CN112866380A - 一种基于区块链的链网架构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的链网架构，其链网组件包括单链一体机、多链一体机、跨链网关、区块链存储云计算平台和通用API中台；其中，(1)单链一体机和多链一体机通过跨链网关进行链间各功能业务数据转移流转；(2)将单链或多链一体机所部署的区块链记录交易事务，其功能业务数据通过区块链存储云计算平台进行链上数据存储和链下云计算进而实现链网互通；(3)单链一体机、多链一体机、跨链网关及区块链云计算平台中的各区块链接口通过通用API中台进行标准统一化，完成对各区块链功能或业务数据的访问、调取，进而实现链网互通，打破链间资产壁垒，实现链网融合的区块链生态。

Description

一种基于区块链的链网架构

技术领域

本发明属于区块链跨链技术领域，具体涉及一种基于区块链的链网架构。

背景技术

纵观20年来，中国各行各业呈现处处相连、物物互通、事事网办、业业创新的蓬勃态势，正在构建一个以‘数据+平台’为核心的新时代。区块链(Blockchain)技术是在去中心化、互相不信任环境下维持公共总账的底层技术，其本质是基于密码学方法实现分布式、不可篡改的交易账簿，每个区块链网络中的节点都保存有记录所有交易的公共账本。

如今区块链承载的不再仅仅是链上发行的数字资产，它正逐步转变为服务于实体经济，成为支撑信息与资产流转的基础设施。利用区块链技术推进数据确权、数据溯源，通过共识算法建立了可信任的数据资产交易环境，破除数据被任意复制的威胁，使得数据质量获得了前所未有的强信任背书，保证了数据分析结果的正确性，并让更多数据解放了出来，有利于突破信息孤岛，建立数据横向流通机制。

区块链作为一种分布式账本技术，可以被应用诸多领域，但是受吞吐量、网络孤立性、监管、伸缩性等因素的制约，目前的区块链项目并不能很好的服务于商业应用。区块链链***的资产被困于自己的***内部，无法产生链间分工和协作，比如BTC建议了最大范围共识，却交易效率低下；ZEC建立了专有功能，却没有智能合约能力；ETH建立了智能合约，却无法迁移至POS***；由区块存储容量有限，在无法跨链互通的情况下，导致区块链性能较低，并且落地实体经济较难，所以链链互通几乎成为阻碍区块链发展的最大问题。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于区块链的链网架构，该链网架构融合单链和多链跨链互通，链上和链下相结合，打造安全可信并且高性能的链网结构，具体如下：

一种基于区块链的链网架构，其链网组件包括单链一体机、多链一体机、跨链网关、区块链存储云计算平台和通用API中台，具体如下：

(1)单链一体机和多链一体机通过跨链网关进行链间各功能业务数据转移流转；

(2)将单链或多链一体机所部署的区块链仅记录链上的交易事务，其相关功能业务数据通过区块链存储云计算平台进行链上数据存储和链下云计算进而实现链网互通；

(3)单链一体机、多链一体机、跨链网关及区块链云计算平台中的各区块链接口通过通用API中台进行标准统一化，完成对各区块链功能或业务数据的访问、调取。

进一步地，所述单链一体机在现有Substrate框架下，Substrate是一个用于构建区块链的开源的、模块化的和可扩展的区块链开发框架，可部署单个业务的区块链网络，在该区块链网络中可实现某个具体业务的分布式存储，并且在该一体机中，集成可信执行环境，并设置区块链密码卡和网络加速设备，适配多种硬件设备，包含软硬件基础设施及通用可视化操作界面，方便用户对业务链的操作使用；所述多链一体机是集成现有主流框架，在上述单链一体机的基础上，多链一体机增加多个平行链和中继链的多链组合，并利用(VRF+BFT)算法形成多链共识，并且利用Kubernetes集群管理实现多链一键部署和可视化操作，所述平行链归属于单链一体机所执行的业务链，也就是说多链一体机的平行链是多个单链一体机业务链的一个集合，中继链则提供收集平行链的轻节点和分布式密钥托管节点。

