CN113014577B - 一种混合型区块链***及其可信区块识别方法 - Google Patents

一种混合型区块链***及其可信区块识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合型区块链***及其可信区块识别方法。该***中的参与节点包括认证节点和非认证节点，所有节点生成的区块形成DAG结构。认证节点需要按设定的生成速率构造出新的区块，非认证节点必须通过求解一个随机值使得新区块的哈希值满足特定要求，才能构造出新的区块。该***通过确定区块顺序来寻求共识。在确定区块顺序时，先采用可信区块识别方法识别出可信区块，然后按照区块被可信区块直接或者间接引用的数量对所有区块进行排序。在可信区块识别时，首先对认证节点生成的区块进行识别，然后在此基础上对所有区块进行识别。该区块链***可以极大地改进现有公有链性能不高而联盟链节点可扩展性不强的问题。

Description

一种混合型区块链***及其可信区块识别方法
技术领域
本发明涉及区块链领域，特别是涉及一种基于有向无环图(DAG)的混合型区块链***，能够同时拥有很高的性能、节点可扩展性和安全性。
背景技术
区块链本质上是一种分布式账本数据库，具有去中心化、追踪溯源、公开透明、防篡改伪造等特性，在金融、农业、医药、能源互联网等多个领域有着广泛的应用前景。根据采用的共识机制和应用场景的不同，区块链可以分为许可链(联盟链和私有链)和非许可链(公有链)。目前区块链技术面临的一个主要挑战是性能问题。许可链具有很高的性能，但是节点可扩展性很差(即性能随着节点规模的增大急剧下降)，而非许可链通常具有很好的节点可扩展性，但是性能很低。
基于有向无环图的区块链技术，通过充分利用传统区块链技术中抛弃的无效区块信息，可以解决随着区块生成速率增加所带来的分叉问题及其导致的区块链性能瓶颈。但是现有的基于有向无环图的区块链技术，安全性并没有得到很好的解决，抗攻击能力较弱。
发明内容
本发明提出了一种基于有向无环图的混合型区块链***，通过在参与节点中引入认证节点，可以更有效地解决可信区块的识别问题，提升***的安全性。该技术综合了许可链和非许可链的优点，既有很高的性能，也具有很强的节点可扩展性。具体技术方案如下：
1.这种混合型区块链***(如图1所示)是由参与节点构成，节点之间通过传递区块等信息来交流，这些节点完成了整个区块链网络的构建。参与节点是由两部分构成，一部分是认证节点(如图1中的服务器)，这部分节点不会违背区块链生成的规则，生成的区块会被立即公开不造假，另一部分是非认证节点(如图1中的笔记本)，这些节点可能会违背区块链生成的规则，生成的区块可能不会立即公开，还有可能会造假。两种类型的节点采用不同的区块生成机制。两种类型的节点所生成的区块，广播出去后，节点所后来生成的区块都是基于之前区块的基础之上的，通过这种链接关系所有共同构成一个有向无环图(DAG)结构。
2.认证节点通常是具有很高信誉度的机构或者个人，例如国家机构或者大型知名企业。这些节点的真实身份需要经过权威认证，才能加入***建块。这些节点的作恶可能性远远小于普通节点。认证节点需要按设定的生成速率构造出新的区块；该生成速率根据当前***中非认证节点的实际区块生成速率进行调整。比如当非认证节点以比较快的区块生成速率生成区块的时候，认证节点也应该以比较快的区块生成速率生成区块作为对其的适应，防止两个速率之间相差过大。
3.所有其他普通节点都属于非认证节点，无需进行身份认证，可以直接加入***来建块。非认证节点必须通过工作量证明(即通过穷举的方式，求解一个随机值使得新区块的哈希值满足特定要求)，才能构造出新的区块；通过调整哈希值需要满足的要求，来对找到随机值的难度进行调整，进而可以限制非认证节点生成新区块的最高速率，防止拒绝服务攻击。
4.所有节点，即认证节点和非认证节点在构造新区块时，将收到的所有区块中还没有被其他区块引用的区块的哈希值，记录在新区块中。通过这种方式，一个新区块可以链接到多个已有区块。在区块链网络的示意图中，可以直接用有向边将区块链接起来，如附图2中所示，比如区块G链接了区块C，D，E，这样所有区块形成一个DAG结构。
