面向多条异构链的跨链系统及跨链交易激励安全保障方法

摘要

本发明涉及一种面向多条异构链的跨链系统及跨链交易激励安全保障方法，其特征在于，跨链系统包括：目标链模块、跨链联盟模块、跨链桥模块和用户模块，其中，跨链桥模块的数量与加入跨链系统的源链数量相同；目标链模块用于生成目标链区块，以及对提交的交易单进行获取、验证、打包和上链处理；跨链联盟模块用于向目标链模块提交验证交易单，并进行跨链桥的开发、部署和维护；跨链桥模块用于向目标链模块提交传输交易单，将对应源链的最新状态同步至目标链；用户模块用于向目标链模块提交基础交易单进行目标链内的交易，并向目标链模块提交跨链交易单进行跨链交易，本发明可以广泛应用于区块链领域中。

说明书

技术领域

本发明涉及区块链领域，特别是关于面向多条异构链的跨链系统及跨链交易激励安全保障方法。

背景技术

自2008年中本聪发布比特币白皮书以来，区块链作为比特币的底层架构被人们所熟知。区块链通过密码学、共识机制、博弈论等方式，使得去中心化网络中的不同节点维护一个不可篡改的安全公共账本。受比特币启发，相关人员将区块链这一去中心化方法应用于各种应用场景中。然而，由于应用场景的不同和技术进步，不同区块链采用不同的密码算法、共识机制、安全假设、区块结构和通信协议等，使得各个区块链系统均是独立垂直的封闭体系，因而难以与其他区块链进行直接互联互通。为解决区块链领域面临的“信息孤岛、异构数据融合与异构协议互操作”，跨链技术应运而生。

尽管自2016年以来，相关人员提出公证人机制、哈希锁定机制、侧链/中继链等跨链方案，但是跨链依然存在以下几个问题：1)部分去中心化的多链跨链系统的设计目标并非打通现有的各自孤立的区块链生态，而是另外创建一个容纳多条区块链的生态，这类多链系统的典型为Cosmos和Polkadot。2)为打通孤立区块链生态而设计的跨链系统，难以兼顾“去中心化”与“活性”。一方面，具有活性的跨链系统通常是弱中心化甚至是完全去中心化的，这类方案的优势在于跨链系统的维护成本很低，即使系统处于冷启动阶段(即缺乏足够的跨链用户)，系统仍可以运行，缺点在于跨链证据的验证依赖于固定的节点集合(弱中心化)或某一节点(中心化)，一旦可信节点受到攻击或自我腐化，跨链用户会受到重大损失。另一方面，去中心化跨链系统通常缺乏活性，这类方案的优势在于跨链证据由源链搬运工提交到区块链上进行验证，只要区块链本身是安全的，跨链用户不会受到损失。缺点在于，源链搬运工向区块链提交跨链证据这一行为是需要代价的，当跨链系统处于冷启动阶段，源链搬运工无法从跨链用户收取足够的报酬，因而理性的源链搬运工会终止这一过程，跨链用户也会因跨链证据不能及时更新而选择退出该系统。

目前，对于跨链系统的用户来说，跨链系统无论是牺牲去中心化还是牺牲活性均将无法保证跨链交易的安全。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够保证跨链交易安全的面向多条异构链的跨链系统及跨链交易激励安全保障方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：第一方面，提供一种面向多条异构链的跨链方法，包括：

通过共识机制生成目标链区块；

向目标链提交验证交易单，并进行跨链桥的开发、部署和维护；

向目标链提交传输交易单，将对应源链的最新状态同步至目标链；

向目标链提交基础交易单进行目标链内的交易，并向目标链提交跨链交易单进行跨链交易；

按照预定义的交易单规则和共识规则，对提交的交易单进行获取、验证、打包和上链处理，生成新的目标链。

进一步地，所述向目标链提交验证交易单，并进行跨链桥的开发、部署和维护，包括：

对于未加入跨链系统的新源链，将源链轻节点共识规则和交易验证规则编码为桥合约，并开发与桥合约对应的搬运客户端；

将桥合约以验证交易单的格式提交至目标链模块，并公开对应的搬运客户端；

目标链矿工对验证交易单中跨链联盟的多签名进行验证，若多签名有效，则将验证交易单上链并部署验证交易单中的桥合约；

实时确定每一源链的发展情况，若源链发生特殊事件，则提交验证交易单至目标链模块，对已部署的桥合约进行更新，同时更新搬运客户端。

进一步地，所述向目标链提交传输交易单，将对应源链的最新状态同步至目标链，包括：

源链搬运工运行搬运客户端，获得目标链上桥合约的最新状态和源链的最新状态，并根据预先设定的判断规则，判断是否需向桥合约提交必要数据，若判断结果为否，则重复运行搬运客户端；若判断结果为是，则源链搬运工将必要数据写入传输交易单，提交至目标链模块，并重复运行搬运客户端；