进一步地，所述跨链网关包括双链通信网关和多链跨链路由，所述双链通信网关采用链间消息传递协议(XCMP)进行与另外平行链之间的消息互通，形成跨链交换机，实现双链通信；所述多链跨链路由是设置SPV轻节点集群，制定分布式密钥托管机制，在所述中继链中通过镜像跨链协议镜像映射生成各平行多链的合成资产，即利用轻节点跨链进行块头跨链、利用镜像跨链进行交易跨链、利用分布式密钥托管进行共识跨链，实现多链跨链广播；并提供适配跨链协议的转接桥，进一步实现多方跨链互通。

特别地，针对部署在所述多链一体机和单链一体机的区块链网络，通过跨链网关通信互相链接起来，对于没有部署在所述多链一体机和单链一体机的区块链，利用适配跨链协议的转接桥，与其他区块链网络连接。

进一步地，所述区块链存储云计算平台将部署在一体机的区块链功能业务数据的确定性参数哈希上链，采用(Arweave+IPFS)存储协议进行数据链上存储，利用零知识证明、非对称加密相结合增加数据安全保障机制，实现链上安全可信的大数据存储，并结合(POA+GRANDPA)共识机制，实现数据可持续上链存储；同时关联链下云计算平台，进行链下计算，其中，GRANDPA即GHOST-based Recursive ANcestor Deriving Prefix Agreement)是一个确定最终性的工具，只要有2/3的节点是诚实的，并且可以在异步的情况下应付1/5的拜占庭节点，那么它就可以在部分同步的网络模型中工作。其中有一个显著的区别就是，即使在长期的网络分区(由于网络设备的故障，造成网络***为多个独立的组)中或者其他的网络故障之后，GRANDPA协议仍然会就某一条链达成共识，而非对某一个区块达成共识，这就极大的加快了区块最终确定的过程。

进一步地，所述通用API中台是搭建可视化智能ETL平台，针对链上海量可共享的功能业务数据进行前置处理，对数据前置数据进行清洗，转换，关联操作；然后设计统一标准的API接口，形成安全访问机制，实现区块链API调取。

进一步地，所述链网互通的具体实现过程如下：

1)用户在单链一体机或多链一体机上选择性地一键部署其相应的业务链；

2)所述业务链经双链通信网关连接跨链网关，调用链间消息传递协议与其他平行业务链之间进行跨链消息传递；

3)针对所述业务链与多个不同业务平行链的跨链互通，所述业务链提供轻节点加入跨链路由的轻节点集群，并在中继链中映射出可在其他业务链流转的合成资产，进行不同业务之间的价值互换；

4)将所述业务链相关业务程序写入与其关联的区块链存储云计算平台，将业务数据关键性参数上链，并设置各自对应的云存储服务器存储剩余业务数据信息，加载链上业务程序进行链下云计算，利用(Arweave+IPFS)存储协议进行程序结果的链上永久存储，实现所有业务的持续可信云存储；

5)所述业务链所在一体机各数据网关、跨链通信网关、跨链路由及关联的区块链存储云计算平台均与通用API中台连接，通用API中台设计统一区块链API接口，进行功能业务数据的安全调度，同时供其他用户或机构组织访问业务链所在多链网络，形成链网互通。

基于上述技术方案，本发明的有益技术效果如下：

(1)本发明引入了链网的概念，提供一个安全可信的全生态的链网架构，为政府、企业、产业区块链解决“计算+存储+信任”问题，以打造区块链全新链一体机为基础，通过“跨链网关”实现各个区块链的互联互通，同时为用户提供全新的通用API中台，多选择、定制化实现各链API访问，使得区块链技术落地为民，使得互联网技术重新焕发新活力。

(2)基于该链网架构，能极大增加区块链技术落地应用的效率，简化多链对接流程、降低存储成本，拓宽应用场景，多方协同和资源充分利用带来的商业价值和机会将无限大。以跨链结构直接将各生命周期链的不同业务进行点对点的原子化对接，同时利用区块链云存储实现链上链下全生态的快速价值流转。

