CN112241884A

CN112241884A - 一种基于联盟链的链下安全支付方法、***、介质及设备

Info

Publication number: CN112241884A
Application number: CN202010997547.9A
Authority: CN
Inventors: 沈玉龙; 杨凌霄; 董学文; 佟威; 田文生; 乔慧; 马诗洋; 谷鑫雨; 冶英杰; 郭校杰
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2021-01-19

Abstract

本发明属于区块链的链下支付通道技术领域，公开了一种基于联盟链的链下安全支付方法、***、介质及设备，首先，基于联盟链底层架构，允许授权的节点加入网络，并维护账本；其次，通过编写联盟链的智能合约，实现以太坊代币ERC20为基础的代币模型；然后，分配给用户代币后，用户之间进行支付交易，***会根据交易动态划分算法决定交易链上或者链下执行；最后，提供安全的链下交易执行环境，并引入轻量级共识保证链下清算结果一致，提供链下交易保障抵抗恶意攻击。本发明提供基于联盟链的链下安全支付方法，有助于区块链应用的落地，特别是智能服务交易场景下的高频低额交易具有深远的实践意义；提供超过原始设计300％的交易吞吐量。

Description

一种基于联盟链的链下安全支付方法、***、介质及设备

技术领域

本发明属于区块链的链下支付通道技术领域，尤其涉及一种基于联盟链的链下安全支付方法、***、介质及设备。

背景技术

目前：随着发展区块链技术上升到了国家战略高度，区块链应用逐渐大规模落地，高性能的区块链应用需求日益迫切。现有工作主要从链上和链下两个方面提升区块链的可扩展性。链上扩容主要在共识机制方面对区块链进行改进，但由于共识仍然存在，交易确认导致的延迟是影响性能的主要原因，并且整个网络的性能瓶颈可能受限于其中单个节点的处理性能。相比链上扩容，链下扩容没有直接改动区块链本身的规则，它将不适合在链上处理的交易，比如高频小额的交易，转移到链下安全的状态通道环境中执行，最后将多次交易的清算结果上链，因此，链下扩容的交易能力不受原区块链性能的影响，而取决于传统网络性能。

目前，区块链链下支付相关的现有技术：比特币区块链的闪电支付网络，以及以太坊平台的雷电支付网络等。这些方法的缺陷在于：现有的工作都是在公有链***中应用状态通道技术，而联盟链与公有链在底层架构、应用场景和隐私性等方面存在诸多差异，导致将状态通道技术进行平台迁移运用存在一定技术门槛。并且现有工作没有对交易进行动态划分，导致交易成功率不高，以及较高的交易手续费。基于可信的第三方进行链下交易，缺乏足够安全的链下交易保障抵抗恶意攻击。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的工作都是在公有链***中应用状态通道技术，而联盟链与公有链在底层架构、应用场景和隐私性等方面存在诸多差异，导致将状态通道技术进行平台迁移运用存在一定技术门槛。并且现有工作交易成功率不高，以及较高的交易手续费，缺乏足够安全的链下交易保障抵抗恶意攻击。

解决以上问题及缺陷的难度为：很难判断一笔交易是否需要在链上或者链下执行。直观的想法是根据双方的历史交易记录来评估决定交易的执行方式。实际情况难以保证双方有足够的历史交易，甚至没有历史交易，从而导致交易方式预测失败。当然，可以改进评估方法来满足更多的交易情况，但这没有从根本解决问题。如何保障链下交易环境的安全也是一个挑战，比如，可能链下支付双方存在恶意的节点，试图将篡改后的结果提交上链。许多现有工作假设存在受信的第三方，由第三方中心化处理链下交易，这种绝对安全的中心化机构在实际中不大可能。

解决以上问题及缺陷的意义为：研究基于联盟链的链下安全支付方法具有深远的实践意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于联盟链的链下安全支付方法、***、介质及设备。