目标链矿工按照交易单规则和桥合约中的轻节点共识规则，验证传输交易单，并修改桥合约的状态。

进一步地，所述向目标链提交基础交易单进行目标链内的交易，并向目标链提交跨链交易单进行跨链交易，包括：

普通用户向目标链模块的目标链矿工提交基础交易单；

目标链矿工按照交易单规则执行基础交易单；

跨链用户监听桥合约的最新状态，若源链交易所在的源链区块头已被源链搬运工提交至目标链模块，则将源链交易和辅助证明写入跨链交易单，并提交至目标链模块；

目标链矿工按照交易单规则和桥合约中的交易验证规则，执行有效的跨链交易单，但不修改桥合约的状态。

进一步地，所述按照预定义的交易单规则和共识规则，对提交的交易单进行获取、验证、打包和上链处理，生成新的目标链，包括：

目标链矿工获取未执行的交易单；

目标链矿工按照交易单规则和不同种类交易单对应的附加规则，验证未执行的交易单，并对有效交易单进行打包；

目标链矿工按照共识协议，生成包括打包后的有效交易单的目标链新区块；

目标链矿工重复进行上述获取、验证和打包交易单的过程并生成目标链新区块。

第二方面，提供一种面向多条异构链的跨链系统，包括目标链模块、跨链联盟模块、跨链桥模块和用户模块，其中，所述跨链桥模块的数量与加入跨链系统的源链数量相同；

所述目标链模块用于生成目标链区块，以及对提交的交易单进行获取、验证、打包和上链处理；

所述跨链联盟模块用于向所述目标链模块提交验证交易单，并进行跨链桥的开发、部署和维护；

所述跨链桥模块用于向所述目标链模块提交传输交易单，将对应源链的最新状态同步至目标链；

所述用户模块用于向所述目标链模块提交基础交易单进行目标链内的交易，并向所述目标链模块提交跨链交易单进行跨链交易。

第三方面，提供一种面向多条异构链的跨链系统的跨链交易激励安全保障方法，包括：

跨链系统发行通证，作为目标链矿工和源链搬运工的基础奖励；

跨链系统将发行的通证以及用户支付的手续费按照某种比例分配至目标链矿工和源链搬运工；

当源链搬运工提交无效的源链区块头时，跨链系统对源链搬运工进行惩罚。

进一步地，所述跨链系统发行通证，作为目标链矿工和源链搬运工的基础奖励，包括：

跨链系统设置发行通证的时间参数T和衰减函数f(·)；

在第1周期T，跨链系统发行R＝R

在第i周期，跨链系统发行R＝R

进一步地，所述跨链系统将发行的通证以及用户支付的手续费按照某种比例分配至目标链矿工和源链搬运工，包括：

跨链系统设置目标链矿工与源链搬运工的通证分配比例α；

若某一周期，目标链模块产生m个新区块，某目标链从用户模块中的普通用户获得手续费fee

若某一周期，跨链系统存在N条源链，跨链系统获得跨链总手续费crossfee，其中，编号为j的源链共提交n个有效传输交易单，获得跨链手续费crossfee

r＝(1/N+crossfee

进一步地，所述当源链搬运工提交无效的源链区块头时，跨链系统对源链搬运工进行惩罚，包括：

源链搬运工提交传输交易单时，质押d个单位的通证；

若传输交易单包括的源链区块头全部为有效区块头，则源链搬运工收回全部押金；若传输交易单包括的源链区块头存在无效区块头，则跨链系统惩罚源链搬运工失去全部押金，且该传输交易单所在目标链的目标链矿工获得押金的一半，并销毁另一半押金。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明结合区块链方案和跨链中继方案，使得目标链能够以去中心化的方式实现对源链交易的跨链验证，能够支持至少5种10条区块链作为源链加入。

