技术领域
[0001] 本
发明属于区块链技术领域，并特别涉及一种基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高方法及系统。
背景技术
[0002] 区块链以其分布式、公开透明、安全等特性使得人们可以在互联网上方便快捷、低成本地进行价值交换，是实现价值互联网的基石。区块链自中本聪提出
比特币以来(2008)得到了快速应用，最初，区块链技术主要应用在
数字货币领域，多种类比特币的
数字货币被不断提出，例如莱特币、达世币等；随后，承载着各种功能的区块链平台也应运而生，如
智能合约平台以太坊、企业级区块链解决方案Hyperledger Fabric等。国际上掀起了区块链应用和研究的热潮，25家大型
银行，其中包括摩根大通、瑞士信贷、美国银行、法国兴业银行宣布支持R3，旨在制定区块链标准和协议，带动金融业更多地采用分布式总账这种技术。
[0003] 诸多领域均在探索区块链应用落地的可行性，然而现有区块链应用的成功案例局限在低频交易场景中，面对高频交易场景，区块链通量严重不足。因此，提高区块链通量已经成为当今区块链应用的迫切需求。
[0004] 以金融、
物联网领域为例，在金融领域中，现阶段支付宝平均每秒处理交易1000笔，峰值时达到了25.6万笔；微信平均每秒处理交易7000笔，峰值时达到了76万笔；在物联网领域中，菜
鸟快递平均每秒处理订单300笔，峰值3200笔；
能源互联网平均每秒处理交易500笔，峰值2000笔。而与之对应在区块链领域，比特币平均每秒只能处理3.5笔交易，(以“系统每秒钟处理的交易数量”衡量区块链的通量，即Transaction per second，下文以TPS指代，比特币理论TPS可达到7)，以太坊平均每秒只能处理15笔交易。随着比特币、以太坊交易量的飙升，链上交易拥堵日益显现，比特币未确认交易数最高在19万笔左右，以太坊目前仍有6万多笔待确认的交易，拥堵使得区块链网络内的交易费变得昂贵，比特币拥堵时单笔交易
手续费可达162美元，拥堵严重时甚至会使交易执行失败。
[0005] 目前，国内外的研究中，提高区块链通量的方案主要分为链上扩容和链外扩容两种。链上(on-chain)扩容是指通过优化、改进区块链的基本协议提升可扩展性，其包含的方案也比较多样，主要体现在三个层面：网络层、共识层和数据层。链上扩容大多效果有限，而且扩容升级过程会造成硬分叉，分片虽然可以显著提高吞吐量，但是会降低主链安全性，且协议十分复杂，目前还不完备。试图在公链系统上实现底层协议的大幅更替，将面临技术和社区的双重压
力。链外(off-chain)扩容方案主要包括链外通道和
侧链方案，侧链是指与主链平行的链，这些链可以有自己的共识机制，不需要和主链的共识机制相同，侧链并不是完全独立的，它们最终还是依赖主链做最终的结算；链外通道具备即时终结性和交易隐私性，可以最小化链上操作，链外通道方案在多个公链均已落地，受到广泛关注。
[0006] 现有链外支付通道项目主要有闪
电网络和雷电网络。闪电网络的提出是为了解决比特币网络的可扩展性问题，使用哈希时间
锁合约进行安全、可即时确认的链外交易。雷电网络是以太坊的链外扩容方案之一，设计原理与闪电网络相似，智能合约为以太坊的链外支付通道的设计带来了便利。闪电网络与雷电网络均已上线主网，但都面临通道路径发现策略滞后、维护通道平衡策略不足的问题，学术界针对通道路由协议的设计与研究从未停止，但是，缺乏路由评价机制，无法对不同侧重的路由协议进行比较。
[0007]
现有技术实现了支付通道网络新的路由选择
算法，提出了容量锁定概念，提高了支付过程的并发度。针对闪电网络中的多跳支付过程进行了路径优化研究，利用线性规划的方法平衡
节点多通道之间的支付余额，使得多跳支付路径缩短，提高支付效率，降低支付