本发明是这样实现的，一种基于联盟链的链下安全支付方法，所述基于联盟链的链下安全支付方法包括：

基于联盟链底层架构，允许授权的节点加入网络，并维护账本；

通过编写智能合约，实现以太坊代币标准ERC20为基础的代币模型；

分配给用户代币后，用户之间就可以进行支付交易，***会根据交易动态划分算法决定交易链上或者链下执行；

提供安全的链下交易执行环境，并引入轻量级共识保证链下清算结果一致。

进一步，所述基于联盟链底层架构，允许授权的节点加入网络，并维护账本具体包括：

首先，配置联盟链开发环境，搭建联盟链架构的智能交易服务框架；

然后，创建相关组织，将节点授权加入网络；

最后，以联盟链作为链上交易存储账本，并且链上节点维护账本。

进一步，所述通过编写智能合约，实现以太坊代币标准ERC20为基础的代币模型具体包括：

首先，抽象出ERC20代币协议的标准接口；

然后，基于ERC20标准编写联盟链上智能合约；

最后，部署运行代币链码。

进一步，所述分配给用户代币后，用户之间就可以进行支付交易，***会根据交易动态划分算法决定交易链上或者链下执行具体包括：

首先，通过运行的代币链码，给用户分配代币；

然后，用户间发起交易，交易金额和类型根据实际情况选择；

最后，***处理待执行的交易，根据交易动态划分算法决定交易链上或者链下执行。

进一步，所述交易动态划分算法具体包括：

1)参与方在用户注册时，需要选择其用户角色，并且需要选择提供/购买的服务类型偏好，物联网设备服务，云计算服务，区块链平台服务，向***提供这些信息是为了让***根据服务类型，预测参与方的交易金额和交易频率，并作为用户冷启动的基础，参与者从***的可信密钥生成中心KGC获得公钥pk和私钥sk；

2)双方用户进行交易，根据交易双方标识查询历史交易，包括链上和链下两部分执行的交易，历史交易的信息主要包括交易金额、时间戳和交易方式；如果双方交易数量小于阈值δ，则对该交易进行冷启动划分，反之，进行逻辑回归划分；

3)如果交易金额较大并且预测双方交易频率较低，那么会倾向于链上执行交易；反之，如果交易金额较小并且预测频率较高，则倾向于链下执行交易；

4)链上交易，即在联盟链中经过提案，背书，排序，打包，验证流程的交易。链下交易，即在链下支付通道中进行交易；

所述的冷启动划分具体包括：通过静态信息匹配的方法，根据双方注册时提供的服务类型偏好，结合实际的交易金额和服务类型，粗粒度的预测双方的交易频率；如果选择物联网设备服务，那么极有可能短时间内继续获取该设备提供的数据，交易频率较高并且每次交易金额小，在链下支付通道进行交易比较合适；选择云服务或者区块链平台等倾向于连续长时间使用的服务；

所述逻辑回归划分具体包括：使用监督学习的方法，通过二分类逻辑回归模型，得到输入交易链下执行的[0，1]区间概率，如果概率大于0.5则链下执行，否则链上执行；双方历史交易集合为T_history＝{τ₁，τ₂，...，τ_n}，则将其转化为n个带标签的样本(α₁，β₁)，(α₂，β₂)，...，(α_i，β_i)，...，(α_n，β_n)，其中α_i＝(α₁，α₂，...，α_D)是一个维度为D的特征向量，代表交易信息的D种属性，标签β_i∈{0，1}表示交易的两种执行方式，设模型的权重向量ω＝(ω₁，ω₂，...，ω_n)。将特征向量个元素加权求和，输入Sigmoid激活函数，则逻辑回归模型为：

权重向量ω，使训练集中模型的输出尽可能接近给定的标签，训练好向量ω后，将需要预测的交易特征向量α代入

中，根据输出的β值即可判断交易的执行方式，通过损失函数衡量模型的输出和真实的差别。

进一步，所述提供安全的链下交易执行环境，并引入轻量级共识保证链下清算结果一致具体包括：

1)有一条B到S的链下交易信息M_B→S，将其发送到3f+1(f≥1)个节点中进行计算；

2)运行PBFT协议对每个节点的计算结果进行共识，只要有不少于2f+1个非恶意节点正常工作，***得到一致性结果；

3)***将交易结果的哈希值用B的私钥进行加密，生成数字签名，然后将签名，交易结果和B的公钥三者打包为存证；

4)如果在双方链下清算的时发生了争议，***根据存证内容的交易结果，可以审查出恶意的交易。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于联盟链的链下安全支付方法的基于联盟链的链下安全支付***，所述基于联盟链的链下安全支付***包括：

