基于區(qū)塊鏈側(cè)鏈Proof方法的兌換系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

王爭(zhēng)，朱海景

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都610065）

0 引言

隨著數(shù)字貨幣的發(fā)展，越來越多的國家在推行本國的央行數(shù)字貨幣[1]，而在民間區(qū)塊鏈領(lǐng)域也存在著大量去中心化的數(shù)字加密貨幣以及非去中心化的數(shù)字加密貨幣，央行數(shù)字貨幣作為一種中心化的數(shù)字貨幣，如何與民間已存在的數(shù)字加密貨幣進(jìn)行相互兌換從而擴(kuò)大自身的影響力是個(gè)難題，為了解決上述問題，本文提出了一種基于區(qū)塊鏈側(cè)鏈Proof方法的兌換系統(tǒng)架構(gòu)，用于中心化數(shù)字貨幣與民間數(shù)字加密貨幣的兌換。

1 基礎(chǔ)概念介紹

智能合約：1994年由Nick[2]提出智能合約的定義“一套以數(shù)字形式指定的承諾，包括合約參與方可以在上面執(zhí)行這些承諾的協(xié)議”，現(xiàn)在主流的智能合約指運(yùn)行在區(qū)塊鏈的智能合約，智能合約是自動(dòng)執(zhí)行合約條款的計(jì)算機(jī)代碼。這種智能合約由于結(jié)合了區(qū)塊鏈的特點(diǎn)，因此具有去中心化、可溯源、不可篡改的特點(diǎn)。由于智能合約只能被動(dòng)地接受外部交易信息，為了擴(kuò)展其功能，智能合約可以依據(jù)外部可信數(shù)據(jù)源（預(yù)言機(jī)）和世界狀態(tài)從而進(jìn)行判斷是否滿足合約條款[3]。

基于簡單支付確認(rèn)（SPV）的Proof驗(yàn)證方法：側(cè)鏈技術(shù)[4]是為了支持和擴(kuò)展現(xiàn)有區(qū)塊鏈功能提出的一種改進(jìn)方案，將原有區(qū)塊鏈作為主鏈，新產(chǎn)生一條側(cè)鏈用于區(qū)塊鏈功能擴(kuò)展或交互，而為了進(jìn)行主鏈與側(cè)鏈的代幣的轉(zhuǎn)換，有一種基于簡單支付確認(rèn)（SPV）的Proof驗(yàn)證的方法[5]。通過讓區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)里的礦工產(chǎn)生Proof從而作為代幣轉(zhuǎn)換的憑證，從而完成代幣的轉(zhuǎn)換。圖1為基于簡單支付確認(rèn)（SPV）的Proof驗(yàn)證方法的示意圖。

圖1 基于簡單支付確認(rèn)（SPV）的Proof結(jié)構(gòu)示意圖

2 架構(gòu)介紹

2.1 兌換系統(tǒng)架構(gòu)思路介紹

當(dāng)前央行中心化數(shù)字貨幣與民間數(shù)字化貨幣的兌換有兩個(gè)難題。一是民間數(shù)字加密貨幣大都是基于地址匿名的，而央行數(shù)字貨幣由于《KYC一體化風(fēng)險(xiǎn)管理》原則需要對(duì)賬戶個(gè)人信息進(jìn)行掌握（Know You Cus-tomer，KYC），這個(gè)內(nèi)在的矛盾阻止了二者的兌換，為此需要建立一個(gè)代幣系統(tǒng)來間接進(jìn)行兌換。第二個(gè)難題是央行數(shù)字貨幣在海外如何進(jìn)行推廣，作為一個(gè)主權(quán)貨幣如何打消他國用戶的各種顧慮，為此結(jié)合智能合約的自動(dòng)執(zhí)行，不可篡改有利于以打消人們對(duì)其的偏見認(rèn)識(shí)。

為了方便描述，以下統(tǒng)一術(shù)語見表1。

表1 相關(guān)術(shù)語

2.2 兌換系統(tǒng)架構(gòu)介紹

圖2中的數(shù)字代幣系統(tǒng)基于PBFT協(xié)議的聯(lián)盟鏈系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)由中心化數(shù)字貨幣系統(tǒng)主導(dǎo)成立的，聯(lián)盟鏈的節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)入權(quán)由中心化數(shù)字貨幣系統(tǒng)決定。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都運(yùn)維一個(gè)支持智能合約的區(qū)塊鏈，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信保證保持較高質(zhì)量。采用PBFT的聯(lián)盟鏈可以支持高吞吐量交易。

