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CN110751469A - 一种基于智能合约的加密货币多通道支付方法 - Google Patents

一种基于智能合约的加密货币多通道支付方法 Download PDF

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CN110751469A CN201911023694.XA CN201911023694A CN110751469A CN 110751469 A CN110751469 A CN 110751469A CN 201911023694 A CN201911023694 A CN 201911023694A CN 110751469 A CN110751469 A CN 110751469A
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Abstract

本发明提供了一种基于智能合约的加密货币多通道支付方法，其通过信标选举算法、路由路径查找算法、价格分配算法以及智能合约D‑HTLC实现了加密货币多通道支付，具体包括：构建信标选举模块，构建路由路径查找模块，构建价格分配模块，构建智能合约D‑HTLC模块。本发明方法实现了加密货币的多通道支付机制，解决了单通道支付的过载问题和隐私问题，保证了加密货币支付的效率和安全性，其不仅具有良好的通用性和实用价值，并且适用于区块链Layer2网络中的所有支付。

Description

一种基于智能合约的加密货币多通道支付方法
技术领域
本发明属于区块链加密货币交易技术领域，具体涉及一种基于智能合约的加密货币多通道支付方法。
背景技术
近年来，区块链技术和加密货币技术已经普及于工业界和学术界，到2018年初为止，加密货币市场总额已达4900亿美元。加密货币是运行在区块链上的技术，换句话说，加密货币与区块链有机结合在一起的，是紧密相连的关系，区块链是加密货币的基础技术；加密通常是在区块链上进行交易的必要条件，但是，如果没有区块链，也就无法记录和转移这些交易。
区块链是一个不断增长的记录和区块列表，这些记录和区块使用加密技术进行链接；区块链是加密货币的公共交易分类账本，其每个区块包含前一个区块的加密哈希、时间戳和交易数据，并且区块链可以防止数据被篡改，它是一种开放的分布式分类账本，能以可验证和永久的方式有效地记录交易双方的数据。区块链负责保存所有已确认交易和永久记录，作为非中心化数据分类账本，该分类帐本分布在所在网络中的所有节点上，具有防止修改的能力，一旦记录，任何给定区块中的数据都不能被改变。
加密货币是一种数字或虚拟货币，旨在作为交换媒介，其核心是建设区块链的技术，它由多个加密安全的区块链接而成。加密货币主要依赖于共识机制，它允许网络中所有的对等节点维护一个分布式共享账本(区块链)，其用于记录所有交易。然而，当前的加密货币系统面临着严重的可扩展性问题，例如比特币的可扩展性问题，比特币网络只能支撑少于每秒7次的交易(TPS)；更重要的是，其对微支付不友好，主要原因是当前的加密货币系统要求所有的交易都要在区块链上进行处理和存储，并且一次链上交易需要等待6个区块确认交易之后才能执行，其本质上限制了交易的效率和吞吐率。
闪电网络(Lightning Network)属于Layer2网络技术，用于扩展区块链的性能，是一种解决加密货币支付的链外支付方案，它是为减轻比特币可扩展性问题而提出的，其于2016年设计并于2018年推出。闪电网络可在区块链上执行分布式的加密货币支付，它通过预先构建的支付通道在链外执行大量的交易，并且只记录支付通道关闭时的最终状态，基于此特点，闪电网络可以在两个节点之间快速安全地处理微支付问题，并且两个节点之间的任何交易都可以快速执行和更新。然而，当前的闪电网络严重依赖于单通道支付，若支付价格超过某条路径的存款时，客户必须关闭所有现有的支付通道，并构建一个新的支付通道，这将导致过载(overload)问题。此外，随着闪电网络规模的不断扩大，其存在的一些局限性也突显出来，如敏感信息(如支付价格等)泄露问题，支付并发问题，节点偏差问题，路由可扩展性问题等。
