1.本发明涉及一种基于异步共识和中继链机制的联盟链跨链方法，属于计算机系统信息交互技术领域。
背景技术：2.区块链是一个具有交易记录的去中心化透明账本，连接到该系统的每个节点都可以对数据进行更新和监控，而实际上没有人拥有或控制整个系统。同时，区块链也可以看作是一种新型的去中心化体系结构和分布式计算方案，它利用加密的类块数据结构来验证和存储数据。
3.区块链技术作为一种新兴的技术体系和基础架构，已经被广泛应用于社会生产生活的众多领域。其中，区块链系统在金融领域取得的成绩最令人瞩目。自比特币诞生以来，众多的虚拟加密货币涌入了金融市场，极大地激活了相关金融业务和产业发展，为全世界提供了前所未有的金融解决方案。同时，也激发了类似去中心化交易所和去中戏化应用等下一代互联网技术和业态。
4.然而，由于区块链系统在架构、共识、网络等方面存在差异，不同区块链之间难以实现信息交换或价值转移，这极大限制了区块链技术的应用和发展。特别是在金融和信息领域，孤立的区块链系统背阻碍了价值和信息在各个主体之间的顺利流通。此外，不同应用场景采用的区块链系统也不同，这些链可能应用于不同的领域，也可能具有不同的运行机制，而不同区块链存储的区块信息之间的隔离不可避免地造成区块链的价值“孤岛”效应。
5.目前，区块链系统面临的两个痛点问题包括：
6.1.互操作性。指在不同区块链系统之间传递值，并验证它们的状态或事件。现有的跨链技术基本上通过跨链智能合约实现互操作。
7.2.可扩展性。不同区块链的交互提高了区块链系统的可扩展性，但随着跨链规模的扩大，系统性能可能会下降。
8.为解决上述问题，跨链技术应运而生。该技术是构建交互式多区块链系统的一种选择。现有的跨链方式主要有以下几种：
9.1.公证人机制。即引入一方或多方可信的中心化实体做信用背书的跨链机制。公证人机制是技术上可实现的、最简单的跨链机制。早期的跨链项目多数采取这样的方式。该机制的显著优点是能够通过简单的方式实现跨链，并支持不同结构的区块链跨链，仅要求公证人能访问双方链上的信息。
10.但是，由于公证人机制需要对公证人有足够的信任，对于单节点公证人机制有很大的中心化风险。
11.2.哈希锁定机制。该机制利用了哈希函数的低碰撞特性以及区块链交易的延迟执行的特点，通过交易双方设置哈希谜题，进而实现的跨链机制。同时，借助哈希函数的特性，可以保证交易信息的真实性。
12.但是，由于该机制的设计原则，导致只能在少数链和少数业务中使用，限制了其大
范围应用。
13.3.中继链机制。即通过引入其他的区块链系统来负责进行交易收集、背书和转发。由于中间链系统也采用区块链系统作为交易中心，利用其去中心化和不可篡改的特性避免了公证人机制中容易出现的中心化风险。也可以将交易的验证和背书工作委托到中继链上进行，有助于提升区块链系统的整体性能和吞吐率。同时，由于中继链机制多数使用智能合约实现，提供了远超哈希锁定机制的灵活性，可以应用在多种不同的场景中。
14.但是，该跨链实现方式复杂，开发难度大，并且在一定程度上依赖于自身的一套跨链协议，对异构链的接入存在一定困难。
15.在传统的中继链跨链机制中，绝大多数情况采用的共识机制是基于实用拜占庭容错演化而来的同步共识机制。这样的共识机制具有较高的成熟度和稳定性，已经被广泛应用多种区块链平台，可以保证系统的正确性和有效性。但是，由于同步共识机制以来于网络的同步时间假设，且多数情况下，实际网络环境无法保证完全的同步性。因此，为了保证同步共识机制的正常运行，现有的区块链系统需要对系统的时间假设和超时控制进行针对性地设计。但是，在同步假设和其他限制的影响下，现有的中继链跨链系统的稳定性和可扩展性受到了很大的挑战，在大规模异步网络环境中，其性能和可扩展性无法取得重大提升。
技术实现要素：16.本发明的目的是针对现有的跨链系统存在较大的稳定性和可扩展性的问题，无法满足日益增长的跨链应用需求，创新性地提出一种基于异步共识和中继链机制的联盟链跨链方法。
17.首先对本发明涉及的内容进行说明。
18.应用链：指作为服务使用者参与系统的多种联盟区块链系统，其通过调用中继链提供的服务，完成其跨链需求。包括来源应用链和目的应用链。
19.中继链：指作为服务提供者保障系统的核心区块链系统，其通过接受应用链的服务请求，通过其内部的共识和路由完成对相应区块链的跨链服务。
20.发言人节点：是指位于应用链内部，由应用链自身选举或授权而产生的特殊应用链节点，其通过接受应用链内部的跨链请求，并将相关请求按照设定规则进行打包后，发送给中继链中的对应节点，完成跨链请求的发送。同时，通过接受中继链中的对应节点返回的跨链相应，并按照相应规则将其解包，再发送回应用链对应节点，完成跨链操作。