5.当需要寻求共识时，各节点通过以下方法确定共识结果：
a)在认证节点生成的区块中，通过参考文献中的MaxCord或者其他方法比如PHANTOM等识别出可信区块；
b)在所有区块(不仅包括认证节点生成的区块也包括非认证节点生成的区块)中识别出可信区块，要求第一步识别出的可信区块必须包含在最终的可信区块集中；
c)按照区块被可信区块直接或者间接引用的数量对所有区块进行排序，排序的原则是引用数量越高的区块，排序越靠前；
d)如果两个区块的数据有冲突的内容，比如在两个区块中包括两笔交易用的是同一笔数字货币支付的，接受排序在前的区块数据，拒绝排序在后的区块数据。
本发明的有益效果是：本发明实现了一种混合型区块链***，在保证区块链去中心化和安全性的同时，提高区块链的性能和节点可扩展性。
附图说明
图1是混合型区块链***图示，其中包括了认证节点(用主机表示)和非认证节点(用笔记本表示)。
图2是基于有向无环图的区块链结构示意图。
图3是混合型区块链系中不同可信区块识别方法的可信区块识别精度比较。
图4是国有商业银行和其他商业银行所形成的混合型区块链***图示。
图5是国有商业银行和其他商业银行所造的区块链图示，其中虚边区块为造假区块，实边区块为可信区块，(边比较深的实边区块为国有商业银行所造区块，边比较浅的实边区块为其他商业银行所造区块)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
在基于DAG的区块链***中引入了一些认证节点，得到了混合型区块链***，这些节点的真实身份是经过认证的，具有很高的可信度，他们所生成的区块绝大部分都是遵守***规则的可信区块。这些区块可以作为一个参考基准去筛选***中的其他可信区块。通过在选出的区块中，限制包含这部分区块来提升可信区块识别的精度，进而提升***的安全性。在实际应用中，这些认证节点可以是比较有权威的国家机构、比较有认可度的大型知名企业等。
针对基于DAG的混合型区块链***的可信区块识别问题主要包括两步。
第一步，基于认证节点生成的所有区块，通过MaxCord方法识别出认证节点生成区块中的可信区块集合。这一步可以通过求解下面的整数规划问题得到，其中每个xi表示每个区块是否被识别为可信区块，若其取1则对应的区块为识别出的可信区块，0则对应的区块没有被识别为可信区块。
Figure BDA0002950207690000031
第二步，在整个区块链DAG网络中，基于第一步识别出的可信区块，通过一个带约束的MaxCord方法识别出所有的可信区块集合，其中的约束即要求最终的可信区块集合要包含第一步所选出的可信区块集合。这一步可以通过求解下面的整数规划问题得到，其中每个xi表示每个区块是否被识别为可信区块，若其取1则对应的区块为识别出的可信区块，0则对应的区块没有被识别为可信区块。
Figure BDA0002950207690000041
以上模型中，V为所有区块的集合，V'为认证节点生成区块的集合，D(i,j)为区块i和j的discord值，k,k'和d为模型的参数。
在第二步中，由于要求第一步所选可信认证节点区块必须被选入最终的可信区块集合，可以排除很多与这些可信认证节点区块冲突可能性较高的非可信区块，降低可信区块识别的假阳性。实验表明，即使攻击者拥有极高的算力，也很难攻击成功。通过提高可信区块的识别精度，有助于随后的区块排序。
例图3中展示了在不同模拟结果下，分别仅运用MaxCord方法[1](如图中MIS所示)或者运用本方法(如图中MISIS所示)所得的可信区块识别精度。在模拟生成DAG网络中，有10000个节点参与区块链构造，其中认证节点数量分别为500，100，50和10个。区块生成速率为1/600(块/秒)。横轴表示攻击者的攻击算力占比，纵轴表示可信区块的识别精度。通过比较可以看出，利用混合型区块链***中可信区块识别的方法，即使攻击算力达到了0.9，所得到的可信区块识别精度仍然几乎接近于1，而此时仅用MaxCord方法所得可信区块的识别精度接近于0。即使认证节点数量占比很低，只有0.1％的时候，攻击者算力占比为0.6的时候，识别精度还是相当可观的。在本方法的框架下，由于认证节点生成区块的加入，极大地提升了可信区块的识别精度，保证了区块链***的安全性。这也证明了我们所设计的可行和有效性。