圖2 兌換系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

在整個(gè)兌換系統(tǒng)中涉及三種兌換模式，包括賬戶類型的數(shù)字貨幣——數(shù)字代幣兌換、地址類型的數(shù)字代幣——數(shù)字代幣兌換、地址類型的代幣——其他代幣兌換，接下來介紹三種兌換的流程。

（1）賬戶類型的數(shù)字貨幣——數(shù)字代幣兌換結(jié)構(gòu)

圖3 數(shù)字貨幣——數(shù)字代幣兌換結(jié)構(gòu)

（2）地址類型的數(shù)字代幣——數(shù)字代幣兌換結(jié)構(gòu)

圖4 數(shù)字代幣——數(shù)字代幣兌換結(jié)構(gòu)

（3）地址類型的代幣——其他代幣兌換結(jié)構(gòu)

圖5 數(shù)字代幣兌換其他代幣結(jié)構(gòu)

圖6 其他代幣兌換數(shù)字代幣結(jié)構(gòu)

綜上三種兌換行為可以完成中心化數(shù)字貨幣到其他數(shù)字貨幣的相互兌換。

3 Proof詳細(xì)說明

3.1 Proof關(guān)鍵字說明

Proof作為一種憑證，證明相對(duì)應(yīng)數(shù)額代幣已經(jīng)發(fā)送給指定區(qū)塊鏈，Proof的具體信息如圖7。

圖7 Proof關(guān)鍵字示意圖

（1）Proof類型用于表示是哪種兌換代幣模式，是數(shù)字加密代幣兌換為去中心化代幣還是反之，以及具體兌換哪種其他代幣。

（2）交易hash是智能合約在查詢交易時(shí)的標(biāo)識(shí)。

（3）區(qū)塊高度是為了快速定位到交易以及計(jì)算安全區(qū)塊數(shù)。

（4）簽名是為了證明Proof來自于該信息提交者。

（5）Proof存活長度是為了保證匯率穩(wěn)定。

當(dāng)智能合約接收到Proof信息后，進(jìn)行驗(yàn)證。

圖8 Proof驗(yàn)證示意圖

偽代碼如下：

輸入：地址，Proof

輸出：True或者False

判斷Proof類型，通過預(yù)言機(jī)訪問對(duì)應(yīng)區(qū)塊鏈API接口

根據(jù)交易hash找到交易信息位置，判斷簽名是否與交易信息匹配

判斷區(qū)塊高度與區(qū)塊鏈當(dāng)前高度差是否超過區(qū)塊鏈相對(duì)應(yīng)的安全區(qū)塊數(shù)

判斷Proof存活時(shí)間是否超過對(duì)應(yīng)值

當(dāng)判定True時(shí)，智能合約B發(fā)送信息給智能合約A，智能合約A將一定等值數(shù)量數(shù)字代幣發(fā)給地址或者將一定數(shù)量其他代幣發(fā)給地址。

此外，智能合約所產(chǎn)生的交易也會(huì)被寫入?yún)^(qū)塊鏈。

關(guān)于安全區(qū)塊數(shù)的設(shè)置，安全區(qū)塊數(shù)是為了防止兌換交易信息被攻擊，防止雙花。惡意節(jié)點(diǎn)在形成Proof進(jìn)行兌換后，又用一條其他交易信息代替Proof所指代的交易信息，為了防范這種攻擊，其他代幣所形成的Proof需要等待一定時(shí)間，使其所指代的交易信息不可能被篡改。數(shù)字代幣系統(tǒng)由于采用聯(lián)盟鏈的方式，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由中心化貨幣系統(tǒng)主導(dǎo)，所有節(jié)點(diǎn)由中心化貨幣系統(tǒng)嚴(yán)格審核，必要時(shí)刻可以根據(jù)中心化貨幣系統(tǒng)進(jìn)行回滾操作，因此其系統(tǒng)內(nèi)的交易系可以視為安全。而對(duì)于不同的其他代幣，不同的區(qū)塊鏈有不同的安全性區(qū)塊數(shù)設(shè)置，以比特幣為例。

當(dāng)比特幣網(wǎng)絡(luò)中惡意節(jié)點(diǎn)算力占比為q，誠實(shí)節(jié)點(diǎn)算力未p，安全區(qū)塊設(shè)置為z時(shí)，交易信息被攻擊成功的概率如下：