附图说明

图1为本发明链网架构的总体框架示意图。

图2为本发明多链一体机架构图。

图3为多链互通的跨链示意图。

图4为区块链存储云计算链上链下相结合示意图。

图5为通用API中台的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明基于区块链的链网架构如图1所示，组件包括单链一体机、多链一体机、跨链网关、区块链存储云计算平台和通用API中台；其中，单链一体机和多链一体机通过跨链网关相连接形成链链互通；并且单链一体机或多链一体机所部署的区块链仅记录存储链上的交易事务，与交易事务相关的功能业务数据通过区块链存储云计算平台进行数据存储和云计算，实现对区块链性能的拓展；链网各区块链接口通过通用API中台进行标准统一化，完成对各区块链功能和数据的访问、调取。

所述单链一体机在现有Substrate框架下，设计区块链BaaS底层，集成可信执行环境，并设置区块链密码卡和网络加速设备，适配多种硬件设备，为组织、个人提供定制化专属的区块链一体机服务，即从硬件到软件可定制且易用的单个区块链一体机，包含软硬件基础设施及通用可视化操作界面，在单链一体机上可部署单个业务链，实现单个业务链的一键部署及相关可视化操作，比如在单链一体机中设置智能合约资源池和智能合约引擎，实时更新日志等，方便用户运用区块链技术实现相关业务的分布式存储。

所述多链一体机是在所述单链一体机的基础上，增加多链组合(中继链(R)+平行链(P))模式，并利用(VRF+BFT)算法形成多链共识，并且利用Kubernetes集群管理实现多链一键部署和可视化操作即每个类型的节点，都作为一个独立的pod运行，每个业务链都作为集群中的一个单独通道(channel)，所述平行链归属于单链一体机所执行的业务链，也就是多链一体机中的平行链是由多个不同业务链组成，中继链则提供收集平行链的轻节点和分布式密钥托管节点。多链一体机满足多级组织结构的不同应用场景快速上链，各部门组织间实现链上信息的安全共享与协作。

如图2所示为多链一体机架构图，其由外到内分为接口层、***层、区块链层及硬件设施层。其中，接口层包括链业务数据导出接口，跨链网关接口，硬件身份导入接口等，实现各方数据的输入及输出；***层可部署各种区块链软件，包括各类区块链交易、防伪溯源、征信等满足不同业务需求的定制软件，实现一键部署，快速建链；区块链层是包含各类区块链基础设施，不仅支持单链一体机的单一区块链应用部署，同时集成Hyperledger、Ethereum、Substrate等主流技术框架，并整合为统一的链网BaaS平台，实现多链架构的可视化操作，适合各类应用场景；硬件设施层包含区块链密码卡和和网络加速设备，使一体机软硬件相结合，从硬件支持、平台搭建、应用定制全面一体化，实现秒级的区块链快速组网；快速投入业务、加速场景落地。

所述跨链网关具体包括双链通信网关和多链跨链路由，其中，设置通信网关，采用消息传递协议(XCMP)进行双链间消息通信，形成跨链交换机，实现双链通信，假定有两条业务链A和B，用户a想实现利用A链上的资产交易B链上的等价资产，具体如下：

1)业务链A和B间设置相应的通信网关，该网关由半中心化监管通信机构作为中介通信可根据具体业务设置成程序化的消息传递协议(XCMP)自动完成转接；

2)用户a向通信网关发送实现B链上的具体业务请求，通信网关调用XCMP协议把a相应的A链上资产哈希锁定，然后映射B链的等价资产，同时在目标链B上申请相应资产交易请求，在B链完成其需求资产交易；