21.邮递员节点：是指位于中继链内部，由应用链指派或授权而产生的特殊中继链节点。其通过接受由来源应用链发来的跨链请求，解析请求内容，并在经过验证和共识后，通过目标应用链对应的邮递员节点，将跨链请求发送至目标应用链；同时接受从目标应用链返回的跨链响应，解析响应内容，并在经过验证和共识后，通过来源应用链对应的邮递员节点，将跨链响应返回至来源应用链。
22.通信隧道：是指位于对应的发言人节点和邮递员节点之间的逻辑通信通道。该隧道可以通过多种技术手段实现，以保证发言人节点和邮递员节点之间顺利进行消息传输。
23.异步共识：是指部署于中继链上，通过随机化算法实现的一种异步共识协议。能够对中继链上产生的跨链请求和跨链响应进行验证和背书，以保证系统的去中心化、不可篡改和可信等关键特性。
24.为达到上述目的。本发明采取如下技术方案。
25.一种基于异步共识和中继链机制的联盟链跨链方法，采用中继链机制和异步共识机制实现。
26.首先，跨链请求生成与发送。跨链请求包括完成跨链交易所需的一切必要信息。跨链请求首先被来源应用链中的发言人节点捕获。发言人节点对跨链请求进行封装、签名和加密，以确保跨链交易的保密性与完整性。之后，发言人节点通过特定的通信隧道，将跨链请求包发送给中继链中对应的邮递员节点。
27.然后，跨链请求验证与背书。中继链在接收到来源应用链发言人节点发送的跨链请求包后，首先对请求包进行解析和验证。当请求包被正确解析和验证之后，对跨链请求进行共识和背书。
28.最后，跨链响应生成与返回。
29.有益效果
30.本发明，与现有技术相比，具有如下有益效果：
31.1.本发明具有较好的可扩展性。同采用公证人机制或哈希锁定机制的跨链手段相比，本发明采用了中继链机制，可以最大限度地满足多种多数的区块链系统加入跨链系统，进而进行跨链交易。
32.2.本发明具有较好的稳定性。同采用同步共识机制的传统跨链手段相比，本发明采用了异步共识机制，可以在复杂、异步、大规模网络环境中提供较好的稳定性，有效避免了在传统手段中因同步假设被破坏进而导致的系统阻塞或交易失败等问题。
33.3.本发明具有较好的性能。同采用同步共识机制的传统跨链手段相比，本发明采用了异步共识机制，可以在大量区块链系统加入跨链系统后保证性能不会出现显著下降，有效避免了在传统手段中因加入区块链系统数量过多而引起的跨链系统性能骤降的问题。
附图说明
34.图1为本发明方法的示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明方法的具体实施过程做详细说明。所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.如图1所示，一种基于异步共识和中继链机制的联盟链跨链方法，包括以下步骤：
37.步骤1：跨链请求生成与发送。
38.来源应用链通过调用智能合约，发起所需的跨链请求。
39.所述跨链请求包括完成跨链交易所需的一切必要信息。跨链请求首先被来源应用链中的发言人节点捕获。发言人节点对跨链请求进行封装、签名和加密，以确保跨链交易的保密性与完整性。之后，发言人节点通过特定的通信隧道，将跨链请求包发送给中继链中对应的邮递员节点。
40.步骤2：跨链请求验证与背书。
41.具体地，包括以下步骤：
42.步骤2.1：中继链在接收到来源应用链发言人节点发送的跨链请求包后，首先对请求包进行解析和验证。
43.所述解析，是将包中序列化的内容按照预定的规则进行反序列化(若请求包被加密，则还需要进行解密过程)，将包中各个字段的内容提取出来。同时，在反序列化之后，要对包中包含的数字签名进行验证，以确保该请求包的正确性和合法性。
44.步骤2.2：当请求包被正确解析和验证之后，对跨链请求进行共识和背书。
45.该过程在中继链的所有邮递员节点之间展开，这些节点共同完成异步共识协议，以对该跨链请求进行背书和上链。
46.在执行背书流程时，邮递员节点通过来源应用链提供的验证接口来验证跨链请求的正确性，进而验证跨链请求中包含交易数据的一致性和合法性。
47.步骤3：跨链响应生成与返回。
48.当中继链完成对跨链请求的验证和背书工作后，把背书之后的跨链请求再次打包封装，并发送给目的应用链的发言人节点。目的应用链的发言人节点将验证请求的背书状态，若合法则执行请求中对应的跨链交易，并根据交易结果生成对应的跨链响应。目的应用链将通过类似的流程将跨链响应封装成包，并通过目的应用链对应的发言人节点将响应包发送给中继链上目的应用链对应的邮递员节点。邮递员节点在接收到跨链响应包后，会执行同跨链请求包相通的过程，最终将跨链响应返回给来源应用链，完成一次跨链操作。
49.实施例