综上所述，当前急需一种安全高效的加密货币支付方法来提高区块链交易的效率和安全性，当前的加密货币支付方法存在一些问题：(1)传统的比特币支付只能处理大约7TPS，并且需要等待6个区块确认交易，其限制了交易的效率；(2)闪电网络在提高加密货币支付效率的同时也引出了一些其他问题，如过载问题，隐私问题等。因此，设计并实现一种安全高效的加密货币支付方法必将带来巨大的经济价值和实用价值。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，为了提高加密货币支付的效率和安全性，本发明提供了一种基于智能合约的加密货币多通道支付方法即Rapido，实现了加密货币的多通道支付机制，解决了单通道支付的过载问题和隐私问题，提高了支付的效率和安全性。
一种基于智能合约的加密货币多通道支付方法，其通过信标选举、路由查找、价格分配以及智能合约(D-HTLC)构建了加密货币多通道支付机制，从而解决了单通道支付的过载问题和隐私保护问题，提高了加密货币支付的效率和安全性；
所述信标选举即在一个支付周期内，选择区块链网络中多个中间节点作为信标，用于激励中间节点始终在线；
所述路由查找包括Proactive和Reactive两个部分，其中Proactive用于找到所有信标的路由路径，Reactive用于收集路由路径的信息(例如关注支付通道的存款分布等动态信息)；
所述价格分配即当交易生成时，支付方根据收集到的可用路由路径信息，利用价格分配算法(VDP)进行计算，选择若干条可用的路由路径，然后将支付价格划分成多份以支持多通道支付；
所述智能合约用于保证支付的有效性和安全性，通过引入punish机制避免网络中存在的潜在威胁。
进一步地，所述信标选举的具体实现方式为：在区块链网络中，每个节点可以是正常状态或是信标状态，信标是交易双方的中转站，信标状态可以共存于一个节点中，且每个节点都有被选为信标的固定概率；为了选举信标，将网络拓扑划分为多个部分，各部分的节点进行各自的信标选举，信标选举遵循统一分配的规则，在一段时间内轮流进行，为了激励中间节点参与信标选举，每个节点都有机会被选为信标且可以赚取中介费，这种方式能够激励所有节点始终保持在线状态，从而提高整个网络拓扑的交易能力。
进一步地，所述Proactive的具体实现方式为：首先，在一个交易周期中，网络拓扑中的所有节点都有一定的概率被随机选举为信标；然后，各节点均尝试通过广度优先搜索算法(BFS)找到所有信标的路由路径，并将每个信标的路由路径的详细信息都存储在节点的路由表中；此外，除了新节点加入网络或构建新的支付通道之外，路由路径信息趋于保持不变；在下一个交易周期中，信标选举再一次被执行，然后重复路由路径搜索的过程。
进一步地，所述Reactive的具体实现方式为：关注网络中存在的一些动态信息包括每个支付通道中的存款分布信息，若实时收集这些信息，则会消耗大量计算资源，故支付方和接收方不需要实时收集所有信息，而是在预先存储的路由路径中专门收集每个支付通道的动态信息；此外，支付方和接收方向所有中间节点请求路由路径的动态信息，中间节点则通过路由的Reactive响应请求，最后使收集的信息被发送回发送方。
进一步地，所述价格分配的具体实现方式为：当交易生成时，支付方收集可用路由路径的信息(例如这些路由路径上的存款分布信息)，一旦信息收集过程完成，支付方通过价格分配算法(VDP)将支付价格分成S份，然后通过多个支付通道(即路由路径)分别支付给接收方；此外，在所述价格分配算法中制定了表示支付通道中节点存款状态的拥塞标准。
进一步地，所述拥塞标准包括以下三部分：
