錢仲文，顧 曄，陳甜妹，徐天天

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司物資分公司，杭州 310003）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的全球化發(fā)展，區(qū)塊鏈已被廣泛應(yīng)用于金融、醫(yī)療、供應(yīng)鏈、資產(chǎn)管理等各個領(lǐng)域[1]。作為一種新型的分布式賬本，與傳統(tǒng)的會計技術(shù)相比，區(qū)塊鏈具有分散、安全、防篡改等特點(diǎn)。然而，區(qū)塊鏈技術(shù)的固有屬性可能影響其在商業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展。受區(qū)塊大小和復(fù)雜驗(yàn)證過程的限制，交易效率不高；各種區(qū)塊鏈都是獨(dú)立開發(fā)的，導(dǎo)致區(qū)塊鏈之間缺乏數(shù)據(jù)交流和共享的機(jī)制，從而極大地限制了區(qū)塊鏈的發(fā)展空間[2]。為了促進(jìn)區(qū)塊鏈之間的協(xié)同運(yùn)作，迫切需要打破這種溝通障礙，研究可靠的跨鏈通信技術(shù)已成為區(qū)塊鏈技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

目前，國家電網(wǎng)有限公司（以下簡稱“國網(wǎng)”）所屬企業(yè)普遍采用了以聯(lián)盟鏈為主的區(qū)塊鏈技術(shù)，并且現(xiàn)有國網(wǎng)的跨鏈技術(shù)僅能滿足國網(wǎng)所屬企業(yè)之間的數(shù)據(jù)通信問題，即聯(lián)盟鏈之間的跨鏈通信[3]。在國網(wǎng)供應(yīng)鏈體系中與外部企業(yè)進(jìn)行物資采購交易時，往往需要面對與包括公鏈在內(nèi)的異構(gòu)區(qū)塊鏈之間的跨鏈價值交換問題，目前國網(wǎng)還沒有構(gòu)建出一套完整的兼容現(xiàn)有區(qū)塊鏈系統(tǒng)的異構(gòu)鏈跨鏈體系[4]。

跨鏈?zhǔn)鞘挂粭l區(qū)塊鏈上的代幣轉(zhuǎn)移到另一區(qū)塊鏈上，其本質(zhì)是價值交換?？珂湹囊饬x在于突破區(qū)塊鏈底層性能和功能的瓶頸，保障雙向信息和價值流通的準(zhǔn)確性和可靠性?？珂湙C(jī)制通常根據(jù)底層平臺技術(shù)是否同構(gòu)進(jìn)行分析：如果為同構(gòu)，則雙方的共識算法、安全機(jī)制、區(qū)塊生成和驗(yàn)證規(guī)則均一致，跨鏈機(jī)制相對簡單；如果為異構(gòu)，則通常需要第三方輔助實(shí)現(xiàn)，跨鏈機(jī)制相對復(fù)雜和普遍。迄今為止，主要的異構(gòu)跨鏈技術(shù)包括以下3 種：1）哈希鎖定（Hash-locking）；2）側(cè)鏈/中繼（Side Chain/Relay）；3）公證人機(jī)制（Notary Scheme）。哈希鎖定通過將資產(chǎn)鎖定一段時間并設(shè)置預(yù)測哈希值明文等解鎖條件實(shí)現(xiàn)公平交易，最早使用該技術(shù)的是比特幣閃電網(wǎng)絡(luò)[5]。哈希鎖定可以實(shí)現(xiàn)原子性的跨鏈交易，但其不適用于跨鏈資產(chǎn)可移植性和跨鏈智能合約[6-7]。公證人機(jī)制是引入一方或者多方可信的實(shí)體來做信用背書的跨鏈機(jī)制[8]，其實(shí)現(xiàn)最為簡單，主要形式有3 種：基于單個節(jié)點(diǎn)的單簽名公證人機(jī)制、基于多個節(jié)點(diǎn)組成公證人組的多簽名公證人機(jī)制、分布式簽名公證人機(jī)制。側(cè)鏈錨定主鏈，不僅可以分擔(dān)其壓力，也可以擴(kuò)展其性能，用于驗(yàn)證來自其他區(qū)塊鏈的交易。其中，側(cè)鏈支持資產(chǎn)的雙向錨定，具體由單一托管、聯(lián)合錨定、驅(qū)動鏈和SPV（簡單支付驗(yàn)證）錨定4 種模式組成。中繼模式則通過將原始代幣轉(zhuǎn)移到原始區(qū)塊鏈的多重簽名地址來將其鎖定，并通過簽名者投票來確定中繼鏈上發(fā)生的交易是否有效[9-10]。