3)待B链完成交易后，用户a在B链获取其映射的等价资产，并在原链A上进行交易后解锁。

多链路由具体实现如下：

如图3为多链互通的跨链示意图，所述多链跨链路由是设置SPV轻节点集群，将多链一体机中继链的轻节点聚合，并制定分布式密钥托管机制有序管理中继链的密钥托管节点，共同托管多链中的各个密钥，当有不同业务链进行多链跨链需求时，将跨链需求提交至轻节点，通过轻节点集群中各轻节点交互实现区块头记账存储信息跨链，在所述中继链中通过镜像跨链协议镜像映射生成目标业务链的合成资产，通过合成资产进行与目标链的交易跨链，通过业务链到目标链的密钥托管节点的定向密钥签名，实现多链跨链的共识，进而实现多链跨链广播；针对不属于单链一体机或多链一体机的外部区块链，提供适配跨链协议的转接桥，也就是外部区块链选择部署在一体机中并拥有高效轻节点的业务链，制定适配跨链协议，委托该业务链进行所需跨链业务，进一步实现多方跨链互通。

图4所示为区块链存储云计算链上链下相结合示意图，采用“链计算+链存储+链下计算”的三层区块链网络模式，首先将功能业务程序写入区块链，并将业务数据的确定性参数上链，其余业务数据存储在链下云服务器，当进行业务数据程序运算时，下载业务程序和业务数据的确定性参数下载至云服务器，并将确定性参数和其余业务数据写入业务程序，在云服务器中运行计算，并将运行结果通过(Arweave+IPFS)存储协议将存储在链上，针对存储数据的数字资产的交易转账信息利用零知识证明对其明文进行隐私保护，针对存储数据程序的持有业务逻辑的哈希信息利用非对称加密技术分配公私钥进行保护，增加数据安全保障机制，实现链上安全可信的大数据存储，并且结合(POA+follow grandpa)共识机制，设计可持续经济激励规则，实现链上数据的长久存储；其余信息保存在链下相应的云服务器，增加区块链的存储拓展性，任何人都可以将数据程序的确定性参数从可信的区块链中下载并运行起来，数据的读取端和输出端都是区块链上，数据的读取验证和写入在链下进行云计算处理，即从链上读取数据，在链下写入计算处理，并在输出端将处理好的数据上链。由于区块链具备可追溯、不可伪造的特性，因此链下数据程序的输入输出也具备确定性。由于加载来自区块链的确定性参数，最终生成的程序状态也是确定性的。

如图5所示为通用API中台的结构示意图，所述通用API中台是搭建可视化智能ETL平台，针对各种链的海量链源数据通过数据源链接进行前置处理，对前置数据进行清洗，转换，切片等操作，放置数据共享区，并规则分类为数仓、共享库和主题库，然后利用数据服务平台在数据服务区设计统一标准的API接口，形成安全访问机制，方便企业、政府部门、金融机构、高校及开发者等进行安全高效的API调取。通过对通用接口的设计管理，打通区块链上下游数据流转通道，管理资源异构、实现链上数据多方价值共享。

多链一体中的业务链进行多链互通的流程如下：

1)用户在多链一体机上选择性地一键部署其相应的业务链，并在该业务链上发出多链跨链请求，该请求包括跨链功能业务信息、跨链交易信息及跨链目标链信息；

2)一体机中继链的轻节点获取多链跨链请求，并经密钥托管节点验证解析后发送跨链功能业务信息和跨链目标链信息至轻节点集群，在轻节点集群中根据目标链信息关联目标链轻节点，相应目标链；在中继链中通过镜像映射目标链的合成资产，通过合成资产与目标链进行交易；在交易过程中密钥托管节点根据密钥托管机制进行交易共识验证；

4)所述业务链仅记录业务交易事务，其他功能业务数据的关键性参数存储在其关联的存储区块链中，将所述业务链相关业务程序写入与其关联的区块链存储云计算平台，并设置各自对应的云存储服务器存储剩余业务数据信息，加载链上业务程序进行链下云计算，利用(Arweave+IPFS)存储协议进行程序结果的链上永久存储，实现所有业务的持续可信云存储；

5)所述业务链所在一体机各数据网关、跨链通信网关、跨链路由及关联的区块链存储云计算平台均与通用API中台连接，通用API中台设计统一区块链API接口，进行功能业务数据的安全调度，同时供其他用户或机构组织访问业务链所在多链网络，形成链网互通。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于区块链的链网架构，其特征在于：链网组件包括单链一体机、多链一体机、跨链网关、区块链存储云计算平台和通用API中台，具体如下：

