一种基于卫星的区块链架构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于卫星的区块链架构，包括地面区块链矿工网络、星座系统、协调星座系统与地面区块链矿工网络的共识协议。每一轮中，卫星产生神谕，并向地面区块链矿工网络进行广播。该神谕基于特定规则选中某个地面矿工作为当前轮的获胜者，获胜地面矿工有权在该轮产生新区块，并利用地面区块链矿工网络向其它矿工广播新区块。接收到新区块的矿工对区块合法性进行检验，若检验通过，则通过地面区块链矿工网络向其它矿工广播该区块。本发明专利技术显著提升了区块链的效能和吞吐量，优化并减少了地面区块链矿工网络执行共识协议的能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于卫星的区块链架构
本专利技术涉及区块链领域，具体而言涉及一种基于卫星的区块链架构。
技术介绍
2008年，比特币的诞生引发了金融从业者的广泛注意，其背后的核心技术区块链也逐渐走入研究者的视野。区块链作为一种公开的分类账本与数据库，具有去中心化、不可篡改、公开透明、集体维护、全程留痕、可以追溯等优点。共识机制是区块链这种分布式账本技术的核心，区块链基于某种特定共识机制、以适当经济激励为手段促使区块链网络中的矿工共同维护一个公开有序的账本。工作量证明机制(ProofofWork，简称PoW)于1992年被首次提出，自比特币于2008年发布以来，已成为最受欢迎的共识机制，其在加密货币领域的巨大成功也证明它针对不当行为与恶意攻击的强健鲁棒性。然而，PoW共识机制能耗巨大，资源浪费严重。PoW的现有替代方案利用矿工的其他能力而非PoW中要求的计算能力进行挖矿，但通常会引起新的安全隐患。现有的区块链也因共识机制的约束存在严重的可扩展性问题。作为区块链吞吐量的量度，每秒交易量(TransactionsPerSecond，简称TPS)在传统区块链中相当低，比特币最多每秒7笔交易，以太坊最多每秒15笔交易。与之相比，PayPal、VISA等集中式交易平台可实现千量级网络吞吐量。简言之，高能耗和低吞吐是严重限制区块链技术发展的两个主要障碍。因具有广覆盖、泛在连接、下行链路稳定等优点，卫星技术引起了越来越多研究者的关注。目前，只有少数研究工作讨论了卫星在区块链中的适用性。现有的研究工作大多使用卫星作为中继，将区块转发到没有地面区块链矿工网络或地面区块链矿工网络服务匮乏的地区，或者将其用于加速信息在地面区块链矿工网络中的传播。上行链路是此类研究的难点，普通用户需经过特定已授权地面站才能上传新产生的区块，提高了准入门槛，增加了普通用户使用此类服务的成本，降低了区块链的去中心化程度。
技术实现思路
专利技术目的：为解决限制区块链技术发展的主要障碍，本专利技术提供一种基于卫星的区块链架构，充分发挥卫星技术覆盖范围广、可提供泛在连接的优势，将区块链技术与卫星技术进行深度融合，利用卫星的独特优势改进区块链共识机制，减少资源浪费，有效提升区块链性能。同时，共识机制只应用卫星的下行链路，大幅降低了用户准入门槛，进一步增强了区块链的去中心化程度。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于卫星的区块链架构，包括地面区块链矿工网络、多个卫星组成的星座系统、协调星座系统与地面区块链矿工网络的共识协议。每一轮中，卫星产生神谕，并向地面区块链矿工网络进行广播。该神谕基于特定规则选中某个地面矿工作为当前轮的获胜者，获胜地面矿工有权在该轮产生新区块，并利用地面区块链矿工网络向其它矿工广播新区块。接收到新区块的矿工对区块合法性进行检验，若检验通过，则通过地面区块链矿工网络向其它矿工广播该区块。其中：所述卫星包括地球同步轨道卫星、中地球轨道卫星和低地球轨道卫星，所述地面区块链矿工网络包括一个以上的地面矿工，所述地面矿工之间通过网络通信连接，所述卫星之间通过网络通信连接。所述协调星座系统与地面区块链矿工网络的共识协议包括如下步骤：步骤1，每一轮中，卫星产生神谕。卫星产生神谕的方法有两种，分别记为第一种神谕产生方法和第二种神谕产生方法。第一种神谕产生方法是卫星利用星载测量仪器实时测量宇宙射线、磁流波、瞬时辐射等物理量，经过数值转换生成产生神谕，但这种产生神谕的方式需要从卫星运营商处订购和购买相应的服务，增加了维护成本。第二种神谕产生方法是利用卫星广播到地面用于卫星电视或全球定位系统等其他的特定目的的数据包，经过数值转换生成神谕。在这种产生方式中，卫星不会意识到其已经参与到神谕的生成与区块链的维护中，从而无需购买任何卫星服务。但这种方式可能会影响神谕的随机性，并更容易被恶意地面矿工操纵。因此，神谕的生成存在安全与成本间的权衡，实际应用中应根据区块链的目的和要求进行选择。步骤2，卫星向地面区块链矿工网络广播步骤2生成的神谕。被广播的神谕由产生神谕的卫星进行数字签名以防止欺诈，并随后被打包进新生成的区块中以供其他地面矿工对其合法性进行验证。步骤3，地面区块链矿工网络中的地面矿工利用地面接收终端接收步骤2产生的神谕，并根据特定规则判断自己是否被选中。直接根据神谕选定某个地面矿工作为某一轮的获胜者风险较高，因为恶意矿工可以通过创建多个身份发动女巫攻击，增大自己被选中的概率。