费用。针对闪电网络存在的并发性和隐私性问题进行研究，提出了两个闪电网络协议Fulgor和Rayo。Fulgor和Rayo的核心是多跳哈希时间锁(Multi-Hop HTLC)，提供有条件的支付功能，同时减少了运行时间和通信开销。Fulgor是一个可证明隐私性的、与比特币的脚本系统兼容的闪电网络支付协议，Fulgor是一个阻塞协议，因此与当前可用的闪电网络一样容易出现并发支付死锁的问题。相反，Rayo是闪电网络的第一个非阻塞的、强制执行的协议，中的实验表明，经过10个中间用户的支付通道只需要5秒，从而证明了这两个协议的可行性。研究了闪电网络中的支付通道的匿名性方法，提出的方法在保证安全性、隐私性和即时性的同时，减少了支付网络的负载，该文提出了三种类型的支付通道，包括引入不可信的第三方，这些方法可以通过通用技术方便的构建。目前该方法并没有支持多方之间支付通道匿名性，并且，当发生争议时，需要向网络公开支付通道中的余额状态，这也是有悖匿名的初衷的。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于解决区块链链外通道路由评价基准缺失导致区块链通量难以提高的问题，在区块链架构和链外通道核心协议之上，基于链外通道路由协议，基于影响链外通道路由选择的多个因素，提出了通道路由权重评价方法，统一了通道路由评价机制，提供了通道路由路径量化比较标准，基于此标准可有效实现区块链系统通量提升。
[0009] 针对现有技术的不足，本发明提出一种基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高方法，其特征在于，包括：
[0010] 步骤1、获取链外通道的拓扑信息表，并根据多跳链外交易
请求，构造多跳链外交易数据包和交易结构；
[0011] 步骤2、从该拓扑信息表中筛选出用于完成该多跳链外交易请求的全部路径，构建路径列表，并通过链外通道路由评价机制为路径进行打分，根据打分结果对路径列表中各路径进行排序，得到排
序列表；
[0012] 步骤3、根据该排序列表，进行多跳链外交易将该多跳链外交易数据包传输至交易接收方，完成该多跳链外交易请求。
[0013] 所述的基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高方法，其特征在于，该链外通道路由评价机制包括：路径长度、节点负载、节点历史服务
质量和通道平衡因子。
[0014] 所述的基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高方法，其特征在于，该步骤2包括通过下式为该路径列表中各路径进行打分：
[0015] Weight Evaluation Formula＝μ1*α+μ2*β+μ3*γ+μ4*δ
[0016] 其中有，μ1+μ2+μ3+μ4＝1
[0017] α表示该路径长度，β表示该节点负载，γ表示该节点历史服务质量，δ表示通道平衡因子，符号μ1～μ4表示各因素的影响因子。
[0018] 所述的基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高方法，其特征在于，该拓扑信息表包括：通道连通图、通道押金、通道双方地址、通道余额、通道当前负载和通道历史服务情况。
[0019] 所述的基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高方法，其特征在于，该通道平衡因子用于衡量通道失衡情况，取值＞＝0；且该通道平衡因子的具体求解过程为：
[0020] 在t时刻，有金额为v的多跳链外交易需要由节点A经过其邻居节点{ai|ai∈SA}到达目的节点，SA为A的邻居节点中可达目的节点的集合；
[0021] 根据从节点A与邻居ai(ai∈SA)之间的通道 建立至t时刻，A向ai转移的资金总量 ai向A转移的资金总量 在t时刻，通道 中A节点余额 通过下式得到：
[0022] t时刻，对于A节点而言，通道 的通道平衡因子为：
[0023]
[0024] A节点选择通道平衡因子最小的可达通道作为其转发该多跳交易的方向，并依据通道平衡因子从小到大的顺序给出其转发该交易的通道选择优先级。
[0025] 本发明还提出了一种基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高系统，其特征在于，包括：
[0026] 模块1、获取链外通道的拓扑信息表，并根据多跳链外交易请求，构造多跳链外交易数据包和交易结构；
[0027] 模块2、从该拓扑信息表中筛选出用于完成该多跳链外交易请求的全部路径，构建路径列表，并通过链外通道路由评价机制为路径进行打分，根据打分结果对路径列表中各路径进行排序，得到排序列表；
[0028] 模块3、根据该排序列表，进行多跳链外交易将该多跳链外交易数据包传输至交易接收方，完成该多跳链外交易请求。