目前，使用最為普遍的跨鏈技術(shù)是側(cè)鏈和中繼，而大部分的跨鏈項(xiàng)目核心目標(biāo)是解決區(qū)塊鏈的交易吞吐量和交易速度問題，即可拓展性問題?，F(xiàn)階段，比較主流的跨鏈項(xiàng)目有：1）波卡（Polkadot）是于2016 年提出的一種支持不同區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)的跨鏈平臺[11-12]，它提供了一個中繼鏈，鏈上存儲了所有與其相連接的平行且結(jié)構(gòu)化的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，并可以實(shí)現(xiàn)不同鏈合并的安全性以及去信任的跨鏈交易性。2）宇宙網(wǎng)絡(luò)（Cosmos）與波卡的設(shè)計思路有些類似，即通過中繼鏈（Hub）和平行鏈（Zone）實(shí)現(xiàn)跨鏈信息的傳輸，進(jìn)而構(gòu)建出一個異構(gòu)的跨鏈平臺[13-14]。Cosmos 采用了IBC（跨鏈交互協(xié)議）以實(shí)現(xiàn)平行鏈之間的跨鏈操作。Cosmos網(wǎng)絡(luò)如要鏈接其他的異構(gòu)鏈，則需要額外加入一個Bridge-Zone 轉(zhuǎn)接層，其作用是對異構(gòu)鏈的跨鏈交易進(jìn)行中轉(zhuǎn)，并對跨鏈信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)范化處理。3）Plasma 由于擴(kuò)展以太坊的TPS（交易處理系統(tǒng)）而被提出。與閃電網(wǎng)絡(luò)相似，Plasma是由一系列運(yùn)行在區(qū)塊鏈上的智能合約與側(cè)鏈間接交互來實(shí)現(xiàn)跨鏈，其優(yōu)勢在于可將主鏈上的交易轉(zhuǎn)移到側(cè)鏈（線下）執(zhí)行，主鏈只需記錄一段時間內(nèi)側(cè)鏈上執(zhí)行的結(jié)果，從而顯著提升了交易效率[15-16]。

綜上所述，與單個區(qū)塊鏈上的價值交換相比，基于跨鏈的價值交換面臨著如下的挑戰(zhàn)：1）如何提高可擴(kuò)展性來面對蓬勃發(fā)展的跨鏈網(wǎng)絡(luò)，緩解區(qū)塊鏈上待寫交易的擁塞；2）當(dāng)價值從一個區(qū)塊鏈被交換到另一個區(qū)塊鏈時，如何保證安全性；3）如何提高驗(yàn)證效率，以降低交易的延遲。

1 跨鏈價值交換機(jī)制

為了降低跨鏈通信時的交易延遲，提高區(qū)塊鏈的安全性和可擴(kuò)展性，本文提出一種適用于異構(gòu)鏈的跨鏈價值交換機(jī)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)國網(wǎng)總鏈與各省分公司和子公司，尤其是與外部企業(yè)鏈間的數(shù)據(jù)協(xié)同。本文所提的跨鏈價值交換機(jī)制框架如圖1 所示。

圖1 跨鏈價值交換機(jī)制框架

該機(jī)制具有如下兩大特點(diǎn)：首先，針對聯(lián)盟鏈和公鏈互聯(lián)的場景，提出了通過側(cè)鏈/中繼與哈希鎖定技術(shù)相結(jié)合的跨鏈機(jī)制，在保證價值交換原子性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)區(qū)塊鏈之間的高效數(shù)據(jù)互通；其次，分別設(shè)計了面向聯(lián)盟鏈側(cè)和公鏈側(cè)的智能合約和相應(yīng)的交易驗(yàn)證流程。

