[发明专利]一种有向无环图结构区块链的共识机制架构及其方法

说明书

本发明涉及一种有向无环图结构区块链的共识机制架构及其方法，属于区块链技术领域。本发明首次提出了一种全新的区块DAG分叉模型，将区块DAG优化为分成网状结构，为区块DAG的排序提供了极大便利。通过对该模型进行分析，证明其具有高交易吞吐量的特征，且具有优良的扩展性。首次提出了一种基于区块DAG分叉模型的区块DAG分层排序算法，通过对DAG分层来对区块进行排序，从而消除了恶意节点伪造的区块和双花攻击对系统的影响，具有高效且稳定的优良特性。首次提出了一种针对区块有向无环图的共识机制，将区块DAG中的共识问题转化为区块链中的共识问题，并使用已经成熟的区块链中的共识机制，解决了区块DAG中的共识问题。

技术领域

本发明涉及一种有向无环图结构区块链的共识机制架构及其方法，属于区块链技术领域。

背景技术

在传统区块链中，当一个新的区块产生时，新的区块通常使用一个哈希指针来指向其父区块。所有的区块按照这种形式依次链接，形成一个以链式结构为主的区块链系统。简单的链式结构能够带来很多好处。每个区块的哈希值在其子区块中都有所体现，从而赋予了区块链防篡改的优良特性。此外，链式结构使区块之间具有明确的先后顺序，这为排除交易的冲突以及抵抗“双花攻击”带来了很大便利。

但是，单链结构存在着明显的局限性。具体而言，单链区块链网络一次只能接受一个区块，大大限制了区块链系统的交易吞吐率和系统扩展性。同时，孤块的产生也造成了算力的浪费。例如，在比特币系统中采用最长链共识，导致区块链分叉时产生大量的孤块，产生这些孤块同样需要耗费大量的算力。比特币系统本身已经因为POW共识需要消耗大量算力而广被诟病，进一步在孤块上浪费算力，则更加无法接受。

同时，单链结构的最长链共识也给区块链系统带来了如“自私挖矿”攻击这样的风险。

此外，为了尽量减少单链系统中产生分叉，在各种区块链网络中都设置了一定的区块时间来保证一个区块可以尽量传播到网络中的每一个节点处，这又导致了系统吞吐量大打折扣。例如，比特币中的区块时间为10分钟，也就是说比特币系统10分钟只能接受一个区块，而一个区块中的交易个数十分有限，如果扩大一个区块的容量，使其容纳更多的交易，则区块时间也需要随之增长。

由此可见，单链结构自身的缺陷，是传统区块链系统交易吞吐率地和系统扩展性差的根本原因。

为了解除单链结构对于区块链系统的限制，技术人员不断探索解决方法。2015年，Sergio Demian Lerner et al首次提出了DAG-Chain概念，提出使用DAG结构(DirectedAcyclic Graph，DAG，有向无环图)用于交易记录，每笔交易直接参与全网的交易排序。显然，使用DAG结构替代链式结构，从区块链的底层拓扑结构上对其进行改进更有效。将DAG结构作为网状结构，相比于链式结构具有天然的分叉优势，区块DAG的交易吞吐率和系统扩展性必然会由于传统的区块链系统。

但是，区块DAG技术仍然存在一些难以解决的关键问题。

首先，由于DAG结构本身的弊端，导致区块之间不具有明确的先后顺序。在单链中系统中，两个块之间不存在相对排序的问题，因为每个区块都是线性排列且有明确的父级。而在区块DAG中，只能确定某个区块子集的相对排序，其他排序是不确定的，这种叫做部分排序，在区块链中完全不能接受。区块顺序的不确定性，导致区块DAG系统在面对双花攻击时更加脆弱。因此，必须设计一种用于区块DAG的全局排序算法。

此外，由于区块DAG底层为网络结构，在实现共识时，相比于链式结构需要面临更多的困难。例如，分叉的普遍存在放大了网络时延对共识机制造成的影响。在区块DAG系统中、在同样的区块时间内，区块DAG要产生数倍于区块链的区块，这就需要保证每个节点生成的区块之间存在差异性，而不是涵盖相似交易的区块。因此，为区块DAG设计一个共识算法也成为需要解决的关键问题之一。

为了能够同时满足区块DAG对于交易排序和系统共识的需求，必须设计一种合适的区块DAG共识机制。

发明内容