[0029] 所述的基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高系统，其特征在于，该链外通道路由评价机制包括：路径长度、节点负载、节点历史服务质量和通道平衡因子。
[0030] 所述的基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高系统，其特征在于，该模块2包括通过下式为该路径列表中各路径进行打分：
[0031] Weight Evaluation Formula＝μ1*α+μ2*β+μ3*γ+μ4*δ
[0032] 其中有，μ1+μ2+μ3+μ4＝1
[0033] α表示该路径长度，β表示该节点负载，γ表示该节点历史服务质量，δ表示通道平衡因子，符号μ1～μ4表示各因素的影响因子。
[0034] 所述的基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高系统，其特征在于，该拓扑信息表包括：通道连通图、通道押金、通道双方地址、通道余额、通道当前负载和通道历史服务情况。
[0035] 所述的基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高系统，其特征在于，该通道平衡因子用于衡量通道失衡情况，取值＞＝0；且该通道平衡因子的具体求解过程为：
[0036] 在t时刻，有金额为v的多跳链外交易需要由节点A经过其邻居节点{ai|ai∈SA}到达目的节点，SA为A的邻居节点中可达目的节点的集合；
[0037] 根据从节点A与邻居ai(ai∈SA)之间的通道 建立至t时刻，A向ai转移的资金总量 ai向A转移的资金总量 在t时刻，通道 中A节点余额通过下式得到：
[0038] t时刻，对于A节点而言，通道 的通道平衡因子为：
[0039]
[0040] A节点选择通道平衡因子最小的可达通道作为其转发该多跳交易的方向，并依据通道平衡因子从小到大的顺序给出其转发该交易的通道选择优先级。
[0041] 由以上方案可知，本发明的优点在于：
[0042] 当前主流的区块链链外扩容方案中，相关研究主要集中在侧链、链外状态通道等解决方案中。比特币、以太坊等公链上均已落地了相应的链外通道，已有项目普遍存在链外通道路由协议滞后的问题，学术界已提出了多种路由协议，以期解决路由协议滞后的问题，但是，路由协议评价基准的缺失造成路由协议间无法进行比较。路由协议设计之时各有侧重，对同样的通道拓扑和应用场景，不同的路由协议可能会设计出不同的路径发现策略，目前缺乏对路由算法的高效性、有效性、可用性、隐私性等方面的统一的衡量机制。本发明提出了影响通道路由选择的几点因素，并总结出通道路由影响因素的权重评价公式，可调参数的权重评价公式，可以在对路由算法有某方面的需求时，自主调节影响路由因素的权重占比，利用统一的权重评价共识，对比待选的路由算法，为采用某种路由协议，提供有力的理论依据。
附图说明
[0043] 图1为本发明多跳通道交易执行
流程图。
具体实施方式
[0044]
发明人在进行通道路由研究时，发现现有通道解决方案在
基础功能稳定后才将考虑完善路由协议，以期优化路径发现和促进通道平衡。近年来，学术界有许多通道路由相关的论文，提出了各有侧重的路由算法。
[0045] 但是，通道路由协议目前主要面临的问题是缺乏通道路由的评价机制：通道路由算法在设计时需要考虑诸多方面，如路由机制的去中心化程度，Celer网络利用中心化的路由节点来保证快速的路径发现和通道平衡，但是有潜在的单点攻击问题，需要对中心化节点的信任，将带来新的信任问题。设计通道路由算法需要考虑的方面还包括路由算法的效率、延迟、隐私性等。
[0046] 发明人经过对现有通道路由技术的研究，发现路由协议的评价基准缺失。本发明提出了通道路由协议的评价机制，通过4种影响路由选择的因素及其权重评价，为不同的通道路由算法提供评价基准，便于比较不同链外路由算法间的优劣。
[0047] 本发明所涉及的链外通道路由评价机制，适用于在相似通道拓扑、节点性能、网络环境等背景下，对不同路由协议进行比较。
[0048] 通道路由协议涉及的三类
角色主要有：1.交易发送方；2.多跳交易的转发节点，亦称为中间节点；3.交易接收方。交易发送方初始化链外请求，中间节点对没有直连通道的交易双方进行多跳交易的转发，中间节点不仅需要转发交易请求，亦需要涉及到资金的锁定、解锁等过程，交易接收方最终接收到交易发送方转移的状态，并执行正确的状态转移，即认为一笔链外交易请求成功。
