[发明专利]一种有向无环图结构的区块链及其实现方法

说明书

本发明公开了一种有向无环图结构的区块链及其实现方法，属于区块链技术领域。本发明提出了一种新的DAG区块链组织方法及其实现方法，区块之间通过本节点的自引用作为子区块节点，通过其他节点的它引用作为子侄区块节点从而构成有向无环图结构。本发明中交易支持并行特性，大量的并发交易可以通过各个分布节点并行处理并通过带数字签名的gossip协议验证转发，最终达到共识确认并出块，实现了交易的高并发处理，提高了系统的交易吞吐量。同时，本发明在不依赖算力保证的情况下避免了双花或冲突交易的确认上链，从而保证了安全性。综上所述，本发明可以提供高吞吐、高效共识、高安全和高扩展等特性，能适用于更广阔的区块链技术应用场景。

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，具体涉及一种基于有向无环图（DAG）结构的区块链及其实现方法。

背景技术

区块链是一个去中心化、可追溯、不可篡改的共享数据库。区块链使得分布式网络中在没有可信中心节点做信用背书的情况下，为节点彼此提供了信任保障，提供这一保障的技术被称之为区块链共识机制。区块是分布式网络中节点对交易事务达成共识后形成的交易事务集合，链是指区块之间采用了链表数据结构进行相连，大量的事务经共识确认后生成众多区块。区块之间的链接指针为哈希指针，新的区块通过包含本区块的内容及父区块的哈希值进行哈希运算，从而连接到父区块，所有的区块组织在一起形成了链式结构。由于哈希运算的不可逆性，这种链式结构保证了所有链接到链上的区块内容不再允许修改，并且所有的记录都可以通过链式结构递归查询，形成了区块链天然防篡改可追溯的特性。

但是，这种单链式的区块存储结构存在着很大的局限性。首先，链式的存储结构意味着区块之间必然有着先后顺序，即区块必须串行处理。这必然会大大限制区块链系统的交易吞吐率，降低区块链事务的处理效率。其次，区块之间有着前后顺序，也意味着必须有一些节点需要维持这种全局排序服务，保证交易不会产生冲突，也防止恶意或无效交易的产生。一般从事这种服务的节点是区块链中的主节点，如POW、POS共识类区块链的矿工节点，PBFT共识类区块链的主记账人节点，Raft共识类区块链的领导者节点。在这种区块链中，主节点承担了远超区块链网络中其他分布式节点巨大任务计算处理的压力，容易造成节点性能瓶颈。最后，单链式的存储结构一般需要遵从最长链共识，导致区块链出现软分叉时，不得不抛弃非最长链的其他交易事务，产生很多孤块。这在POW类概率一致性共识算法的区块链（如比特币）中造成了计算资源的浪费，因为一个区块在产生后到成为孤块之前同样的有节点对其做功，在被抛弃之前一直被视为合法区块。

综上所述，链式结构对交易的串行处理方式是造成传统区块链吞吐量低和可扩展性差的一个重要原因。为了提高交易吞吐量，增加区块链系统的可扩展性。现有的解决方案一方面从内部入手，着重于提高交易的处理能力，如设计更高效的共识算法，增大区块的体积使之可以容纳更多的交易数量，毕竟一个区块内部的交易是并行处理的。另一方面从外部入手，着重于解决单链的性能瓶颈问题，如侧链技术，闪电网络等链下交易技术，可以看做是早期DAG区块链的雏形。后面DAG区块链技术逐渐发展了IOTA的tangle区块链，Byteball公证DAG区块链技术以及比特币扩展的conflux区块链技术等。DAG区块链的目标核心之一就是使区块交易之间可以并行处理，在分布式网络中由于没有中心节点，分布式对等节点由于缺乏交易的全局信息，因此对于双花问题需要着重注意。在现有DAG区块链中仍然是通过算力保证，或者引入公证人根据主链原则进行避免，并且通过一定的机制对交易进行层次化验证，保证安全性，但同样也造成交易实时性不高，可扩展能力低下，应用范围受限。

因此，可以采用DAG区块链技术解决现有单链结构存在的性能瓶颈。但同时，需要对现有的DAG区块链技术加以改进，解决双花，交易冲突等区块交易并行化带来的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有DAG区块链技术存在的共识性能不足，双花、冲突交易处理效果差等问题，而提供一种有向无环图结构的区块链及其实现方法。

与本发明相关的定义概念如下：