1.1 聯(lián)盟鏈到公鏈的跨鏈過程

聯(lián)盟鏈到公鏈的跨鏈過程主要包括價值在聯(lián)盟鏈側(cè)的鎖定以及在公鏈側(cè)的解鎖。以制造商和經(jīng)銷商所構(gòu)成的兩級供應(yīng)鏈為例，當(dāng)聯(lián)盟鏈上的經(jīng)銷商企業(yè)發(fā)送一筆價值給公鏈上的制造商企業(yè)，即向?qū)Ψ讲少從撑萎a(chǎn)品時，跨鏈過程如圖2 所示。

圖2 聯(lián)盟鏈到公鏈的跨鏈過程

具體步驟如下：

1）聯(lián)盟鏈側(cè)經(jīng)銷商發(fā)起跨鏈請求，經(jīng)智能合約驗(yàn)證后對價值進(jìn)行鎖定，并發(fā)起轉(zhuǎn)賬操作。

2）智能合約完成轉(zhuǎn)賬后對交易進(jìn)行記錄和簽名，再將該信息發(fā)送給經(jīng)銷商。

3）經(jīng)銷商將交易簽名信息發(fā)送給公鏈側(cè)的制造商，當(dāng)制造商收到該信息后發(fā)送交易提案并調(diào)用智能合約對該交易提案進(jìn)行驗(yàn)證和投票，并通過QSCC（查詢系統(tǒng)鏈碼）和橢圓曲線加密算法分別確認(rèn)聯(lián)盟鏈側(cè)的交易和簽名是否有效。

4）當(dāng)委員會驗(yàn)證并投票通過后，智能合約對上述請求進(jìn)行驗(yàn)證并實(shí)行價值解鎖，通過公鏈發(fā)幣賬戶向制造商轉(zhuǎn)賬，跨鏈過程結(jié)束。

1.2 聯(lián)盟鏈之間的跨鏈過程

聯(lián)盟鏈之間的跨鏈過程需要通過第三方企業(yè)進(jìn)行，中繼方可實(shí)現(xiàn)不同聯(lián)盟鏈上的制造商和經(jīng)銷商企業(yè)之間的價值交換，跨鏈過程如圖3 所示。

圖3 聯(lián)盟鏈之間的跨鏈過程

具體步驟如下：

1）聯(lián)盟鏈A 側(cè)的經(jīng)銷商通過哈斯算法生成哈希原值s 所對應(yīng)的哈希值h，并分別將s 和h 發(fā)送給制造商和第三方企業(yè)。

2）經(jīng)銷商向公鏈側(cè)的中繼節(jié)點(diǎn)第三方企業(yè)發(fā)起轉(zhuǎn)賬，并通過哈希鎖定實(shí)現(xiàn)價值鎖定，而第三方企業(yè)則需使用s 對價值進(jìn)行解鎖。

3）第三方企業(yè)收到h 之后向聯(lián)盟鏈B 側(cè)的制造商發(fā)起轉(zhuǎn)賬，并同樣通過哈希鎖定對價值進(jìn)行鎖定，而制造商則需通過s 進(jìn)行解鎖。

4）經(jīng)銷商完成解鎖后，第三方企業(yè)獲得s 并用其對制造商的轉(zhuǎn)賬進(jìn)行解鎖，跨鏈過程結(jié)束。

1.3 公鏈到聯(lián)盟鏈的跨鏈過程

公鏈到聯(lián)盟鏈的跨鏈過程主要包括價值在公鏈側(cè)的鎖定以及在聯(lián)盟鏈側(cè)的解鎖。當(dāng)公鏈上的經(jīng)銷商企業(yè)發(fā)送一筆價值給聯(lián)盟鏈上的制造商企業(yè)，即向?qū)Ψ讲少從撑萎a(chǎn)品時，跨鏈過程如圖4 所示。

圖4 公鏈到聯(lián)盟鏈之間的跨鏈過程

具體步驟如下：

1）公鏈側(cè)的經(jīng)銷商發(fā)起跨鏈請求，經(jīng)公鏈側(cè)智能合約驗(yàn)證后對價值進(jìn)行鎖定，并發(fā)起轉(zhuǎn)賬操作。