链上存储模块，用于基于联盟链底层架构，允许授权的节点加入网络，并维护账本；

代币生成模块，用于通过编写联盟链的智能合约，实现以太坊代币ERC20为基础的代币模型；

交易划分模块，用于分配给用户代币后，用户之间就可以进行支付交易，***会根据交易动态划分算法决定交易链上或者链下执行；

安全保障模块，用于提供安全的链下交易执行环境，并引入轻量级共识保证链下清算结果一致。

本发明的另一目的在于提供一种终端，所述终端搭载所述的基于联盟链的链下安全支付***，所述终端为交易信息处理终端、智能服务交易终端、比特币区块链的闪电支付网络终端、以太坊平台的雷电支付网络终端。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明基于联盟链底层架构，允许授权的节点加入网络，并维护账本；通过编写联盟链的智能合约，实现以太坊代币ERC20为基础的代币模型；分配给用户代币后，用户之间就可以进行支付交易，***会根据交易动态划分算法决定交易链上或者链下执行；提供安全的链下交易执行环境，并引入轻量级共识保证链下清算结果一致，提供足够安全的链下交易保障抵抗恶意攻击。实验结果显示该方法能够提供超过原始设计300％的交易吞吐量。本发明的部分实验结果所示，图7(a)为本发明方法和原始联盟链的随着用户数量增加的交易成功率折线图，结果显示本发明方法的交易成功率稳定在95％以上，而原始联盟链方法逐渐减少到70％，图7(b)为本发明的方法和原始联盟链的随着用户数量增加的交易吞吐量柱状图，结果显示本发明的方法的吞吐量是原始联盟链方法的三倍。本发明提供基于联盟链的链下安全支付方法，有助于区块链应用的落地，特别是智能服务交易场景下的高频低额交易具有深远的实践意义。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于联盟链的链下安全支付方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于联盟链的链下安全支付***的结构示意图；

图2中：1、链上存储模块；2、代币生成模块；3、交易划分模块；4、安全保障模块。

图3是本发明实施例提供的链上存储模块示意图。

图4是本发明实施例提供的代币生成模块示意图。

图5是本发明实施例提供的交易划分模块示意图。

图6是本发明实施例提供的安全保障模块示意图。

图7是本发明实施例提供的实验测试结果图。

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。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于联盟链的链下安全支付方法、***、介质及设备，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的基于联盟链的链下安全支付方法包括以下步骤：

S101：基于联盟链底层架构，允许授权的节点加入网络，并维护账本；

S102：通过编写联盟链的智能合约，实现以太坊代币ERC20为基础的代币模型；

S103：分配给用户代币后，用户之间就可以进行支付交易，***会根据交易动态划分算法决定交易链上或者链下执行；

S104：提供安全的链下交易执行环境，并引入轻量级共识保证链下清算结果一致，提供足够安全的链下交易保障抵抗恶意攻击。

本发明提供的基于联盟链的链下安全支付方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的基于联盟链的链下安全支付方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明提供的基于联盟链的链下安全支付***包括：

链上存储模块1，用于基于联盟链底层架构，允许授权的节点加入网络，并维护账本；

代币生成模块2，用于通过编写联盟链的智能合约，实现以太坊代币标准ERC20为基础的代币模型；

交易划分模块3，用于分配给用户代币后，用户之间就可以进行支付交易，***会根据交易动态划分算法决定交易链上或者链下执行；

安全保障模块4，用于提供安全的链下交易执行环境，并引入轻量级共识保证链下清算结果一致。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图3-图6所示，本发明包括链上存储模块1、代币生成模块2、交易划分模块3以及安全保障4四个模块。

(1)链上存储模块1：

如图3所示，在链上存储模块1，首先，配置联盟链开发环境，搭建联盟链架构的智能交易服务框架；然后，创建相关组织，将节点授权加入网络；最后，以联盟链作为链上交易存储账本，并且链上节点维护账本。