2、本发明能够容纳超过100个节点(包括目标链矿工、跨链联盟成员、不同源链搬运工)和10000名用户(包括普通用户和跨链用户)。

3、本发明通过激励机制能够实现对跨链交易的安全保障，即在冷启动阶段，跨链系统缺乏足够跨链用户时，源链搬运工仍然有足够的动力搬运源链区块头并维护去中心化跨链桥，系统同时具有去中心化和活性，从而保障跨链交易安全。

综上所述，本发明可以广泛应用于区块链领域中。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明一实施例提供的跨链方法的示意图；

图2是本发明一实施例提供的跨链方法中跨链桥模块的工作流程示意图；

图3是本发明一实施例提供的跨链方法中目标链模块的工作流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

需要说明的是：在本发明实施例中，将已有的区块链(例如Bitcoin、Ethereum)称为源链，将为实现跨链系统而新搭建的区块链称为目标链。

本发明实施例提供的面向多条异构链的跨链系统及跨链交易激励安全保障方法，通过目标链模块1实现对普通事务和跨链事务的去中心化验证，通过跨链联盟模块2实现对跨链桥的开发、部署和维护，通过跨链桥模块3实现目标链对源链账本的去中心化验证，通过用户模块4使得目标链支持用户的链内交易与跨链交易，通过跨链交易激励安全保障方法实现对跨链交易的安全保障，能够保证跨链系统兼具“去中心化”与“活性”，从而保障跨链交易安全。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种面向多条异构链的跨链方法，包括以下步骤：

1)目标链模块1通过共识机制生成目标链区块。

2)跨链联盟模块2向目标链提交验证交易单，并进行跨链桥的开发、部署和维护，具体为：

2.1)对于未加入跨链系统且具有一定影响力的新源链，将源链轻节点共识规则和交易验证规则编码为桥合约，并开发与桥合约对应的搬运客户端。

例如，未加入跨链系统的源链Bitcoin通过SPV机制(Simple PaymentVerification，简单支付验证)进行轻节点共识和交易验证，跨链联盟模块2将SPV规则编码为Bitcoin桥合约，并开发与Bitcoin桥合约对应的Bitcoin搬运客户端。

2.2)将桥合约以验证交易单的格式提交至目标链模块1，并公开对应的搬运客户端。

例如，将Bitcoin桥合约以验证交易单的格式提交至目标链模块1，并公开Bitcoin搬运客户端。

2.3)目标链矿工对验证交易单中跨链联盟的多签名进行验证，若多签名有效，则将验证交易单上链并部署验证交易单中的桥合约。

具体地，目标链矿工为运行目标链协议，不断执行交易单并生成目标链新区块的节点。

2.4)实时确定每一源链的发展情况，若源链发生软分叉、硬分叉或回滚等特殊事件，则提交验证交易单至目标链模块1，对已部署的桥合约进行更新，同时更新搬运客户端。

3)如图2所示，跨链桥模块3向目标链模块1提交传输交易单，将对应源链的最新状态同步至目标链，具体为：

3.1)源链搬运工运行搬运客户端，获得目标链上桥合约的最新状态和源链的最新状态，并根据预先设定的判断规则，判断是否需向桥合约提交源链新区块头等必要数据，若判断结果为否，则重复步骤3.1)；若判断结果为是，则源链搬运工将源链新区块头等必要数据写入传输交易单，提交至目标链模块1，并重复步骤3.1)。

具体地，源链搬运工为向目标链提交源链最新区块头的节点。

具体地，判断规则由桥合约定义，不同的源链具体的判断规则不同。

具体地，源链搬运工需一直重复步骤3.1)，即一直监视源链和桥合约状态，若源链产生新区块时，源链额搬运工将对应的区块头提交至目标链，直到源链搬运工主动退出跨链系统，才不重复步骤3.1)。