2）智能合約執(zhí)行轉(zhuǎn)賬操作并對交易進(jìn)行記錄和簽名，再將上述信息發(fā)送給經(jīng)銷商。

3）經(jīng)銷商將交易信息發(fā)送給聯(lián)盟側(cè)的制造商，制造商收到該信息后通過SPV（簡單支付驗(yàn)證）[17]和橢圓曲線加密算法分別對該交易和簽名進(jìn)行驗(yàn)證。

4）驗(yàn)證通過后制造商發(fā)起跨鏈請求，并繼續(xù)調(diào)用智能合約對上述請求進(jìn)行驗(yàn)證后對價值進(jìn)行解鎖，進(jìn)而聯(lián)盟鏈發(fā)幣賬戶向制造商轉(zhuǎn)賬，跨鏈過程結(jié)束。

1.4 基于多重驗(yàn)證的委員會機(jī)制

為了確保驗(yàn)證的公平性和準(zhǔn)確性，本文提出通過委員會選舉和投票的機(jī)制來獲得最終的驗(yàn)證結(jié)果，并為聯(lián)盟鏈側(cè)和公鏈側(cè)分別設(shè)計了不同類型的選舉機(jī)制。

在聯(lián)盟鏈側(cè)，本文提出由跨鏈價值交換的接收方選擇多個節(jié)點(diǎn)組成投票委員會，其具體過程如下：首先，接收方節(jié)點(diǎn)收到公鏈側(cè)的交易鎖定后，向智能合約發(fā)起請求；其次，通過背書策略指定的節(jié)點(diǎn)用戶組建基于該筆交易的委員會，并先后驗(yàn)證簽名和交易原則；最后，將驗(yàn)證路徑發(fā)送給委員會中的各個節(jié)點(diǎn)用戶進(jìn)行SPV 驗(yàn)證。

在公鏈側(cè)，本文提出所有節(jié)點(diǎn)均參與投票并選舉出委員會成員，而節(jié)點(diǎn)的投票權(quán)重則由所持有的代幣比例來決定。整個投票過程如下：首先，經(jīng)過多輪投票，每輪投票中系統(tǒng)統(tǒng)計節(jié)點(diǎn)的票數(shù)和排名，并根據(jù)投票結(jié)果選出得票率最高的前K 個節(jié)點(diǎn)來組建委員會。然后，隨機(jī)改變上述K 個節(jié)點(diǎn)的順序并再依次進(jìn)行信息驗(yàn)證和投票。

為確保投標(biāo)機(jī)制滿足一致性、可用性和容錯性等要求，當(dāng)聯(lián)盟鏈側(cè)和公鏈側(cè)對交易進(jìn)行驗(yàn)證時，驗(yàn)證結(jié)果在委員會中通過經(jīng)典的PBFT（實(shí)用拜占庭容錯）共識算法來產(chǎn)生。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了測試本文提出的跨鏈價值交換機(jī)制的效率和可擴(kuò)展性，本文設(shè)計了由以太坊和Hyperledger Fabric 實(shí)現(xiàn)的原型系統(tǒng)，并通過上述區(qū)塊鏈系統(tǒng)的公有網(wǎng)絡(luò)來模擬供應(yīng)鏈中異構(gòu)區(qū)塊鏈企業(yè)之間物資采購的支付流程。本文實(shí)驗(yàn)中計算機(jī)配置為處理器2.7GHz Intel Core i7，內(nèi)存16 GB，開發(fā)環(huán)境為Linux。

本文實(shí)驗(yàn)?zāi)M基于公鏈的經(jīng)銷商企業(yè)向基于聯(lián)盟鏈的國網(wǎng)制造商企業(yè)采購三批次不同型號電力設(shè)備產(chǎn)品這一支付過程。首先，由以太坊賬戶所在的客戶端發(fā)起跨鏈價值交換請求，并從以太坊 賬 戶 先 后 跨 出 562800INK，57000INK 和15000INK 至以太坊側(cè)合約賬戶實(shí)現(xiàn)鎖定。接著，當(dāng)接收到價值跨出交易提案后，聯(lián)盟鏈側(cè)對上述交易是否到賬進(jìn)行驗(yàn)證。若驗(yàn)證通過，則從聯(lián)盟鏈發(fā)幣賬戶執(zhí)行跨入交易至聯(lián)盟目標(biāo)賬戶，先后跨入562800INK，57000INK 和15000INK。