本方法所提出的混合型区块链***，可以应用到金融领域，解决现在区块链技术应用到金融领域，无法有效地处理高频交易场景的问题，现在在金融领域应用区块链技术时的吞吐量为7笔/秒左右，而Visa、支付宝等每秒都可以处理成万笔交易。金融中高频交易的场景又很常见，比如股票市场每秒的成交量就不止几十笔。这一点就会极大限制区块链在金融领域中的应用，比如很难用区块链来记录金融市场中的交易信息。该方法中的区块链利用了分叉区块的信息，将这些区块中包含的信息也作为区块链处理的有效信息来提升区块链的吞吐量，使其能够适应处理金融领域中高频交易的场景，在此基础之上在区块链***中引入了一些认证节点来保证区块链***的安全性，防止被恶意节点进行攻击进而扰乱***的稳定运行。
具体来说，由国有商业银行以及其他商业银行作为所有参与节点形成一个混合型区块链***，如图4所示，其中国有商业银行属于可信节点(如图4中带人民币符号的银行所示)，他们是比较有权威的，其他商业银行(如图4中不带人民币符号的银行所示)作为非认证节点。这些节点之间可以进行信息传递和资金的转移，如图4中的边所示，节点会竞争将交易信息记录在区块中，并将区块链接在已有的多个或一个区块上(叶子区块)，形成有向无圈图结构(如图5所示)其中虚边区块为想造假的银行所生成的区块，边比较深的实边区块为国有商业银行所生成的区块，边比较浅的实边区块为其他商业银行所生成的可信区块，这里每个区块中都记录了交易信息，之所以银行会竞争建块是因为银行建块可以获得一定的来自所记录交易的交易费。在形成的有向无圈图结构中利用了分叉区块的信息，可以提高单位时间内处理的交易量，提升了区块链***的效率，使得区块链可以应用于一些对效率要求较高的金融场景。由于国有商业银行等这些可信节点的存在，其他商业银行不敢造假扰乱***，否则这些非认证节点所造的区块(即图5中的虚边区块)会很容易被识别出来。可以先对这些国有商业银行等可信节点所生成的区块(即图5中边比较深的实边区块)，通过模型(1)来求解，取出那些取值为1的区块(即图5中所有边比较深的实边区块)，这样做是先对可信节点所生成的区块进行筛选，选出可信区块(其实可信节点生成的区块往往都是可信区块，但是为了提高模型的识别精度还是在对整体区块筛选之前，先对可信节点所生成的区块筛选一次)。然后再对所有区块进行筛选，但是要求必须包含模型(1)所筛选出来的可信区块，即求解模型(2)即可，取出那些取值1为的区块(即图5中的实边区块)。这样就可以更高精度地选出可信区块，提升了***的安全性。一旦这些攻击区块(即图5中的虚边区块)被识别出来，这里面所包含的交易就会被抛弃掉。可信区块也有可能不连在攻击区块上面。
总结一下，该实施例子中国有商业银行和其他商业银行构成了本方法中设计的混合型区块链***，他们之间建立了一个基于有向无环图的区块链来记录他们之间的交易信息，提升了效率，运用本方法中针对该混合型区块链***的可信区块识别方法，即先后分别求解模型(1)和模型(2)来识别出可信区块。由于混合型***中国有商业银行的存在大大地提高了识别的精度，提升了***的安全性。
最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的具体实例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。本发明中的可信区块识别基础方法并不局限于MaxCord,其他可信区块识别方法也可以应用到该框架中。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应属于本发明的保护范围。
参考文献：
[1]Xu Wang,Guohua Gan,Ling-Yun Wu.Framework and algorithms foridentifying honest blocks in blockchain.PLoS ONE,15(1):e0227531,2020.