(2)代币生成模块2：

如图4所示，描述了本发明的代币生成模块2。首先，抽象出ERC20代币协议的标准接口；然后，基于ERC20标准编写联盟链上智能合约；最后，部署运行代币链码。

(3)交易划分模块3：

如图5所示，描述了交易划分模块3。首先，通过运行的代币链码，给用户分配代币；然后，用户间发起交易，交易金额和类型根据实际情况选择；最后，***处理待执行的交易，根据交易动态划分算法决定交易链上或者链下执行。

其中，交易动态划分算法具体包括：

1)参与方在用户注册时，需要选择其用户角色，并且需要选择提供/购买的服务类型偏好，比如：物联网设备服务，云计算服务，区块链平台服务等。向***提供这些信息是为了让***根据服务类型，预测参与方的交易金额和交易频率，并作为用户冷启动的基础。此外，参与者从***的可信密钥生成中心(KGC)获得公钥pk和私钥sk。

2)双方用户可以进行交易，根据交易双方标识查询历史交易，包括链上和链下两部分执行的交易，历史交易的信息主要包括交易金额、时间戳和交易方式。如果双方交易数量小于阈值δ，则对该交易进行冷启动划分，反之，进行逻辑回归划分。

3)如果交易金额较大并且预测双方交易频率较低，那么会倾向于链上执行交易；反之，如果交易金额较小并且预测频率较高，则倾向于链下执行交易。

4)链上交易，即在联盟链中经过提案，背书，排序，打包，验证流程的交易。链下交易，即在链下支付通道中进行交易。

其中，冷启动划分具体包括：因为双方历史交易较少，***难以根据少量数据进行模型学***台等倾向于连续长时间使用的服务，交易频率较低，每次交易金额较大，进行通道交易反而开销大，所以建议直接链上交易。

其中，逻辑回归划分具体包括：由于有了足够的历史交易，本发明使用一种监督学习的方法，通过二分类逻辑回归模型，得到输入交易链下执行的[0,1]区间概率，如果概率大于0.5则链下执行，否则链上执行。假设双方历史交易集合为T_history＝{τ₁，τ₂，...，τ_n}，则可以将其转化为n个带标签的样本(α₁，β₁),(α₂，β₂),…,(α_i，β_i),…,(α_n，β_n)，其中α_i＝(α₁，α₂，...，α_D)是一个维度为D的特征向量，代表交易信息的D种属性，标签β_i∈{0，1}表示交易的两种执行方式。设模型的权重向量ω＝(ω₁，ω₂，...，ω_n)。将特征向量个元素加权求和，输入Sigmoid激活函数，则逻辑回归模型为(1)：

本发明希望找到一个权重向量ω，使训练集中模型的输出尽可能接近给定的标签。假设训练好向量ω后，只要将需要预测的交易特征向量α代入(1)中，根据输出的β值即可判断交易的执行方式。通过损失函数可以衡量模型的输出和真实的差别，下面描述权重向量ω的推导过程：

假设模型的β＝1概率为p，那么标签为0的概率：

P_β＝0＝1-p (3)

把单个样本看作一个事件，那么这个事件发生的概率为：

由于样本数据有n个，本发明对共式(4)取极大似然函数：

对公式(5)取对数，转化为：

函数l(ω)就叫做损失函数，这里它的值等于事件发生的总概率，因此希望它尽可能大。本发明用梯度下降法迭代计算权重ω，即找到一个权重ω*，使得l(ω)取最大值：

ω^*＝argmax_ωl(ω) (7)

对l(ω)求导，化简为：

由公式(8)，初始化一个任意ω₀，给定一个步长η，不断迭代修改ω_t+1←ω_t，向取得最大值点逐渐逼近，即不断进行(9)的迭代过程，直到指定次数，或者梯度等于0为止：

