送方，receiver为交易的接收方，parentHash为该交易对之前交易的哈希指针引用，data为数据(如，交易的金额)，signature为交易的发送方对交易的签名，time为交易的时间戳，optional为可选字段，供备选使用。
存储层本发明是采用leveldb来存储交易，以交易的哈希值作为键(key)，交易内容作为值(value)，存储到leveldb中。交易内部的格式，本发明并没有给出特定的格式。原则上来说，只要包含多个哈希引用的数据格式都可以用来作为本发明的交易格式使用。
在此存储结构的基础上，本发明还提出一种基于该存储结构范式的区块链***，该***支持主动式跨链交互操作，例如，A链账户a给B链商户b转账购买商品时，由账户a发起一笔转账交易，此时账户b可以主动地向A链进行跨链读操作，查询账户a的余额以确定是否满足转账条件，之后，由账户a把该转账交易写入到A链并进行跨链写入到B链中，通过共识之后，分别减少和增加账户a和b的余额。
如图2所示，所述区块链***包括以下层次：
应用层：应用层包含各类应用场景的区块链，例如：供应链、金融链等等，开发者可以自由的在该***中实现自己所需要的区块链，以满足自身的应用需求。
合约层：合约层位于应用层之下，是应用层的基础，为上层的各类区块链提供应用功能支持，同样，开发者也可根据自己的需求开发相应的智能合约。
共识层：共识层主要负责各类区块链的交易进行共识，不同的区块链可以有不同的共识算法，同时也可根据应用需求定制自己的共识算法，共识层是保证整个区块链***中各个节点数据保持一致的关键。
网络层：网络层负责区块链中交易以及不同区块链间跨链交易等数据的传播和转发，区块链的网络采用P2P网络以实现去中心化，消息的广播算法采用谣言协议，谣言协议能有效地降低网络的拥塞。
数据层：数据层负责整个区块链***的底层存储，同时也是跨链***的存储，数据层采用统一的数据结构，应用层上不同的区块链共用同一套数据结构，以及同一个DAG存储。数据层中的数据在不同的链中共享，每条链可以发布自己的交易，同时也可以对其他链发出的交易标记为感兴趣，即可实现数据在链间的共享，降低了传统跨链交互中数据转换的开销以及延迟。
相比于现有区块链***，本发明将存储层进行统一，网络层进行复用，各区块链对数据进行共享，同时各区块链可根据本链的需求使用不同的共识算法，以及实现不同的智能合约供自己使用，从而面向不同的应用场景。
如图2所示，应用层供各类应用场景中的应用使用，合约层和共识层可根据应用需求分别开发不同的智能合约以及使用不同的共识算法；网络层都采用了P2P网络和Gossip协议；最重要的是数据层。数据层的交易是共享的，所有交易的格式相同，逻辑上，可认为是共同存储在一个交易池中。交易之间构成了一个有向无环图(DAG)。一个交易可能只属于一条链，也可能共享于多条链。举例来说，图中描述了两条链A和B，其中，a1，a2，a3表示为链A的交易，b1，b2，b3表示为链B的交易，这些交易分别共享于链A与链B，这样链A便可主动向链B进行跨链交互。
在应用层不同的区块链由于底层交易的共享，对于不同链的交易，每条链也可主动的请求相应的交易，如此便实现了轻量级的主动式跨链交互。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于DAG的区块链的跨链交互方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.创建基于DAG的区块链时，顶点表示交易，用于记录数据，边表示哈希指针，用于记录交易之间的引用关系，创建的不同区块链中交易的数据结构必须相同，且包含哈希引用；
S2.按照跨链交互操作的类型，进行基于DAG的区块链的跨链交互。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，所述交易的数据结构包括以下字段：hash为交易的哈希值，sender为交易的发送方，receiver为交易的接收方，parentHash为该交易对之前交易的哈希指针引用，data为数据，signature为交易的发送方对交易的签名，time为交易的时间戳，optional为可选字段。
3.如权利要求1或2的方法，其特征在于，跨链读操作时，先对目标交易进行查询，再由目标交易所在链返回查询结果；跨链写操作时，先对目标链发送写请求，再由目标链返回写操作的结果。
4.如权利要求1至3任一项的方法，其特征在于，跨链查询某个特定交易时，先对目标链发出查询请求，再由目标链根据需查询的交易的哈希值对交易进行查询，最后返回查询结果。
5.如权利要求1至3任一项的方法，其特征在于，跨链查询某个交易是否已经被其他链所接收时，可通过查询交易的方法，由交易的发起方向其他链发出交易查询请求，再根据其他链返回的查询结果判断交易是否被其他链所接收。
6.一种基于DAG的区块链的跨链交互***，其特征在于，所述***中的区块链，顶点表示交易，用于记录数据，边表示哈希指针，用于记录交易之间的引用关系，不同区块链中交易的数据结构必须相同，且包含哈希引用。
7.如权利要求6所述的***，其特征在于，所述交易的数据结构包括以下字段：hash为交易的哈希值，sender为交易的发送方，receiver为交易的接收方，parentHash为该交易对之前交易的哈希指针引用，data为数据，signature为交易的发送方对交易的签名，time为交易的时间戳，optional为可选字段。
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