①引入度量通道拥塞的因子μij＝Pi/depositij，其中Pi表示第i份通过对应路由路径pathi传输的价格，depositij表示在路由路径pathi上的第j-1条支付通道中第j个中间节点的存款，i∈[1，S]，j∈[1，L]，L表示路由路径pathi上的支付通道数量；
②引入度量网络拥塞的因子其表明整个网络的瓶颈；对于价格分配问题，如果路由路径没有其他限制，该因子可以等价于已知的最大流问题，并且可以通过标准的最大流算法在多项式时间内找到最小化网络拥塞因子的解决方案；
③引入请求机制；根据价格分配的结果，支付方通过价格分配算法(VDP)将支付价格分成多份，但可能存在一些中间节点不同意这些支付并且在支付完成前恶意中止其自身节点支付的情况；因此，在请求机制中，支付方可以提出建议：在这些选定的路由路径中请求每个节点，以便确定是否作为中间节点参与此次支付，如果每个节点与支付方同意该建议，支付方将执行此支付；否则，支付方将中止这些已定的路由路径并重新进行路由查找，通过请求机制可以降低额外的成本浪费。
进一步地，所述智能合约的具体实现方式为：即设计一种基于HTLC(哈希时钟锁合约)的新型智能合约，其引入了一种punish机制来避免合约中可能存在的潜在威胁；当路由路径上的中间节点在支付完成前恶意中止其自身节点支付的情况，这会导致合约重置支付，从而不可避免地浪费额外成本；因此，新型智能合约通过锁定一定数量的中间节点cash的方法来解决该问题，若出现中间节点恶意终止的情况，则通过punish机制没收锁定的cash。
本发明利用价格分配模块和智能合约D-HTLC，提供了一种基于智能合约的加密货币多通道支付方法即Rapido，解决了单通道支付的过载问题；为了提高整个拓扑和交易能力，该方法设计了信标选举和路由算法，从而激励网络中间节点始终在线；为了实现合理的价格分配，该方法设计了价格分配算法(VDP)，解决了隐私保护问题(如支付价格等)；为了避免中间节点恶意终止交易造成的危害，该方法设计了基于HTLC(Hashed TimeLockContract，即哈希时钟锁合约)的智能合约D-HTLC，通过引入punish机制保证支付的有效性和安全性。
本发明不仅具有良好的通用性和实用价值，并且适用于区块链Layer2网络中的所有支付，具体有益技术效果和创新性主要体现在以下几个方面：
1.高响应，Rapido缓解了过载问题，并可以解决微支付问题。
2.低偏差，Rapido缓解了中间节点的偏差问题和拥塞问题。
3.隐私性，Rapido提高了支付的安全性，保护了支付价格的隐私。
4.通用性，Rapido实现了多通道支付机制，其适用于Layer2网络中的所有支付。
附图说明
图1为本发明加密货币多通道支付方法的流程示意图。
图2为本发明基于Layer2网络的多通道支付整体架构示意图。
图3为本发明解决过载问题的多通道支付案例实施示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明通过信标选举和路由查找算法激励所有中间节点始终在线，提高了整个网络拓扑和交易能力，同时采用了价格分配模块(VDP)和智能合约D-HTLC解决了单通道支付的过载和隐私问题，提高了支付的有效性的安全性。具体而言，一次成功的多通道支付包括信标选举、路由路径查找、价格分配以及智能合约D-HTLC，其流程如图1所示。
本发明通过多通道支付解决了过载问题，如图2所示，具体而言，两个网络节点间表示每个支付通道中的存款，这是支付通道网络的初始状态。例如，A和B之间的5(2,3)表示该支付通道有5个比特币的存款，其中A有2个比特币，B有3个比特币。假设A要向E支付6个比特币，而A当前有且只有3个支付通道，若采用单通道支付方式，A首先需要关闭其他通道提取存款，然后建立一个新的支付通道将比特币支付给E，这种支付方式不仅耗时而且浪费成本。如图2所示，虚线表示的是Rapido解决单通道支付的过载问题的实例，其采用一种多通道支付方法，A将6个比特币分成3份(1,2,3)，分别通过B，C和D将3份比特币转发给E，其不需要关闭任何现有的支付通道或建立新的支付通道，节省了时间和成本。
