一種基于spider網(wǎng)絡(luò)的加密貨幣支付路由算法

◆黃志高

一種基于spider網(wǎng)絡(luò)的加密貨幣支付路由算法

◆黃志高

（泉州師范學(xué)院 福建 362000）

隨著比特幣和其他加密貨幣的使用日益增多，出現(xiàn)了許多加密貨幣的可伸縮性難題。一個(gè)很有前途的可伸縮性解決方案，以比特幣閃電網(wǎng)絡(luò)為例，使用雙向支付通道的網(wǎng)絡(luò)，允許雙方快速交易。然而，在這些網(wǎng)絡(luò)上高效地路由付款并不容易，因?yàn)楦犊钚枰业接凶銐蛸Y金的路徑，而且隨著時(shí)間的推移，渠道可能變得單向，阻礙通過這些網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步的交易。今天的支付渠道網(wǎng)絡(luò)通過試圖以比特原子傳遞所有的支付，加劇了這些問題。我們提出了Spider網(wǎng)絡(luò)以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，這是一種新的用于支付信道網(wǎng)絡(luò)的分組交換架構(gòu)。spider網(wǎng)絡(luò)將付款分割成事務(wù)單元，并在一段時(shí)間內(nèi)通過不同的路徑傳送。Spider路由器使用擁塞控制、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和不平衡感知路由來優(yōu)化支付的交易。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示spider網(wǎng)絡(luò)適度地提高了加密貨幣的支付運(yùn)算效率。

加密貨幣；閃電網(wǎng)絡(luò)；區(qū)塊鏈；spider網(wǎng)絡(luò)

1 前言

今天的加密貨幣交易吞吐量低和確認(rèn)時(shí)間慢[1]。比如比特幣算力集中化、交易吞吐量低、交易速度慢、確認(rèn)時(shí)間長(zhǎng)、交易費(fèi)用高以及難以與現(xiàn)有支付和金融系統(tǒng)集成等問題嚴(yán)重，需要幾十分鐘來確認(rèn)交易。相比之下，像Visa這樣的已建立的支付系統(tǒng)每秒可以處理數(shù)千筆交易。此外，高交易成本使當(dāng)前區(qū)塊鏈的微支付變得不切實(shí)際[2]。支付渠道網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)對(duì)這些可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)的主要方法。支付渠道是代管給定Alice資金的區(qū)塊鏈交易以便將來交易給特定收件人Bob，很像一張禮品卡，一旦Alice打開一個(gè)付款渠道給Bob，她可以反復(fù)和安全地轉(zhuǎn)移資金，而不用記錄區(qū)塊鏈上的每一筆交易。通過中間支付渠道路由付款，參與者在支付渠道網(wǎng)絡(luò)即使不共享直接支付渠道，也可以轉(zhuǎn)移資金。支付渠道網(wǎng)絡(luò)已被作為一種改變游戲規(guī)則的技術(shù)，具有多個(gè)正在開發(fā)中的實(shí)現(xiàn)方案（例如，比特幣閃電網(wǎng)絡(luò)[3]，以太坊的突襲網(wǎng)絡(luò)[4]）。支付渠道網(wǎng)絡(luò)傳輸加密貨幣，而不是數(shù)據(jù)，但是他們的設(shè)計(jì)給通信網(wǎng)絡(luò)帶來了一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的挑戰(zhàn)。首先，付款信道網(wǎng)絡(luò)需要有效的機(jī)制來查找路徑支付并保證高吞吐量和低延遲。實(shí)現(xiàn)高交易吞吐量尤其重要，而不必在支付渠道中代管大量資金。其次網(wǎng)絡(luò)必須為兩個(gè)最終用戶提供正確的激勵(lì)措施，以及低交易費(fèi)用，從路由付款中最大限度地提高他們的利潤(rùn)。此外應(yīng)確保用戶交易的隱私。在本文中，我們介紹了spider網(wǎng)絡(luò)，一種新的支付設(shè)計(jì)通道網(wǎng)絡(luò)。spider網(wǎng)絡(luò)使用兩個(gè)主要的想法來區(qū)分于現(xiàn)有的方法。首先，它使用數(shù)據(jù)包切換?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)嘗試在路徑上以比特原子方式發(fā)送足夠的資金來完全滿足付款，這種方法類似于電路切換。相比之下，spider網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送者將付款分解為交易單位，并在一段時(shí)間內(nèi)跨越不同的網(wǎng)絡(luò)路徑。spider網(wǎng)絡(luò)利用交易單位的擁堵控制和網(wǎng)內(nèi)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)支付渠道資金的高利用率，同時(shí)支持各種支付服務(wù)。spider網(wǎng)絡(luò)的第二個(gè)關(guān)鍵想法是不平衡的支付路由。路由的重要挑戰(zhàn)是，當(dāng)交易率較高時(shí)，支付渠道變得不平衡，支付更多款項(xiàng)的一方最終耗盡了資金，無法進(jìn)一步發(fā)送付款時(shí)，將新資金存入支付渠道上的區(qū)塊鏈。我們從第一原則分析費(fèi)率不平衡的路由約束，并實(shí)現(xiàn)最大付款吞吐量取屬性。與之前的路由支付方法相比，對(duì)于在網(wǎng)絡(luò)中流出的特定金額，單位時(shí)間完成的交易量增加了10-15%。在類似ISP的拓?fù)鋵W(xué)中，spider網(wǎng)絡(luò)在這兩種方法上都比經(jīng)典的最大流量方法好5-15%。