由上述过程，本发明可以得到二分类逻辑回归模型。从而***以两种方式动态的进行交易执行划分。

(4)安全保障模块4：

如图6所示，描述了安全保障模块4。包括提供安全的链下交易执行环境，并引入轻量级共识保证链下清算结果一致具体包括：

1)假设有一条B到S的链下交易信息M_B→S，将其发送到3f+1(f≥1)个节点中进行计算。

2)运行PBFT协议对每个节点的计算结果进行共识，只要有不少于2f+1个非恶意节点正常工作，***可以得到一致性结果。

3)***将交易结果的哈希值用B的私钥进行加密，生成数字签名，然后将签名，交易结果和B的公钥三者打包为存证。

下面的结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。

本发明基于联盟链底层架构，允许授权的节点加入网络，并维护账本；通过编写联盟链的智能合约，实现以太坊代币ERC20为基础的代币模型；分配给用户代币后，用户之间就可以进行支付交易，***会根据交易动态划分算法决定交易链上或者链下执行；提供安全的链下交易执行环境，并引入轻量级共识保证链下清算结果一致，提供足够安全的链下交易保障抵抗恶意攻击。实验结果显示该方法能够提供超过原始设计300％的交易吞吐量。本发明提供的基于联盟链的链下安全支付方法，有助于区块链应用的落地，特别是智能服务交易场景下的高频低额交易具有深远的实践意义。

图7(a)为本发明的方法和原始联盟链的随着用户数量增加的交易成功率折线图，结果显示本发明的方法的交易成功率稳定在95％以上，而原始联盟链方法逐渐减少到70％，图7(b)为本发明的方法和原始联盟链的随着用户数量增加的交易吞吐量柱状图，结果显示本发明的方法的吞吐量是原始联盟链方法的三倍。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行***，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于联盟链的链下安全支付方法，其特征在于，所述基于联盟链的链下安全支付方法包括：

2.如权利要求1所述的基于联盟链的链下安全支付方法，其特征在于，所述基于联盟链底层架构，允许授权的节点加入网络，并维护账本具体包括：

然后，创建相关组织，将节点授权加入网络；

3.如权利要求1所述的基于联盟链的链下安全支付方法，其特征在于，所述通过编写智能合约，实现以太坊代币标准ERC20为基础的代币模型具体包括：

首先，抽象出ERC20代币协议的标准接口；

然后，基于ERC20标准编写联盟链上智能合约；

最后，部署运行代币链码。

4.如权利要求1所述的基于联盟链的链下安全支付方法，其特征在于，所述分配给用户代币后，用户之间就可以进行支付交易，***会根据交易动态划分算法决定交易链上或者链下执行具体包括：

首先，通过运行的代币链码，给用户分配代币；

5.如权利要求4所述的基于联盟链的链下安全支付方法，其特征在于，所述交易动态划分算法具体包括：

4)链上交易，即在联盟链中经过提案，背书，排序，打包，验证流程的交易，链下交易，即在链下支付通道中进行交易；

所述逻辑回归划分具体包括：使用监督学习的方法，通过二分类逻辑回归模型，得到输入交易链下执行的[0,1]区间概率，如果概率大于0.5则链下执行，否则链上执行；双方历史交易集合为T_history＝{τ₁，τ₂，...，τ_n}，则将其转化为n个带标签的样本(α₁，β₁),(α₂，β₂),…,(α_i，β_i),…,(α_n，β_n)，其中α_i＝(α₁，α₂，...，α_D)是一个维度为D的特征向量，代表交易信息的D种属性，标签β_i∈{0，1}表示交易的两种执行方式，设模型的权重向量ω＝(ω₁，ω₂，...，ω_n)，将特征向量个元素加权求和，输入Sigmoid激活函数，则逻辑回归模型为：

6.如权利要求1所述的基于联盟链的链下安全支付方法，其特征在于，所述提供安全的链下交易执行环境，并引入轻量级共识保证链下清算结果一致具体包括：

7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

9.一种实施权利要求1～6任意一项所述基于联盟链的链下安全支付方法的基于联盟链的链下安全支付***，其特征在于，所述基于联盟链的链下安全支付***包括：

10.一种终端，其特征在于，所述终端搭载权利要求9所述的基于联盟链的链下安全支付***，所述终端为交易信息处理终端、智能服务交易终端、比特币区块链的闪电支付网络终端、以太坊平台的雷电支付网络终端。