例如，Bitcoin源链搬运工运行Bitcoin搬运客户端，获得Bitcoin桥合约的区块头高度h

3.2)目标链矿工按照交易单规则和桥合约中的轻节点共识规则，验证传输交易单，并修改桥合约的状态。

具体地，目标链矿工验证传输交易单的具体过程为：

3.2.1)目标链矿工解析传输交易单中的区块头，其中，若解析失败，则拒绝该传输交易单。

3.2.2)目标链矿工向桥合约查询区块头是否已提交，其中，若区块头已提交，则拒绝该传输交易单。

3.2.3)目标链矿工向桥合约查询区块头的父区块头是否提交，其中，若未提交，则拒绝该传输交易单。

3.2.4)目标链矿工验证区块头的各字段是否正确，其中，若验证失败，则拒绝该传输交易单。

3.2.5)当通过全部验证后，目标链矿工将传输交易单写入目标链新区块并更新桥合约的状态。

4)用户模块4向目标链模块1提交基础交易单进行目标链内的交易，并向目标链模块1提交跨链交易单进行跨链交易。

具体地，用户分为普通用户与跨链用户，普通用户提交与跨链无关的事务，跨链用户提交与跨链有关的事务，本步骤的具体过程为：

4.1)普通用户向目标链模块1的目标链矿工提交基础交易单。

4.2)目标链矿工按照交易单规则执行基础交易单。

4.3)跨链用户监听桥合约的最新状态，若源链交易所在的源链区块头已被源链搬运工提交至目标链模块1，则将源链交易和辅助证明写入跨链交易单，并提交至目标链模块1。

例如，跨链用户监听桥合约的最新状态，若Bitcoin交易所在的Bitcoin区块头已被源链搬运工提交至目标链模块1，则将Bitcoin交易和辅助证明(区块头哈希和交易的默克尔证明)写入跨链交易单，并提交至目标链模块1。