(1)单链一体机和多链一体机通过跨链网关进行链间各功能业务数据转移流转；

(2)将单链或多链一体机所部署的区块链记录交易事务，其功能业务数据通过区块链存储云计算平台进行链上数据存储和链下云计算进而实现链网互通；

(3)单链一体机、多链一体机、跨链网关及区块链云计算平台中的各区块链接口通过通用API中台进行标准统一化，完成对各区块链功能或业务数据的访问、调取。

2.根据权利要求1所述的基于区块链的链网架构，其特征在于：所述单链一体机内部署单个业务的区块链网络并集成可信执行环境，设置区块链密码卡和网络加速设备，并设有软硬件基础设施和可视化操作界面；

所述多链一体机包括多个平行链和中继链，集成VRF算法和BFT算法形成多链共识，基于Kubernetes集群管理实现多链一键部署和可视化操作，所述平行链为单链一体机所执行的业务链，所述中继链设有收集平行链的轻节点和分布式密钥托管节点。

3.根据权利要求1所述的基于区块链的链网架构，其特征在于：所述跨链网关包括双链通信网关和多链跨链路由，所述双链通信网关采用XCMP链间消息传递协议进行与另外平行链之间的消息互通，形成跨链交换机，实现双链通信；所述多链跨链路由是设置SPV轻节点集群，制定分布式密钥托管机制，在所述中继链中通过镜像跨链协议镜像映射生成各平行多链的合成资产，进行块头跨链、交易跨链、共识跨链，实现多链跨链广播；并提供适配跨链协议的转接桥，进一步实现多方跨链互通。

4.根据权利要求3所述的基于区块链的链网架构，其特征在于：部署在所述多链一体机和单链一体机的区块链网络，通过跨链网关通信互相链接起来，对于没有部署在所述多链一体机和单链一体机的区块链，利用适配跨链协议的转接桥，与其他区块链网络连接。

5.根据权利要求1所述的基于区块链的链网架构，其特征在于：所述区块链存储云计算平台将区块链功能业务数据的确定性参数哈希上链，采用Arweave存储协议与IPFS存储协议进行数据链上存储，利用零知识证明、非对称加密相结合增加数据安全保障机制，实现链上安全可信的大数据存储，结合(POA+GRANDPA)共识机制，实现数据可持续上链存储；同时关联链下云计算平台进行链下计算。

6.根据权利要求1所述的基于区块链的链网架构，其特征在于：所述通用API中台是搭建可视化智能ETL平台，针对链上海量可共享的功能业务数据进行前置处理，对数据前置数据进行清洗，转换，关联操作；然后设计统一标准的API接口，形成安全访问机制，实现区块链API调取。

7.根据权利要求1所述的基于区块链的链网架构，其特征在于：所述链网互通的具体实现过程如下：

1)用户在单链一体机或多链一体机上选择性地一键部署其相应的业务链；

2)所述业务链经双链通信网关连接跨链网关，调用链间消息传递协议与其他平行业务链之间进行跨链消息传递；

3)针对所述业务链与多个不同业务平行链的跨链互通，所述业务链提供轻节点加入跨链路由的轻节点集群，并在中继链中映射出可在其他业务链流转的合成资产，进行不同业务之间的价值互换；

4)将所述业务链相关业务程序写入与其关联的区块链存储云计算平台，业务数据的关键性参数上链，并设置各自对应的云存储服务器存储剩余业务数据信息，加载链上业务程序和关键性参数进行链下云计算，利用Arweave存储协议与IPFS存储协议存储协议进行程序结果的链上永久存储，实现所有业务的持续可信云存储；

5)所述业务链所在一体机各数据网关、跨链通信网关、跨链路由及关联的区块链存储云计算平台均与通用API中台连接，通用API中台设计统一区块链API接口，进行功能业务数据的安全调度，同时供其他用户或机构组织访问业务链所在多链网络，形成链网互通。

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