Claims (8)

1.一种混合型区块链***的可信区块识别方法，其特征在于：
步骤一，基于认证节点生成的所有区块，通过MaxCord方法识别出认证节点生成区块中的可信区块集合；通过求解下面的整数规划问题得到可信区块集合，其中每个xi表示每个区块是否被识别为可信区块，若其取1则对应的区块为识别出的可信区块，0则对应的区块没有被识别为可信区块；
Figure FDA0003470324280000011
步骤二，在整个区块链DAG网络中，基于步骤一识别出的可信区块，通过一个带约束的MaxCord方法识别出所有的可信区块集合；其中要求最终的可信区块集合要包含第一步所选出的可信区块集合；通过求解下面的整数规划问题得到可信区块集合，其中每个xi表示每个区块是否被识别为可信区块，若其取1则对应的区块为识别出的可信区块，0则对应的区块没有被识别为可信区块；
Figure FDA0003470324280000012
其中，V为所有区块的集合，V'为认证节点生成区块的集合，D(i,j)为区块i和j的discord值，k,k'和d为模型的参数。
2.根据权利要求1所述的一种混合型区块链***的可信区块识别方法，其特征在于：在步骤二中，由于要求步骤一所选可信认证节点区块必须被选入最终的可信区块集合，故排除很多与这些可信认证节点区块冲突可能性较高的非可信区块，降低可信区块识别的假阳性。
3.根据权利要求1或2所述的一种混合型区块链***的可信区块识别方法，其特征在于：混合型区块链***是由参与节点构成，节点之间通过传递区块信息来交流，这些节点完成了整个区块链网络的构建；其中，参与节点是由两部分构成，一部分是认证节点，认证节点不会违背区块链生成的规则，生成的区块会被立即公开不造假；另一部分是非认证节点，非认证节点会违背区块链生成的规则，生成的区块不会立即公开，而且会造假。
4.根据权利要求3所述的一种混合型区块链***的可信区块识别方法，其特征在于：两种类型的节点采用不同的区块生成机制；两种类型的节点所生成的区块，广播出去后，节点所后来生成的区块都是基于之前区块的基础之上的，通过这种链接关系所有共同构成一个有向无环图DAG结构。
5.根据权利要求3所述的一种混合型区块链***的可信区块识别方法，其特征在于：认证节点是具有很高信誉度的机构或者个人；这些节点的真实身份需要经过权威认证，才能加入***建块；这些节点的作恶可能性小于普通节点；认证节点需要按设定的生成速率构造出新的区块；该生成速率根据当前***中非认证节点的实际区块生成速率进行调整。
6.根据权利要求3所述的一种混合型区块链***的可信区块识别方法，其特征在于：所有其他普通节点都属于非认证节点，无需进行身份认证，直接加入***；非认证节点必须通过工作量证明即通过穷举的方式，求解一个随机值使得新区块的哈希值满足特定要求，才能构造出新的区块；通过调整哈希值需要满足的要求，来对找到随机值的难度进行调整，进而限制非认证节点生成新区块的最高速率，防止拒绝服务攻击。
7.根据权利要求3所述的一种混合型区块链***的可信区块识别方法，其特征在于：所有节点，即认证节点和非认证节点在构造新区块时，将收到的所有区块中还没有被其他区块引用的区块的哈希值，记录在新区块中；通过这种方式，一个新区块链接到多个已有区块；在区块链网络中，直接用有向边将区块链接起来。
8.根据权利要求3所述的一种混合型区块链***的可信区块识别方法，其特征在于：当需要寻求共识时，各节点通过以下内容确定共识结果：在认证节点生成的区块中，通过MaxCord或者PHANTOM识别出可信区块；在所有区块中识别出可信区块，要求识别出的可信区块必须包含在最终的可信区块集中；按照区块被可信区块直接或者间接引用的数量对所有区块进行排序，排序的原则是引用数量越高的区块，排序越靠前；如果两个区块的数据有冲突的内容，接受排序在前的区块数据，拒绝排序在后的区块数据。
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