[0049] 本发明主要包括以下两个部分：
[0050] (1)影响通道路由选择的因素
[0051] 1.路径长度：路由算法针对多跳通道请求所涉及的可用路径的路径长度。
[0052] 2.节点负载：多跳通道请求中，中间节点的待处理队列的长度，或者其他衡量节点负载的值。进行路由选择时，优先选择节点负载低的节点。
[0053] 3.节点历史服务质量评分：可用路径中，备选中间节点历史服务状况作为路由
稳定性的评价辅助，若当前节点有诸如离线、不响应、资金不足等情况，当前节点的历史服务质量评分将会受到削减。进行路由选择时，优先选择历史服务质量评分高的节点。
[0054] 4.通道平衡因子：通道平衡因子用来衡量通道失衡情况，取值＞＝0。通道失衡情况越严重(双向转移资金量差值的绝对值越大)，通道平衡因子越接近0或数值越大。反之，通道越平衡(双向转移资金量差值的绝对值越小)，通道平衡因子越接近1。在进行路由选择时，优先选择通道平衡因子最小的可达通道。可达通道为经过该通道有到达目的节点的路径，并且所经过通道均余额充足。
[0055] 具体而言：
[0056] 在t时刻，有金额为v的多跳链外交易需要由节点A经过其邻居节点{ai|ai∈SA}到达目的节点，SA为A的邻居节点中可达目的节点的集合；
[0057] 根据从节点A与邻居ai(ai∈SA)之间的通道 建立至t时刻，A向ai转移的资金总量 ai向A转移的资金总量 在t时刻，通道 中A节点余额 通过下式得到：
[0058] t时刻，对于A节点而言，通道 的通道平衡因子为：
[0059]
[0060] A节点选择通道平衡因子最小的可达通道作为其转发该多跳交易的方向，并依据通道平衡因子从小到大的顺序给出其转发该交易的通道选择优先级。
[0061] (2)通道路由影响因素的权重评价方法
[0062] 用符号d表示路径长度，符号β表示节点负载情况，符号γ表示节点历史服务质量评分，符号δ表示通道平衡因子，符号μ1～μ4表示各个因素的影响因子，通道路由影响因素的权重评价公式为：
[0063] Weight Evaluation Formula＝μ1*α+μ2*β+μ3*γ+μ4*δ
[0064] 其中有，μ1+μ2+μ3+μ4＝1
[0065] 使用权重评价公式前，只需要对各影响因素的因子进行统一，然后就可以对不同的路由协议，进行路径发现效果的评价了。
[0066] 为让本发明的上述特征和效果能阐述的更明确易懂，下文特举
实施例，并配合
说明书附图作详细说明如下。
[0067] 本发明可以用在以下场景：如，针对不同路由协议，提供切实的评价基准，根据系统对路由算法的需求，
指定路由影响因素的影响因子，便于对路由协议进行比较。亦可使用在设计路由协议时，根据权重评价公式，对可用路径列表进行排序，更优的路径进行更高优先级的尝试。下面以第二种使用场景为实施例，介绍本发明的具体实施方式。
[0068] 本发明将涉及到链外通道系统中的多个模块，图1是多跳通道请求发生时涉及到的操作流程图，包括向存储模块请求通道拓扑信息表，交易模块构造锁定交易，传输模块构造交易请求等，最核心的操作就是，路由模块根据拓扑信息表中的节点、通道状态信息，构造可用路径列表，列表构造完成后，调用排序函数，确定可用路径列表的优先级，此时，本发明提出的权重影响公式，将全程影响排序函数的决策，为最终的路径列表的产生提供服务，之后根据通道系统的传输策略，执行多跳请求过程。
[0069] 以设计路由协议为实施例。根据权重评价公式，本发明将影响可用路径列表的产生过程，实施例的步骤如下：
[0070] S0：开始多跳链外交易；
[0071] S1：向存储模块请求通道拓扑信息表，表中包含静态拓扑信息和动态拓扑信息，静态拓扑信息包括通道连通图、通道押金、通道双方地址等，动态拓扑信息如通道的余额、通道当前负载、通道历史服务情况、通道平衡因子等。
[0072] S2：构造多跳链外交易数据包，构造哈希时间锁等交易结构；
[0073] 多跳链外交易数据包，包括多个字段，例如交易发送方(源地址)、交易接收方(目的地址)、转移金额V和哈希时间锁。在超时时间之前，若交易接收方收到资金V，则持有该哈希时间锁的多跳交易的转发节点可以收到上一跳节点锁定的资金；若超时后交易接收方仍未资金V，则将资金退回创建该哈希时间锁的节点。
[0074] 哈希时间锁基于