本实施例基于智能合约D-HTLC的多通道支付架构如图3所示，其展示了通过Layer2网络从A到B的支付步骤，假设A尝试将P个比特币支付给B，具体实现过程如下：
(1)首先，通过信标选举模块，在一个支付周期内随机选择多个中间节点作为信标。
(2)A和B通过各自的路由模块的子模块Proactive查找所有信标的路由路径。
(3)当A到B的交易生成时，A路由模块的子模块Reactive收集步骤(2)中得到的路由路径信息(例如支付通道间的存款分配情况等)。
(4)根据步骤(3)收集到的路由路径信息，A利用价格分配模块(VDP)进行计算，然后选择几个可用的路由路径，将支付价格P分成s份listPshare＝{P1...Pi...Ps}，每一份都有自己的路由路径listPath＝{Path1...Pathi...Paths}到B，比如第i份Pi通过Pathi支付给B；此外，对于每个路由路径，A会生成随机的哈希值Ri。
(5)A通过智能合约D-HTLCs模块在所选的路由路径中分别向B支付通过步骤(4)价格分配好的价格；智能合约D-HTLCs模块为支付成功提供了保障，具体而言，其操作步骤如下：
5-1openPunish(A,listNode,listCash)。当A初始化支付时，openPunish将被调用，所有响应来自A的请求的节点存储在listNode中；该步骤负责锁定listCash中列出的每个相关的中间节点的cash，如果listNode中的所有节点都锁定了相应数量的cash，则返回1；否则，它返回0。
5-2newContract(IDij,nodeij,feeij,hlki,tlkij)。该步骤将构建从nodeij到nodei(j+1)的智能合约D-HTLC，成功构建则返回IDij；否则，返回0；其中，feeij、hlki、tlkij分别表示中介费、哈希锁和时间锁。
5-3getBack(nodeij,cashij)。当步骤5-2成功并返回IDij后，nodeij会通过getBack尝试检索其被锁定的cashij。
5-4withdraw(IDij,Ri)。通过该步骤，nodei(j+1)可以在IDij中从nodeij撤回Pi，它能使nodei(j+1)获取到nodeij正确的哈希值Ri。
5-5refund(IDij,Pi)。如果在时间锁tlkij到期之前没有执行步骤5-4，则会执行该方法将Pi退还给nodeij。
5-6punish(A，nodeij，cashij)。该步骤提供了一种punish机制，如果D-HTLC被中间节点nodeij恶意终止，该punish机制将被调用，A将没收nodeij的cashij(cash已经在步骤5-1中被锁定)。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于智能合约的加密货币多通道支付方法，其特征在于：通过信标选举、路由查找、价格分配以及智能合约构建了加密货币多通道支付机制，从而解决了单通道支付的过载问题和隐私保护问题，提高了加密货币支付的效率和安全性；
所述信标选举即在一个支付周期内，选择区块链网络中多个中间节点作为信标，用于激励中间节点始终在线；
所述路由查找包括Proactive和Reactive两个部分，其中Proactive用于找到所有信标的路由路径，Reactive用于收集路由路径的信息；
所述价格分配即当交易生成时，支付方根据收集到的可用路由路径信息，利用价格分配算法进行计算，选择若干条可用的路由路径，然后将支付价格划分成多份以支持多通道支付；
所述智能合约用于保证支付的有效性和安全性，通过引入punish机制避免网络中存在的潜在威胁。
2.根据权利要求1所述的加密货币多通道支付方法，其特征在于：所述信标选举的具体实现方式为：在区块链网络中，每个节点可以是正常状态或是信标状态，信标是交易双方的中转站，信标状态可以共存于一个节点中，且每个节点都有被选为信标的固定概率；为了选举信标，将网络拓扑划分为多个部分，各部分的节点进行各自的信标选举，信标选举遵循统一分配的规则，在一段时间内轮流进行，为了激励中间节点参与信标选举，每个节点都有机会被选为信标且可以赚取中介费，这种方式能够激励所有节点始终保持在线状态，从而提高整个网络拓扑的交易能力。
