一种区块链多链跨链系统及其实现机制技术方案

本发明专利技术提供一种区块链多链跨链系统，包括：区块链原有层级的基础层、核心层、业务层以及跨链层，基础层封装了密码学、P2P及数据库技术；核心层由智能合约和共识算法构成，用于实现区块链主要业务逻辑；业务层封装应用场景，为用户提供与区块链交互的接口，跨链层由跨链智能合约及跨链底层合约构成，分别包含跨链通证转移合约及跨链查值合约和跨链通证转移底层合约及跨链查值底层合约，区块链多链跨链系统交互机制可在没有可信第三方情况下，支持异构区块链间资产转移与信息交互，实现链与链的互联互通，支持异构区块链通信的跨链交互机制支持跨链通证转移及跨链查值，并提出了跨链通证转移协议及用于保障跨链交易原子性及安全性的策略。性的策略。性的策略。

【技术实现步骤摘要】
一种区块链多链跨链系统及其实现机制


[0001]本专利技术涉及区块链
，特别涉及一种区块链多链跨链系统及其实现机制。

技术介绍

[0002]随着区块链技术的不断创新和持续发展，在全球范围内的金融、电商、溯源、数字版权等领域都与区块链技术有着不同程度的结合，产生了“区块链+行业”的新应用场景。基于不同应用场景的特点及需求，各领域大都搭建了联盟区块链网络实现其业务逻辑，不同区块链网络之间相互隔离，信息交互及业务互通的壁垒高。但是，随着应用场景需求的多样化发展，单个区块链网络无法满足业务需求的不断变化，跨链互操作成为区块链研究的一大发展趋势。
[0003]区块链跨链技术是实现区块链间互联互通的重要技术手段。近年来，随着应用场景及业务需求的多样化发展，众多学者针对区块链跨链技术及其应用到某些场景后所表现出的不足做了许多理论方面的研究。同时，已有许多团队开始探索如何利用跨链技术实现不同区块链网络间的互联互通。Wang等人提出一种利用公证人机制实现异构区块链之间评论数据互通的方法，其在智能合约中定义了评论的三个状态：未审查、审查中、审查后。由公证人对评论进行审核与签名，并遵从少数服从多数的原则审核该评论的正确性；张诗童等提出了一种基于哈希锁定的多方跨链协议，并在该协议中融入了交易撮合算法及价格磋商机制，支持实现价格最优的多方跨链资产互换；解雯霖等构建了许可环境下的基于预言机的对等跨链协议，不同区块链的节点可以通过预言机与其他区块链进行交互；Li等提出一种基于多重签名技术的跨链系统——代理链，用户可通过将其资产锚定到代理链实现与现有区块链系统的资产交互；路爱同等通过使用公证人机制构建了基于Hyperledger Sawtooth项目的跨链系统，实现了Sawtooth网络与其他区块链的互联互通；Kan等提出了一种支持异构区块链通信的多区块链架构，以及不需可信第三方参与的链间消息传输协议，异构区块链可通过该架构中的链间交互模型实现互联互通；叶少杰等构建了基于侧链中继跨链技术的异构区块链互操作平台BitXhub，并提出了一种支持跨链通信的协议IBTP，实现了异构区块链间的资产互换、信息互通以及服务互补。单向/双向锚定侧链是最早实现跨链资产转移的案例，其实质上是比特币协议的补充，最早于2014年在《Enabling B1ockchain Imovations with Pegged Sidechains》中公开，可以实现跨链资产的转移。用户利用已有区块链上的资产可以很容易的与新的区块链系统进行资产交互，由此实现了链间的价值流通。同时，各链之间具有良好的隔离性、不会相互影响，但是目前该项目只支持比特币区块链与其他链之间的资产互换；比特币闪电网络(Lightning Network)于2015年被提出，其采用哈希时间锁机制，通过将交易放到区块链下处理，来扩展比特币的交易处理能力。目前该项目可以实现小额支付的快速确认，但是不适用于大额支付且收款人必须在线才可完成支付，应用场景有限；FUSION是分布式私钥技术的典型项目，其通过将加密资产映射到FUSION公有链来实现自由交互，实现过程分为锁定与解锁两个步骤，锁定过程即分布式生成秘钥的过程，即将秘钥分片并进行分布式管理，而解锁过程负责解除分布式控制权与链间的资