4.4)目标链矿工按照交易单规则和桥合约中的交易验证规则，执行有效(即通过规则验证)的跨链交易单，但不修改桥合约的状态。

具体地，目标链矿工验证用户模块4中的跨链用户提交的跨链交易单具体过程为：

4.4.1)目标链矿工基于区块头哈希向桥合约依次查询区块头是否已提交、是否在主链上、是否得到6个后续区块头确认，其中，若未通过全部验证，则拒绝该跨链交易单。

具体地，Bitcoin的确认机制是当高度为h的区块产生时，高度为h-6的区块被确认。在桥合约中，区块头与源链区块是一一对应的。

4.4.2)目标链矿工基于源链交易和辅助证明计算默克尔树根，同时向桥合约查询区块头对应的交易根，检查二者是否相等，其中，若不相等，则拒绝该跨链交易单。

4.4.3)通过全部验证后，目标链矿工将跨链交易单写入目标链，但不修改桥合约状态。

5)如图3所示，目标链模块1按照预定义的交易单规则和共识规则，对提交的交易单进行获取、验证、打包和上链处理，生成新的目标链，具体为：

5.1)目标链矿工获取未执行的交易单。

5.2)目标链矿工按照交易单规则和不同种类交易单对应的附加规则，验证未执行的交易单，并对有效交易单进行打包。

5.3)目标链矿工按照共识协议，生成包括打包后的有效交易单的目标链新区块。

5.4)目标链矿工重复步骤5.1)至5.3)，不断验证、打包交易单并生成目标链新区块。

进一步地，目标链矿工由n＝3f+1个节点组成的委员会，f为目标链可容纳的恶意节点数量上限，具体过程为：

A)委员会节点编号依次为[0,1,…,n-1]，当前视图(view)编号为v。

B)计算节点p＝v mod n，编号为p的节点成为当前视图v的主节点。

C)主节点打包若干有效交易单生成待签名区块，并广播至委员会其它节点。

D)其它节点收到消息后，记录该消息并再次广播至其它节点。

E)节点在接收到超过2f个相同消息后，验证待签名区块是否正确，若正确则生成签名并广播至其它节点。

F)若节点接收到超过2f个签名后，则将待签名区块和签名上链，当前视图结束v。

G)目标链矿工对委员会成员和视图编号进行更新，重复步骤A)至F)。

实施例2

本实施例提供一种面向多条异构链的跨链系统，包括目标链模块1、跨链联盟模块2、跨链桥模块3和用户模块4，其中，跨链桥模块3的数量与加入跨链系统的源链数量相同。

目标链模块1用于生成目标链区块，以及对提交的交易单进行获取、验证、打包和上链处理。

跨链联盟模块2用于向目标链模块1提交验证交易单，并进行跨链桥的开发、部署和维护。

跨链桥模块3用于向目标链模块1提交传输交易单，将对应源链的最新状态同步至目标链。

用户模块4用于向目标链模块1提交基础交易单进行目标链内的交易，并向目标链模块1提交跨链交易单进行跨链交易。

在一个优选的实施例中，目标链模块1采用PBFT(Pratical Byzantine FaultTolerance实用拜占庭容错)共识机制不断生成目标链新区块。

在一个优选的实施例中，目标链模块1包括交易单获取单元、验证单元、打包单元和目标链生成单元。

交易单获取单元用于获取未执行的交易单。

验证单元用于按照交易单规则和不同种类交易单对应的附加规则，验证未执行的交易单。

打包单元用于对有效交易单进行打包。

目标链生成单元用于按照共识协议生成包括打包后的有效交易单的目标链新区块。

在一个优选的实施例中，跨链联盟模块2包括跨链桥开发单元、验证交易单提交单元、跨链桥部署单元和跨链桥维护单元。

跨链桥开发单元用于对于未加入跨链系统且具有一定影响力的新源链，将源链轻节点共识规则和交易验证规则编码为桥合约，并开发与桥合约对应的搬运客户端。

验证交易单提交单元用于将桥合约以验证交易单的格式提交至目标链模块1，并公开对应的搬运客户端。

跨链桥部署单元用于对验证交易单中跨链联盟的多签名进行验证，若多签名有效，则将验证交易单上链并部署验证交易单中的桥合约。

跨链桥维护单元用于实时确定每一源链的发展情况，若源链发生软分叉、硬分叉或回滚等特殊事件，则通过提交验证交易单，对已部署的桥合约进行更新，同时更新搬运客户端。

在一个优选的实施例中，跨链桥模块3包括判断单元和传输交易单验证单元。

判断单元用于运行搬运客户端，获得目标链上桥合约的最新状态和源链的最新状态，并判断是否需要向桥合约提交源链新区块头等必要数据，若判断结果为是，则源链搬运工将源链新区块头等必要数据写入传输交易单，提交至目标链模块1。

传输交易单验证单元用于按照交易单规则和桥合约中的轻节点共识规则，验证传输交易单，并修改桥合约的状态。

在一个优选的实施例中，用户模块4包括普通用户单元、基础交易单执行单元、跨链用户单元和跨链交易单执行单元。

普通用户单元用于向目标链提交基础交易单。

基础交易单执行单元用于按照交易单规则执行基础交易单。

跨链用户单元用于监听桥合约的最新状态，若源链交易所在的源链区块头已被源链搬运工提交至目标链模块1，则将源链交易和辅助证明写入跨链交易单，并提交至目标链模块1。

跨链交易单执行单元用于按照交易单规则和桥合约中的交易验证规则，执行有效的跨链交易单，但不修改桥合约的状态。

实施例3

本实施例提供一种基于实施例2提供的面向多条异构链的跨链系统的跨链交易激励安全保障方法，包括以下步骤：

I)跨链系统发行通证，作为目标链矿工和源链搬运工的基础奖励，具体为：

I.i)跨链系统设置发行通证的时间参数T和衰减函数f(·)。

I.ii)在第1周期T，跨链系统发行R＝R

I.iii)在第i周期，跨链系统发行R＝R

进一步地，步骤I.ii)和I.iii)为周期内发行通证的上限，若分配通证时无分配对象，则将导致实际发行通证低于上限。

II)跨链系统将发行的通证以及用户支付的手续费按照某种比例分配至目标链矿工和源链搬运工，具体为：

II.i)跨链系统设置目标链矿工与源链搬运工的通证分配比例α。

II.ii)若某一周期，目标链模块1产生m个新区块，某目标链从用户模块4中的普通用户获得手续费fee

II.iii)若某一周期，跨链系统存在N条源链，跨链系统获得跨链总手续费crossfee，其中，编号为j的源链共提交n个有效传输交易单，获得跨链手续费crossfee

r＝(1/N+crossfee

进一步地，若某一周期，跨链系统中的源链数量N＝0，则目标链矿工的奖励不受影响，不会有源链搬运工获得奖励。

III)当源链搬运工提交无效的源链区块头时，跨链系统对源链搬运工进行惩罚，具体为：

III.i)源链搬运工提交传输交易单时，质押d个单位的通证。

III.ii)若传输交易单包括的源链区块头全部为有效区块头，则源链搬运工收回全部押金；若传输交易单包括的源链区块头存在无效区块头，则跨链系统惩罚源链搬运工失去全部押金，且该传输交易单所在目标链的目标链矿工获得押金的一半，即d/2，另一半押金将被燃烧掉。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。