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基于树形结构构造的联盟链主从多链共识算法.docx
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基于树形结构构造的联盟链主从多链共识算法.docx
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1 引言
区块链技术作为去信任化的分布式账本系统,在不依赖于第三方可信机构
的前提下,实现点对点的可信价值传递
[ 1]
.当前,区块链技术已经从作为比特
币等数字货币底层技术的 1.0 时代过渡到智能合约和去中心化应用相结合的
2.0 时代,并将开启价值互联的 3.0 时代
[ 2]
.区块链 3.0 将解决 1.0 时代应用范
围受限,以及 2.0 时代性能受限而无法规模化应用等问题,促使越来越多的产
业和区块链无缝衔接,其链上承载的资产交易也将从单一的加密货币交易上升
到更加复杂和多样化的数字资产交易,多样化的数字资产交易对共识性能提出
新的挑战.
以比特币
[ 3]
为代表的区块链开创了去中心账本先河,但以比特币为代表
的区块链采用单层链式结构,将所有数字资产交易混合在一条链上处理,虽易
于维持账本的一致性,但难以平行扩展复杂化和多样化的数字资产交易,也不
便于分类管理;采用 PoW 类单一链上的共识机制,不涉及多链间资产一致性
共识,无法满足社会生产多场景协作的应用需求,并且存在效率低下、耗能严
重等问题.因此,单层链式结构下的区块链存在性能、隐私、扩展性方面的技
术瓶颈
[ 4]
.为了扩展区块链性能,2015 年,Poon 等
[ 5]
提出闪电网络(Lightning
Network),交易双方通过建立线下支付的微支付渠道,将主网承载的交易进
行分流处理,大大降低了主网负荷,但链下交易内容未存储到区块链中,使得
交易的追溯性受到损害.2016 年,Eyal 等
[ 6]
通过引入关键区块和微区块提出
一种可扩展的区块链协议 Bitcoin-NG.其中,关键区块选举记账人,微区块打
包交易,通过选举的记账人在时间片段内创建多个微区块,扩展了区块链的交
易处理容量,但 Bitcoin-NG 在比特币基础上改进,受限于单链结构,难以得
到更多的商业应用.另外,一些学者利用实用拜占庭容错共识算法(Practical
Byazntine Fault Tolerant,PBFT)运行效率高、非概率性共识的优点,将 PBFT
算 法 与 公 有 链 共 识 算 法 相 结 合 , 构 造 出 高 效 的 混 合 共 识 算 法 ( Hybrid
Consensus)
[ 7~10]
,如 Tendermint
[ 7]
、ByzCoin
[ 9]
等,核心思想是先通过
PoW、PoS
[ 11]
等公有链共识算法选举一定数量的节点作为委员会,委员会内
部再依托高效的 PBFT 算法生产区块,从而扩大公有链交易规模,但不同程度
继 承 了 PBFT 算 法 扩 展 性 差 以 及 公 链 共 识 算 法 效 率 低 下 、 耗 能 严 重 等 缺
点.2018 年,Feng 等
[ 12]
针对联盟链提出 SDMA-PBFT 共识算法,引入等级划
分和代理人将全网节点分成数个子域,提案区块通过各子域代理人进行共识,
减轻了主节点负担,提高了并行处理效率,然而当拜占庭节点成为代理人时,
系统安全性将大幅降低.2019 年,Gao 等
[ 13]
基于信用模型提出 T-PBFT 共识
算法,由信用值高的节点构成共识群组,提升了拜占庭算法的容错率,但通信
复杂度高达 O(n
2
).2020 年,Du 等
[ 14]
针对联盟链提出 MBFT 共识算法,利
用分层技术将节点划分为两层共识群组,底层群组验证交易,上层群组打包区
块,同时将共识群组分片,减少单个群组的负载,提高系统的吞吐量,但分片
使得群组规模变小,共识更加趋于中心化.同年,包振山等
[ 15]
针对 PBFT 算法
的扩展性,采用树形拓扑结构对网络进行划分并引入信誉模型以提高安全性,
底层子网运行 PBFT 算法,上层子网运行简化 PBFT 算法,通信复杂度降至 O
(n
k
)(k 为底层子网节点数),然而当子网中节点数较大时,通信复杂度仍
然较高.
多层链式结构下的区块链不仅能对多样化的数字资产进行分类处理,还能
提升系统并发处理能力,提高交易吞吐量.2016 年,Tsai 等
[ 16]
将传统单层链
式结构一分为二,提出账户区块链(ABC)和交易区块链(TBC)相结合的区
块链架构.ABC 负责查询、存储账户,TBC 负责建块、执行交易,利用上述方
法可实现负载均衡,但并未实现多样化数字资产的分类处理.文献[17,18]
通过楔入式侧链技术实现了链与链之间的资产交互,但侧链技术只是一种双向
锚定协议,并非独立的区块链架构,并且该技术通常用于基于 PoW 共识的区
块链,需要在交易速度与安全性之间做权衡.2017 年,IBM 提出许可的商业区
块链超 级 账 本(Hyperledger Fabric)
[ 19 ]
,采 用 多通道技术实现多 链 架 构 ,
每个通道各自维护一条链,不同通道间相互独立与隔离,然而通道间难以实现
资产的转移和一致性.2018 年,闵新平等
[ 20]
提出许可链多中心架构,该架构
中各中心主体维护交易区块链,所有中心主体维护全局区块链,全局区块链与
交易区块链通过哈希值锚定保证数字资产交易的全局一致性,但该架构不能防
止双花问题,并且其采用的 PBFT 共识算法会随着链的增多,性能急剧下降.