第Z個(gè)區(qū)塊帶給區(qū)塊鏈的安全性如下：

當(dāng)安全區(qū)塊數(shù)選10時(shí)，q=0.3時(shí)，攻擊節(jié)點(diǎn)成功概率小于5%，而第11個(gè)區(qū)塊提供的安全性低于1%，因此針對(duì)比特幣區(qū)塊鏈的安全區(qū)塊數(shù)取10是合理的數(shù)。

圖9 比特幣安全區(qū)塊數(shù)示意圖

關(guān)于Proof存活時(shí)間的說明，Proof存活時(shí)間是為了兌換利率的穩(wěn)定。由于部分?jǐn)?shù)字加密貨幣價(jià)值波動(dòng)性大，兌換利率采用定值或者某一時(shí)刻值會(huì)導(dǎo)致形成大量的套利空間，不利于系統(tǒng)的平穩(wěn)性。為此，采用一個(gè)Proof存活時(shí)間來減少長時(shí)間持有套利，如當(dāng)比特幣價(jià)值低時(shí)，套利用戶大量產(chǎn)生Proof，但不立即進(jìn)行兌換，而是等到一個(gè)長時(shí)間段的，等到比特幣價(jià)值升值后，然后進(jìn)行Proof兌換，進(jìn)行套利。而對(duì)于短時(shí)間內(nèi)的峰值波動(dòng)，選取前一個(gè)時(shí)間段的兌換平均值作為匯率可以減少短期波動(dòng)，提高穩(wěn)定性。兌換利率由Proof兌換時(shí)，智能合約查詢預(yù)言機(jī)計(jì)算得出。區(qū)塊鏈里的時(shí)間可以用區(qū)塊數(shù)來衡量，如比特幣大約10min產(chǎn)出一個(gè)區(qū)塊，那么Proof存活時(shí)間可以設(shè)置為12個(gè)區(qū)塊，也就是大約兩個(gè)小時(shí)。當(dāng)Proof超過了存活時(shí)間，該P(yáng)roof視為無效。

關(guān)于簽名的作用，如果沒有簽名，惡意節(jié)點(diǎn)可以將比特幣區(qū)塊鏈里的任何一條兌換交易組成Proof直接發(fā)給數(shù)字代幣智能合約，從而盜取代幣，為了保證發(fā)送兌換交易的Proof的唯一性，Proof需要包含一個(gè)簽名，以比特幣為例，兌換者用比特幣區(qū)塊鏈里的交易信息的地址對(duì)應(yīng)公鑰對(duì)應(yīng)的私鑰對(duì)設(shè)定好的字符串進(jìn)行簽名，從而保證了Proof提交者就是兌換交易的交易者。該處的簽名與比特幣中的簽名原理一樣，但作用不同。

3.2 架構(gòu)評(píng)價(jià)

通過對(duì)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的描述，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）當(dāng)前民間的數(shù)字加密貨幣已經(jīng)形成規(guī)模，且流通區(qū)域廣，央行數(shù)字貨幣可以借助這個(gè)兌換系統(tǒng)達(dá)到全球流通的目的。

（2）央行數(shù)字貨幣通過數(shù)字代幣系統(tǒng)進(jìn)行兌換，在中心化的前提下，最大程度的保證了去中心化，且聯(lián)盟鏈可以保證交易吞吐量。

（3）該種兌換模式不需要現(xiàn)存的其他代幣進(jìn)行任何軟分叉和硬分叉來進(jìn)行兼容，適用性好。

（4）通過這種提供Proof來給智能合約進(jìn)行兌換的方式，從某種角度來說，打消了使用者對(duì)該種中心化央行代幣兌換模式的顧慮。

對(duì)比現(xiàn)存的區(qū)塊鏈領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的兌換方法，表現(xiàn)如表。

表2 方法對(duì)比

4 結(jié)語

綜上，本文在結(jié)合區(qū)塊鏈側(cè)鏈Proof方法提出了一種適用于中心化數(shù)字貨幣的兌換系統(tǒng)架構(gòu)，詳細(xì)介紹了架構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)本文提出的Proof關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了說明與論證，最后與現(xiàn)存的一些兌換方法相比較，本文的方法具有適應(yīng)性廣，支持中心化貨幣的特點(diǎn)。