50.具体地，本实施例详细阐述了在区块链驱动的数字身份场景下的身份颁发、交互和认证过程，描述了在教育领域中，学位信息在不同学校和机构之间的转移和认证这一常见的业务需求。
51.设在教育系统中存在一个大学a和大学b，且这两个大学都采用了基于区块链系统的去中心化数字学位证书系统，但这两个系统在区块链基础设施上存在较大差异。
52.为了实现两校之间的学位学分互认，方便学生在两校之间的交流学习和升学进修，两校之间通过实施本发明所述的基于异步共识和中继链机制的联盟链跨链方法，进而实现上述需求。
53.设学生张三，是一位毕业于大学a的本科学生，其希望申请大学b的研究生课程，则需要张三提供大学a的毕业证书和文凭。
54.首先，两校需要分别在各自的区块链系统以及中继链系统中，选举或指派代表其自身的发言人节点和邮递员节点，以进行后续的跨链信息传输。
55.其中，大学a的去中心化数字学位证书系统将把张三的学位认证信息通过大学a对应的发言人节点，进行封装和打包，生成跨链请求包，并通过同中继链建立的通信隧道发送给中继链中对应的邮递员节点。
56.邮递员节点在接收到跨链请求包后，会进行解析请求包并通过密码学手段验证其完整性。在解析完成后，该跨链请求将会在整个中继链上所有的邮递员节点之间通过异步共识算法进行验证和背书，以证实该学位认证信息的正确性和有效性。
57.在背书完成之后，大学b对应的邮递员节点将会把背书后的跨链请求通过相应的通信隧道发送给大学b的发言人节点。
58.大学b在接收到跨链请求后，将会验证该学位信息是否经过了中继链的背书，若验证成功，大学b将会承认张三在大学a中的本科文凭，并通过类似的方式发送回执给大学a。
技术特征：1.一种基于异步共识和中继链机制的联盟链跨链方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：跨链请求生成与发送；其中，来源应用链通过调用智能合约发起所需的跨链请求，跨链请求包括完成跨链交易所需的一切必要信息；跨链请求首先被来源应用链中的发言人节点捕获，发言人节点对跨链请求进行封装、签名和加密，以确保跨链交易的保密性与完整性；之后，发言人节点通过特定的通信隧道，将跨链请求包发送给中继链中对应的邮递员节点；步骤2：跨链请求验证与背书；步骤2.1：中继链在接收到来源应用链发言人节点发送的跨链请求包后，首先对请求包进行解析和验证；所述解析，是将包中序列化的内容按照预定的规则进行反序列化，将包中各个字段的内容提取出来；若请求包被加密，则还需进行解密过程；在反序列化之后，要对包中包含的数字签名进行验证，以确保该请求包的正确性和合法性；步骤2.2：当请求包被正确解析和验证之后，对跨链请求进行共识和背书；步骤3：跨链响应生成与返回；当中继链完成对跨链请求的验证和背书工作后，把背书之后的跨链请求再次打包封装，并发送给目的应用链的发言人节点；目的应用链的发言人节点将验证请求的背书状态，若合法则执行请求中对应的跨链交易，并根据交易结果生成对应的跨链响应；目的应用链将跨链响应封装成包，并通过目的应用链对应的发言人节点将响应包发送给中继链上目的应用链对应的邮递员节点；邮递员节点在接收到跨链响应包后，执行同跨链请求包相通的过程，最终将跨链响应返回给来源应用链，完成一次跨链操作。2.如权利要求1所述的一种基于异步共识和中继链机制的联盟链跨链方法，其特征在于，步骤2.2对跨链请求进行共识和背书，是在中继链的所有邮递员节点之间展开，由这些节点共同完成异步共识协议，以对该跨链请求进行背书和上链；在执行背书流程时，邮递员节点通过来源应用链提供的验证接口来验证跨链请求的正确性，进而验证跨链请求中包含交易数据的一致性和合法性。
技术总结本发明涉及一种基于异步共识和中继链机制的联盟链跨链方法，属于区块链技术领域。首先生成跨链请求，跨链请求包括完成跨链交易所需的必要信息。跨链请求首先被来源应用链中的发言人节点捕获。发言人节点对跨链请求进行封装、签名和加密，以确保跨链交易的保密性与完整性。之后，发言人节点通过特定的通信隧道，将跨链请求包发送给中继链中对应的邮递员节点。中继链在接收到来源应用链发言人节点发送的跨链请求包后，先对请求包进行解析和验证，当请求包被正确解析和验证之后，对跨链请求进行共识和背书。最后，实现跨链响应生成与返回。本发明具有较好的可扩展性、稳定性，有效避免了因加入区块链系统数量过多而引起的跨链系统性能骤降的问题。性能骤降的问题。性能骤降的问题。
技术研发人员：盖珂珂 谢天庥 张少博 祝烈煌
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.05.23
技术公布日：2022/11/1