产映射，该项目目前仍处于探索阶段；Cosmos和 Polkadot项目是关注度比较高的跨链项目，其中，Cosmos是由Tendermint团队于2017年提出的支持跨链交互的网络架构，该架构既支持同构区块链间的交互，也支持通过Bridge部件进行异构区块链间的通信，同时，通过使用Tendermint共识算法及IBC(inter-blockchaincommunication protocol)通讯协议，可以保障跨链交易在传输过程中的安全；而Polkadot 项目是基于Substrate框架构建的可拓展的异构多链区块链，跨链信息的交互遵从跨链信息传递协议(XCMP)，可以有效地支持异构区块链间的通信，可拓展性强，符合条件的区块链均可加入Polkadot网络。目前，Cosmos和Polkadot项目均处于比较初级的阶段，各方面都需进一步改进和更新。
[0004]目前主流的区块链跨链技术主要有上面详述的公证人机制、侧链/中继技术、哈希锁定技术及分布式私钥控制技术，其中公证人机制依靠可信的第三方做信用背书、处理跨链交易，交易处理速度快且技术架构简单，但存在中心化问题；侧链/中继技术通过锚定技术来实现链与链之间的跨链互操作，其中，侧链技术主要通过锚定现有区块链的功能如比特币来实现跨链操作，而中继技术主要由中继链充当公证人的角色来处理跨链交易，侧链/中继技术具有良好的隔离性，一条链损坏不会影响到其他链的正常运行，但是需要存储锚定链的区块头信息且实现较复杂；哈希锁定技术是指用户在规定时间段内通过对哈希值的原值进行猜测来完成支付的一种机制，依赖区块链智能合约来实现，可以实现小额支付的快速确认，但是不支持跨链资产的转移，只支持资产互换，可应用的场景有限；分布式私钥控制技术通过分布式私钥生成及控制技术，将多条区块链上的资产映射至一条新区块链，在该区块链进行资产的互操作，该方式中跨链所用密钥由用户及区块链网络共同控制，安全性更高，但实现难度较大。
[0005]综上所述，现有区块链跨链技术的研究及应用中，仅有少数不需借助可信第三方来实现区块链间的交互，且大多实现复杂、应用场景有限。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的以上缺陷，本专利技术针对现有跨链技术研究中存在的中心化风险、实现复杂、应用场景有限、存储代价高等问题，提出了新的跨链交互机制，该机制可在没有可信第三方的情况下，支持异构区块链间的资产转移与信息交互，以此实现链与链的互联互通，即一种支持异构区块链通信的跨链交互机制，支持跨链通证转移及跨链查值两种操作，并提出了用于保障跨链交易原子性及安全性的策略及跨链通证转移协议。其中，跨链交易状态转换模型用于保证跨链交易的原子性，跨链节点动态选择策略及签名跨链交易数据构造策略用于保障跨链交易的安全性，而跨链通证转移协议基于原子性及安全保障策略构建，用于规范链间的交互过程。
[0007]本专利技术的目的在于提供一种区块链多链跨链系统，包括：基础层、核心层、业务层以及核心层和基础层之间的跨链层，其中，所述基础层、核心层及业务层为区块链原有层级，基础层是区块链的最底层，封装了密码学、P2P及数据库技术；核心层由智能合约和共识算法构成，用于实现区块链主要的业务逻辑；业务层封装了区块链的应用场景，为用户提供与区块链交互的接口。
[0008]优选的，所述跨链层由跨链智能合约及跨链底层合约两部分构成，所述跨链智能合约包含跨链通证转移合约及跨链查值合约，其与区块链系统上智能合约的编写、部署及