哈希算法构造，包含多个字段资金锁定数量V、秘密的哈希、超时时间戳T和可以解锁该结构的账户地址Addr(1个)。若Addr在超时时间戳T之前，向构造该哈希时间锁的节点提供能够依据哈希算法得到“秘密的哈希”的字符串(即“秘密”的明文)，那么Addr就能在通道里得到金额为V的资金。反之，资金回退给构造该哈希时间锁的节点。
[0075] 构造哈希时间锁等交易结构是为了完成多跳链外交易，这个属于链外状态(支付)通道的先验知识，通过构造多跳链外交易数据包以及哈希时间锁等结构，完成多跳链外交易。并且在交易失败的时候避免相关节点资金损失。
[0076] S3：构造可用路径列表。
[0077] S31：根据通道余额，筛选出可以完成多跳链外交易的路径，例如：逐跳根据邻居节点信息，排除节点离线、余额不足的通道，直到与交易的接收方连通且余额充足为止；
[0078] S32：根据对路径的需求，指定影响因子的权重，获得权重评价公式；
[0079] S33：根据权重评价公式，对S31生成的路径列表中各路径进行排序，产生带权路径列表，按照优先级由高到低，测试可用路径；
[0080] S4：根据路径列表，进行多跳交易的尝试。若无可用路径，则跳转至S6；
[0081] S41：逐跳锁定资金，直到交易的接收方，按照后续交易处理逻辑，执行哈希时间锁的解锁等过程，不在本发明中赘述，执行完毕后，跳转至S5即可；
[0082] S42：本条路径不可用，跳转至S4，尝试下一跳路径；
[0083] S5：多跳交易成功，结束。
[0084] S6：无可用路径，本多跳通道交易失败，结束。
[0085] 以下为与上述方法实施例对应的系统实施例，本实施方式可与上述实施方式互相配合实施。上述实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在上述实施方式中。
[0086] 本发明还提出了一种基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高系统，其特征在于，包括：
[0087] 模块1、获取链外通道的拓扑信息表，并根据多跳链外交易请求，构造多跳链外交易数据包和交易结构；
[0088] 模块2、从该拓扑信息表中筛选出用于完成该多跳链外交易请求的全部路径，构建路径列表，并通过链外通道路由评价机制为路径进行打分，根据打分结果对路径列表中各路径进行排序，得到排序列表；
[0089] 模块3、根据该排序列表，进行多跳链外交易将该多跳链外交易数据包传输至交易接收方，完成该多跳链外交易请求。
[0090] 所述的基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高系统，其特征在于，该链外通道路由评价机制包括：路径长度、节点负载、节点历史服务质量和通道平衡因子。
[0091] 所述的基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高系统，其特征在于，该模块2包括通过下式为该路径列表中各路径进行打分：
[0092] Weight Evaluation Formula＝μ1*α+μ2*β+μ3*γ+μ4*δ
[0093] 其中有，μ1+μ2+μ3+μ4＝1
[0094] α表示该路径长度，β表示该节点负载，γ表示该节点历史服务质量，δ表示通道平衡因子，符号μ1～μ4表示各因素的影响因子。
[0095] 所述的基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高系统，其特征在于，该拓扑信息表包括：通道连通图、通道押金、通道双方地址、通道余额、通道当前负载和通道历史服务情况。
[0096] 所述的基于链外通道路由评价机制的区块链通量提高系统，其特征在于，该通道平衡因子用于衡量通道失衡情况，取值＞＝0；且该通道平衡因子的具体求解过程为：
[0097] 在t时刻，有金额为v的多跳链外交易需要由节点A经过其邻居节点{ai|ai∈SA}到达目的节点，Sa为A的邻居节点中可达目的节点的集合；
[0098] 根据从节点A与邻居ai(ai∈SA)之间的通道 建立至t时刻，A向ai转移的资金总量 ai向A转移的资金总量 在t时刻，通道 中A节点余额通过下式得到：
[0099] t时刻，对于A节点而言，通道 的通道平衡因子为：
[0100]
[0101] A节点选择通道平衡因子最小的可达通道作为其转发该多跳交易的方向，并依据通道平衡因子从小到大的顺序给出其转发该交易的通道选择优先级。