本文所述的特定规则可以很好解决该问题。所述特定规则为权益证明共识机制的原则，将神谕映射为目前所有已有虚拟货币列表中的一个索引，该索引所对应的虚拟货币的拥有者即为本轮的获胜者。在这种规则下，每个矿工获胜的概率仅与该矿工所持有的虚拟货币有关，不会随其所拥有身份数量的增加而增加，从而有效抵御女巫攻击。步骤4，被选中的地面矿工在现有区块链顶部生成一个新区块，并利用地面区块链矿工网络向其它地面矿工广播新区块。步骤5，其他地面矿工接收到新区块后，对其合法性进行检验。若检验失败，则丢弃区块。若检验通过，则通过地面区块链矿工网络继续向其它地面矿工广播该区块。通过卫星广播以及地面区块链矿工网络中的转发，多数地面矿工均会收到神谕，新区块的合法性得以验证，区块链长度加一。如此往复，随着新区块在原有区块之上构建，区块链随之增长。根据运行轨道高度的不同，卫星可分为：地球同步轨道卫星、中地球轨道卫星和低地球轨道卫星。所述地球同步轨道卫星相对于地球表面静止，多普勒频移可以忽略不计，并且传输中断的概率低于非地球同步轨道卫星。同时，地球同步轨道卫星工作在约35786公里的轨道，一颗地球同步轨道卫星可以覆盖地球表面的三分之一。因具有传输中断概率低和覆盖范围广的优点，故地球同步轨道卫星是本专利的首选卫星。扩展到多卫星情况时，所述共识协议给出一个预定义协议，以确定在每轮中用于生成神谕的卫星；第一种神谕产生方法，共识协议以伪随机的方式确定一个次序，星座系统中的卫星根据该次序轮流产生神谕；在第二种神谕产生方法中，共识协议给出预定义协议，以确定特定卫星，该卫星在特定时隙、特定频段广播用于特定用途的数据包以产生神谕。优选的：地面接收终端包括便携式移动接收器或微型天线地球站。相比现有技术，本专利技术可以充分利用卫星的技术优势，改进区块链共识机制，具有以下有益效果：1)本专利技术相比于广为人知的PoW共识机制，极大降低共识过程的能耗，显著提高区块链吞吐量。2)本专利技术将卫星技术与区块链技术深入融合，充分了发挥卫星技术广覆盖、泛在连接和下行链路稳定的优势，大幅提高共识过程效率。3)本专利技术相比于现有区块链与卫星相结合的研究，无需由矿工到卫星的上行链路，降低用户准入门槛，极大提升部署效率，矿工仅需利用可接受卫星广播的设备即可接入基于卫星的区块链架构。4)本专利技术中仅需卫星广播神谕，无需其进行复杂的处理操作，也无需卫星产生、转发、存储、验证区块，显著降低卫星的星载处理要求与启动成本，便于未来大范围推广。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于卫星的新型区块链架构，其特征在于，包括地面区块链矿工网络、星座系统、协调星座系统与地面区块链矿工网络的共识协议，其中：/n所述地面区块链矿工网络包括一个以上的地面矿工，所述地面矿工之间通过网络通信连接；/n所述星座系统由三个及以上的卫星组成，所述卫星之间通过网络通信连接，所述卫星与地面矿工之间通过网络通信连接；/n所述协调星座系统与地面区块链矿工网络的共识协议用于星座系统中的卫星产生神谕，并控制星座系统向地面区块链矿工网络进行广播；地面区块链矿工网络中对应的地面矿工有权产生新区块，并利用地面区块链矿工网络向其它地面矿工广播新区块；接收到新区块的地面矿工对区块合法性进行检验，若检验通过，则通过地面区块链矿工网络向其它地面矿工广播该区块。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于卫星的新型区块链架构，其特征在于，包括地面区块链矿工网络、星座系统、协调星座系统与地面区块链矿工网络的共识协议，其中：
所述地面区块链矿工网络包括一个以上的地面矿工，所述地面矿工之间通过网络通信连接；
所述星座系统由三个及以上的卫星组成，所述卫星之间通过网络通信连接，所述卫星与地面矿工之间通过网络通信连接；
所述协调星座系统与地面区块链矿工网络的共识协议用于星座系统中的卫星产生神谕，并控制星座系统向地面区块链矿工网络进行广播；地面区块链矿工网络中对应的地面矿工有权产生新区块，并利用地面区块链矿工网络向其它地面矿工广播新区块；接收到新区块的地面矿工对区块合法性进行检验，若检验通过，则通过地面区块链矿工网络向其它地面矿工广播该区块。


2.根据权利要求1所述基于卫星的新型区块链架构，其特征在于，所述协调星座系统与地面区块链矿工网络的共识协议包括如下工作步骤：
步骤1，每一轮中，卫星基于特定方案产生神谕；
步骤2，卫星向地面区块链矿工网络广播神谕，所述神谕是一种用于确定每轮中获胜地面矿工的随机数；
步骤3，地面矿工利用地面接收终端接收步骤1产生的神谕，并根据特定规则判断自己是否被选中；
步骤4，被选中的地面矿工生成新区块，并利用地面区块链矿工网络向其它地面矿工广播新区块；
步骤5，其余地面矿工接收到新区块后，对其合法性进行检验；若检验失败，则丢弃区块；若检验通过，则通过地面区块链矿工网络向其它地面矿工广播该区块。

【专利技术属性】
技术研发人员：凌昕彤，高征，陈鹏程，乐煜炜，王家恒，尤力，高西奇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32