3.根据权利要求1所述的加密货币多通道支付方法，其特征在于：所述Proactive的具体实现方式为：首先，在一个交易周期中，网络拓扑中的所有节点都有一定的概率被随机选举为信标；然后，各节点均尝试通过广度优先搜索算法找到所有信标的路由路径，并将每个信标的路由路径的详细信息都存储在节点的路由表中；此外，除了新节点加入网络或构建新的支付通道之外，路由路径信息趋于保持不变；在下一个交易周期中，信标选举再一次被执行，然后重复路由路径搜索的过程。
4.根据权利要求1所述的加密货币多通道支付方法，其特征在于：所述Reactive的具体实现方式为：关注网络中存在的一些动态信息包括每个支付通道中的存款分布信息，若实时收集这些信息，则会消耗大量计算资源，故支付方和接收方不需要实时收集所有信息，而是在预先存储的路由路径中专门收集每个支付通道的动态信息；此外，支付方和接收方向所有中间节点请求路由路径的动态信息，中间节点则通过路由的Reactive响应请求，最后使收集的信息被发送回发送方。
5.根据权利要求1所述的加密货币多通道支付方法，其特征在于：所述价格分配的具体实现方式为：当交易生成时，支付方收集可用路由路径的信息，一旦信息收集过程完成，支付方通过价格分配算法将支付价格分成S份，然后通过多个支付通道分别支付给接收方；此外，在所述价格分配算法中制定了表示支付通道中节点存款状态的拥塞标准。
6.根据权利要求5所述的加密货币多通道支付方法，其特征在于：所述拥塞标准包括以下三部分：
①引入度量通道拥塞的因子μij＝Pi/depositij，其中Pi表示第i份通过对应路由路径pathi传输的价格，depositij表示在路由路径pathi上的第j-1条支付通道中第j个中间节点的存款，i∈[1，S]，j∈[1，L]，L表示路由路径pathi上的支付通道数量；
②引入度量网络拥塞的因子
Figure FDA0002248026070000021
其表明整个网络的瓶颈；对于价格分配问题，如果路由路径没有其他限制，该因子可以等价于已知的最大流问题，并且可以通过标准的最大流算法在多项式时间内找到最小化网络拥塞因子的解决方案；
③引入请求机制；根据价格分配的结果，支付方通过价格分配算法将支付价格分成多份，但可能存在一些中间节点不同意这些支付并且在支付完成前恶意中止其自身节点支付的情况；因此，在请求机制中，支付方可以提出建议：在这些选定的路由路径中请求每个节点，以便确定是否作为中间节点参与此次支付，如果每个节点与支付方同意该建议，支付方将执行此支付；否则，支付方将中止这些已定的路由路径并重新进行路由查找，通过请求机制可以降低额外的成本浪费。
7.根据权利要求1所述的加密货币多通道支付方法，其特征在于：所述智能合约的具体实现方式为：即设计一种基于HTLC的新型智能合约，其引入了一种punish机制来避免合约中可能存在的潜在威胁；当路由路径上的中间节点在支付完成前恶意中止其自身节点支付的情况，这会导致合约重置支付，从而不可避免地浪费额外成本；因此，新型智能合约通过锁定一定数量的中间节点cash的方法来解决该问题，若出现中间节点恶意终止的情况，则通过punish机制没收锁定的cash。
8.根据权利要求1所述的加密货币多通道支付方法，其特征在于：为了提高整个拓扑和交易能力，该方法设计了信标选举和路由算法，从而激励网络中间节点始终在线；为了实现合理的价格分配，该方法设计了价格分配算法，解决了隐私保护问题；为了避免中间节点恶意终止交易造成的危害，该方法设计了基于HTLC的智能合约，通过引入punish机制保证支付的有效性和安全性。
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