调用规则完全一致，负责调用跨链底层合约实现对外交互，并记录交互过程中产生的信息；所述跨链底层合约支持通过发送HTTP请求来获取外部数据，所述跨链底层合约需要在区块链上线时部署且其地址需被提前定义，包含跨链通证转移底层合约及跨链查值底层合约两部分；区块链间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种区块链多链跨链系统，其特征在于包括：基础层、核心层、业务层以及核心层和基础层之间的跨链层，其中，所述基础层、核心层及业务层为区块链原有层级，基础层是区块链的最底层，封装了密码学、P2P及数据库技术；核心层由智能合约和共识算法构成，用于实现区块链主要的业务逻辑；业务层封装了区块链的应用场景，为用户提供与区块链交互的接口。2.根据权利要求1所述的一种区块链多链跨链系统，其特征在于：所述跨链层由跨链智能合约及跨链底层合约两部分构成，所述跨链智能合约包含跨链通证转移合约及跨链查值合约，其与区块链系统上智能合约的编写、部署及调用规则完全一致，负责调用跨链底层合约实现对外交互，并记录交互过程中产生的信息；所述跨链底层合约支持通过发送HTTP请求来获取外部数据，所述跨链底层合约需要在区块链上线时部署且其地址需被提前定义，包含跨链通证转移底层合约及跨链查值底层合约两部分；区块链间的资产转移操作由跨链通证转移合约及跨链通证转移底层合约负责，所述跨链查值合约及所述跨链查值底层合约用于实现链间的查值操作；其中，跨链通证转移合约由路由合约、通证控制合约、跨链交易发起合约及跨链交易接收合约四个合约组成，跨链查值合约由路由合约、用户合约及查询合约组成，所述跨链通证转移底层合约包括转移发送模块和状态查询模块。3.根据权利要求2所述的一种区块链多链跨链系统，其特征在于：所述区块链多链跨链系统的链间交互方式包括：在没有第三方公证人或区块链的情况下，实现链间直接交互，区块链网络中的节点被分为普通节点及跨链节点，其中，普通节点只参与共识过程，而跨链节点负责跨链交易的接收，其数量为一个或多个，在发起跨链交易前，跨链双方需要在对方区块链上注册跨链节点的链标识chainFlag、IP地址及跨链所用合约的地址，所述链间交互方式的形式包括：链间通证转移以及链间查值，所述跨链通证转移支持链与链的一对一交互方式，所述跨链查值支持一链对多链的链间交互。4.根据权利要求2所述的一种区块链多链跨链系统，其特征在于：所述区块链多链跨链系统的合约调用关系包括：跨链通证转移以及跨链查值，其中所述跨链通证转移操作通过跨链通证转移跨链合约与跨链通证转移底层合约的相互调用实现，跨链通证转移合约包含4个区块链智能合约：路由合约、通证控制合约、跨链交易发起合约及跨链交易接收合约，其中，路由合约用于跨链节点的选择以及对方跨链节点信息的记录；通证控制合约用于账户注册及通证管理；跨链交易发起合约和跨链交易接收合约负责跨链交易的发送与接收以及交易状态的查询，所述跨链通证转移底层合约支持对外通信，包含转移发送及交易状态查询两个模块，在跨链通证转出链部署路由合约、通证控制合约及跨链交易发起合约，在跨链通证接收链部署路由合约、通证控制合约以及跨链交易接收合约；所述跨链查值操作由跨链查值合约及跨链查值底层合约实现，跨链查值合约包括用户合约、路由合约及查询合约，其中，用户合约负责用户信息及业务信息的记录，路由合约用于存储跨链区块链的节点信息等数据，查询合约用于调用路由合约及跨链查值底层合约完成查值操作，用户合约调用查询合约进行跨链查值操作时，会触发查询合约调用路由合约以获取需要的跨链信息；获取必要的跨链信息后，查询合约发起跨链查询请求，并通过调用跨链查值底层合约调用被查询区块链的用户合约来获取查询结果。5.根据权利要求4所述的一种区块链多链跨链系统，其特征在于：跨链交易发起合约和跨链交易接收合约是跨链通证转移的主合约，在执行一笔跨链通证转移操作时，转出链及