针对现有区块链性能低下,难以支持多种场景下数字资产的分类并发处理,
难以实现多链共识等问题,本文首先面向联盟链设计一种树形主从多链架构,
该架构基于树形结构对群组进行切分,使得树中的每一个父节点和其子节点组
成一个通道,达到数据隔离的隐私需求;通过每个通道维护一条从链,所有通
道共同维护一条主链,实现不同数字资产的分类处理;通过从链存储多样化交
易内容,主链存储交易摘要,主从链通过哈希锁定的方式达到不可篡改和便于
审计的目的;利用多个通道并行处理交易,解决现有区块链吞吐量低下和交易
延迟过高等问题.然后,针对树形结构的主从多链架构,设计基于门限签名的
拜占庭容错共识算法来解决多样化数字资产分类并发处理带来的一致性问题,
以及设计视图转换协议将失效或作恶的父节点向底层叶子节点位置调动,并将
底层叶子节点替换到父节点位置,以获得强有力的系统活性保障.分析表明,
本文提出的主从多链结构突破了单链的功能和性能束缚,具有良好的高并发交
易性能,同时兼顾隐私数据的隔离保护,满足企业多样化业务需求.
2 联盟链主从多链系统架构
联盟链是指由多个利益相关的机构共同参与和维护的区块链,其网络中的
节点来自不同组织,互相缺乏信任且可能是拜占庭节点.为了使系统能够容忍
拜占庭错误,本方案采取树形结构来构造主从多链架构,树中每一个父节点 i
对应的子节点数量 T
i
≥3f
i
,f
i
为父节点 i 及其子节点构成的通道中所能容忍的
拜占庭节点数量.主从多链架构按照 T
i
叉树对联盟链共识群组进行划分,得到
树中每个父节点(除根节点)和其副本节点组成的下层通道,以及根节点和其
副本节点组成的上层通道,并且其数量之和满足构成拜占庭容错系统要求,即
每个通道内副本总数量 n≥3f
i
+1;父节点(除根节点)为各自下层通道的主节
点,维护各自通道内的从链和主链,根节点为上层通道的主节点,负责构建主
链;通道之间相互隔离,实现对不同数字资产的隐私保护,并以多通道并发处
理数字资产交易的方式解决现有区块链技术吞吐量低和交易延迟高等问题.
考虑到实际的业务需求以及树过深会导致系统性能的下降,本方案采用深
度为 2 的 T
i
叉树.如图 1 所示,基于深度为 2 的 T
i
叉树对共识群组进行划分,
形成相互独立、相互隔离的主从多链;树中每个父节点和其子节点都构成拜占
庭容错系统,即 ABCD、BEFG、CHIJKLM 和 DNOPQ 组成的 4 个拜占庭容
错 系 统 .其 中 ABCD 构 成 上 层 拜 占 庭 容 错 系 统 , 负 责 构 建 主 链 ; BEFG 、
CHIJKLM 和 DNOPQ 构成下层拜占庭容错系统,负责维护主链以及各自通道
内的从链.
图 1
图 1 主从多链系统架构
为实现主从多链之间的价值互联,在本文所构造的联盟链主从多链架构中,
数字资产不仅可以在通道内部交易,还可以跨通道进行交易,实现链与链之间
的互操作性,例如用户可以用某项资产交换不同机构的理财产品,不同的资产
就需要在多条链上做转移、交换操作.当进行链与链之间的互操作时,若将同
一数字资产分别与不同的通道主体进行交易,同一资产将完成两次或者多次支
付,则此类交易不满足全局一致性,故在联盟链主从多链架构中,不仅要保证
通道内部交易的一致性,还要保证数字资产在跨通道交易时的一致性.为了保
证主从链的一致性,本文采用基于门限签名改进的拜占庭容错共识算法进行全
网共识,由树中父节点收集其副本节点的投票信息(投票基于门限签名),当
收集到的合法签名数量达到门限值 t
i
(t
i
=2f
i
+1)时,父节点对投票信息进行
聚合,然后向上层节点递归提交每个通道的门限签名状态,上层节点通过验证
门限签名的合法性确认各通道交易的有效性以及状态是否达成一致,继而构建
主链并广播给各下层通道,下层通道收到合法的主链区块后,将主链区块持久
化写入到主链,同时更新本地的从链;主从链通过哈希相互锁定,保证交易的
一致性和不可篡改性.由此,针对联盟链主从多链架构下难以维护全局资产一
致性问题,构建了高可信度的数字资产交易共识算法,保证数字资产的全局一
致性,提高了区块链性能.
联盟链多链模型相关定义如下.
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