2.1 交易鎖定和解鎖的處理時間

為了驗(yàn)證本文提出的機(jī)制具有較好的可擴(kuò)展性（即交易的處理能力），在兩邊區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中模擬60 個節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)行價值交換。聯(lián)盟鏈側(cè)的耗時忽略不計。公鏈側(cè)價值鎖定的處理時間統(tǒng)計如圖5 所示?？梢钥吹?，鎖定交易時間基本處于90～115 s 區(qū)間內(nèi)，符合以太坊上交易的等待時間，并且實(shí)驗(yàn)中沒有出現(xiàn)因交易擁堵造成處理時間線性增長的情況。

圖5 鎖定交易時間

圖6 分別給出了基于不同投票輪數(shù)情況下在公鏈側(cè)進(jìn)行價值解鎖的處理時間統(tǒng)計?？梢钥吹剑寒?dāng)為兩輪投票時，交易處理時間基本在8～16 s 區(qū)間內(nèi)；當(dāng)為三輪投票時，交易處理時間基本在10～18 s 區(qū)間內(nèi)；當(dāng)為四輪投票時，交易時間基本在10～20 s 區(qū)間內(nèi)。上述3 種情況下，確認(rèn)交易的等待時間均保持在較低水平，其與投票輪數(shù)的關(guān)聯(lián)不大。

圖6 不同投票輪數(shù)下的解鎖交易時間對比

通過上述實(shí)驗(yàn)分析可以得出結(jié)論，本文機(jī)制中交易的鎖定和解鎖處理能力相較于傳統(tǒng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)具有較高的可擴(kuò)展性。

2.2 交易驗(yàn)證的處理時間

圖7 分別給出了基于不同投票輪數(shù)情況下在鎖定交易中多重驗(yàn)證機(jī)制所耗費(fèi)的時間?？梢钥吹剑寒?dāng)為兩輪投票時，多重驗(yàn)證所需的處理時間基本在22～32 s 區(qū)間內(nèi)；當(dāng)為三輪投票時，交易時間基本在30～42 s 區(qū)間內(nèi)；當(dāng)為四輪投票時，交易時間則基本在38～47 s 區(qū)間內(nèi)。因此可以得出結(jié)論，多種驗(yàn)證機(jī)制所耗費(fèi)的時間與投票輪數(shù)成正比。不過，即使經(jīng)過四輪投票，所耗費(fèi)的時間依然控制在可接受的范圍內(nèi)。

圖7 不同投票輪數(shù)下的多重驗(yàn)證機(jī)制所耗費(fèi)的時間對比

通過上述實(shí)驗(yàn)分析可以發(fā)現(xiàn)，投票輪數(shù)在四輪左右時已經(jīng)可以保證投票結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確率，并且耗費(fèi)的時間可在1 min 以內(nèi)。與傳統(tǒng)驗(yàn)證方式相比，本文提出的多重驗(yàn)證機(jī)制具有較高的驗(yàn)證效率。

3 結(jié)語

在國網(wǎng)的供應(yīng)鏈體系中，當(dāng)與外部企業(yè)進(jìn)行物資采購交易或者數(shù)據(jù)共享時通常需要解決與異構(gòu)區(qū)塊鏈之間的跨鏈通信問題。為此，本文設(shè)計了一種基于異構(gòu)鏈的跨鏈價值交換機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)國網(wǎng)各省分公司和子公司之間，以及與外部企業(yè)之間的鏈間數(shù)據(jù)協(xié)同。該機(jī)制結(jié)合了側(cè)鏈/中繼和哈希鎖定的連接機(jī)制，確保了跨鏈交易的原子性。本文還提出了基于委員會的多種驗(yàn)證機(jī)制，在保證驗(yàn)證結(jié)果安全性和可靠性的同時，提高了驗(yàn)證效率。

針對公鏈交易處理性能的局限性，下一步計劃研究如何提高公鏈交易處理能力。同時，為了使數(shù)據(jù)共享和價值交換更好地落地應(yīng)用，需要加入身份認(rèn)證機(jī)制來約束區(qū)塊鏈用戶的行為。