转入链上存在如下的合约调用操作：(1)转出链上跨链交易发起合约的操作步骤为：调用路由合约获取转入链的跨链信息；调用通证控制合约进行通证的增、减、锁定操作；调用跨链通证转移底层合约，并由其向转入链的跨链交易接收合约发送跨链交易；跨链交易发送完成后，通过底层合约调用转入链上的跨链交易接收合约，并根据查询结果更改本链上该交易的状态；(2)收到转出链的跨链交易后，转入链上跨链交易接受合约的操作步骤：调用路由合约获取转出链的跨链信息；通过底层合约调用转出链上的交易发送合约，查询该笔跨链交易在转出链上的状态，并根据查询结果更改该交易在本链的状态；根据查询的状态，调用通证控制合约对收到的跨链通证进行管理。6.一种基于权利要求1-5任一所述的区块链多链跨链系统的实现机制，其特征在于包括：原子性保障策略以及安全保障策略，其中原子性保障策略基于跨链交易状态转换模型，安全保障策略包括跨链节点动态选择策略和签名跨链交易数据构造策略，由所述原子性保障策略以及安全保障策略构建跨链通证转移协议。7.根据权利要求6所述的实现机制，其特征在于所述原子性保障策略所基于的跨链交易状态转换模型定义了交易执行的四个状态以反映跨链交易当前的执行情况以及后续需要执行的操作，其中，“0”为交易的初始状态，“1”为交易的中间状态，即跨链交易执行中但尚未结束的一个状态，“2”、“3”则为交易的最终状态，跨链通证转移交易的执行过程中，跨链交易的发起方与接收方具有如下状态变化过程：(1)发起方状态变化描述A.跨链交易发起方的某笔跨链通证转移交易不存在时,其state为0；B.当跨链交易发起合约执行交易发送方法，且跨链交易数据发送成功时，更新state从0
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1，并将需转移的通证转至锁定状态，此时，锁定的通证仍属于发起方，但暂时不能被其使用；若发送失败则更新state从0
→
3；C.通过跨链交易发起合约查询到接收方链上该笔交易的状态值为1，则更新本链state从1
→
2，并减去账户中处于锁定状态的通证，此时，该通证不再属于发起方；若查询结果为3，交易执行失败，更新本链state从1
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3，并将锁定的通证解锁，此时，发送方可任意支配该笔通证；若查询结果为0，暂不更新state；(2)接收方状态变化描述A.跨链交易接收方的某笔跨链通证转移交易初始state为0，当跨链交易接收合约的交易接收方法被调用且跨链交易被接收时，更新该交易的state从0
→
1，并将发送方转移的锁定通证加入账户，此时该笔通证属于接收方，但暂时不能被其支配使用；B.当查询到发送方链上该跨链交易的state为2时，更新本链state从1
→
2，并将账户中处于锁定状态的通证解锁以供支配使用；若查询结果为3，交易执行失败，更新本链state从1
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3并减去账户中的锁定通证，此时，该笔通证不再属于接收方；若查询结果1，暂不更新state；每次状态的变化都会对应一种通证变化操作。8.根据权利要求6所述的实现机制，其特征在于所述安全保障策略包括：跨链节点动态...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁毅，马宁，华芳，钟琼慧，师灵芝，王晨硕，李洁，靳军，
申请(专利权)人：北京物资学院，
类型：发明
国别省市：