[发明专利]可变难度的无冗余平行区块链系统及方法

说明书

本发明公开了一种可变难度的无冗余平行区块链系统及方法，系统包括架构模块、平行采矿模块、难度调控模块以及全局序列化模块；架构模块用于为平行区块链系统提供整体架构，涵盖区块链必要分层；平行采矿模块用于并发产生区块构建平行模式区块链，包括收集预备信息构建全区块和进行工作量哈希并填充区块体产生新区块；难度调控模块用于多变的采矿能力场景下，兼容平行出块同时进行难度调控；全局序列化模块，用于为平行区块链系统对需要全局账本的场景中进行区块确认、存在性验证并序列化为有效账本。本发明解决可扩展性差的问题，处理交易容冗余问题，提出难度值调控方法，设计高效序列化机制，对于区块链协议不断发展适应更多需求很有意义。

技术领域

本发明属于区块链技术领域，涉及一种无冗余平行区块链系统及方法，具体设计一种可变难度的无冗余平行区块链系统及方法。

背景技术

区块链技术源于2008年中本聪发明的比特币，中本聪协议采用工作量证明(Proofof Work,PoW)，收集交易并解决计算难题，根据最长链原则达成最新状态的区块序列共识。中本聪协议简单且安全性较高，但随着需求复杂化，其可扩展性差的问题逾受关注(每秒7比交易)。继承自分布式系统的CAP理论，区块链协议设计存在安全性、可扩展性、非中心化程度的三元关系。权衡三元关系，改善中本聪协议的可扩展性是区块链领域关键问题之一。虽然大量扩充中本聪协议的方案被提出(方案GHOST、Bitcoin-NG、Subchain、Fruitchain等)，但由于依赖中本聪协议架构，性能提升受限。脱离传统单一链模式，利用有向无环图(Directed acyclic graph,DAG)组织区块的思想应用而生(方案Spectre、Conflux、Phantom等)，并发产生区块，利用分歧区块维持DAG结构提高吞吐量。但此类工作分支发散且难维持区块联系，使得实现复杂且难以给出高效的确认机制，方案Spectre未提供具体实现，方案Conflux将DAG压缩为单链进行确认，限制其性能。基于先前工作，本发明认为2-for-1概念(文献Bitcoin Backbone Protocol)实现m-for-1的多对一挖矿思想可以进一步解决可扩展性问题。多个矿工在多条链同时挖矿，但每个矿工每次只能追加区块到某一条链，全局维持一种平行结构。相较于DAG，平行结构更具结构化，方案OHIE、Prism、ParallelChain、ChainWeb等也实现类似的m-for-1思想，但仍存在一些未解决的问题。

首先，分布式环境中同一比交易可能被不同矿工收集到不同区块，即交易冗余问题。平行结构中区块并发产生，该问题概率更高。即使在验证时可发现冗余交易，仍造成资源浪费和额外开销。已有的方案Conflux、OHIE、Prism未考虑该问题或直接忽略重复交易。若在区块广播前解决交易冗余问题必将有效改善吞吐量。设计实现m-for-1挖矿思想并解决交易冗余的区块链协议是提高可扩展性的关键。

其次，基于工作量证明的区块链需要适应挖矿能力的不断变化。比特币诞生至今挖矿能力增长近1014倍。若仍采用原有难度值解决哈希难题，出块间隔会从10分钟下降到6皮秒，导致过高的分叉率，严重破坏比特币的安全性，容忍恶意挖矿能力从50％降为10-11。利用难度值调整算法来变化目标阈值可防止该情况。但其无法直接应用于平行结构，给出适用于平行链协议的难度调节算法很有必要。

最后，区块链的执行是一个不断追加新区块到确认区块序列来更新交易账本的过程。把比特币比作一个不断选取最长分支的区块树，本文的平行链协议的多条链等价于多个区块树，随机挖矿使得不同链上的区块关系并不直观。Prism方案主要包含提交树和投票树两类结构，多个投票树优化提交树的区块确认延迟，但其区块提交依赖于单一区块树，随机出块导致其性能存在“短板效应”。OHIE方案的每个区块树确认时沿用中本聪协议，在多个区块树之间通过(rank，next_rank)字段预定义全局区块顺序。但预定义顺序和区块加入时间不完全一致，可能会引入安全威胁。设计契合平行链的全局区块序列是的高效安全区块链协议的关键。

发明内容