圖1 Alice和Bob之間的雙向支付渠道

2 背景介紹

雙向支付渠道允許發(fā)起人（Alice）將資金發(fā)送給接收方（Bob），反之亦然。為了打開一個(gè)支付渠道，Alice和Bob共同創(chuàng)建以固定金額代管資金的交易時(shí)間。假設(shè)現(xiàn)在Bob想轉(zhuǎn)移一個(gè)令牌給Alice，他送她一個(gè)加密簽名的消息斷言，此消息是比特區(qū)塊鏈；如果Alice想送兩個(gè)令牌給Bob，她送一個(gè)簽署消息給Bob批準(zhǔn)新的平衡。這種情況一直持續(xù)到一方?jīng)Q定關(guān)閉通道，在這一點(diǎn)上，他們發(fā)布最新的消息區(qū)塊鏈維護(hù)通道平衡。支付渠道網(wǎng)絡(luò)是雙向的集合付款渠道。如果Alice想發(fā)送三個(gè)令牌給Bob，她首先找到一個(gè)路徑Bob，可以支持三個(gè)付款令牌。路徑上的中間節(jié)點(diǎn)將中繼付款到目的地。為了防止貨幣攻擊，一個(gè)加密的哈希鎖確保所有中間交易發(fā)生在持有有效的私人密鑰的收件人之間。一旦Alice準(zhǔn)備付錢，她就把鑰匙給了Bob。他要么廣播（如果他決定關(guān)閉頻道）或者被激勵(lì)傳遞鑰給中間人，這樣他也可以得到報(bào)酬。

3 相關(guān)工作

首先，需要解決的重要問題是如何選擇交易路線。在比特幣閃電網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮绰方灰椎谋镜匾晥D。節(jié)點(diǎn)使用最短的路徑選擇路徑算法，一個(gè)重要的基準(zhǔn)是最大流量路由，它使用分布式福特-福爾克森算法，以找到源目的地路徑，支持每筆交易的最大交易量。如果此卷超過交易價(jià)值，交易成功。最大流量路由是吞吐量和交易成功率，但它有高開銷，需要用O（|V |?|E|2）計(jì)算每筆交易，其中|V |和|E|分別是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和邊緣數(shù)。目前，比特幣閃電網(wǎng)絡(luò)有1000個(gè)節(jié)點(diǎn)和10，000個(gè)信道，計(jì)算開銷非常大。

圖2 路徑（Alice，Charlie，Bob）支持3個(gè)令牌

在地標(biāo)路由中，選擇路由器（地標(biāo)）存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)其余部分的路由表，節(jié)點(diǎn)只需將交易路由到地標(biāo)。此方法用于分組封裝器，它交易把分裂在多個(gè)路徑中，嵌入基于距離的路由會(huì)學(xué)習(xí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的矢量嵌入，從而在網(wǎng)絡(luò)中接近的節(jié)點(diǎn)嵌入原子。每個(gè)節(jié)點(diǎn)將每個(gè)交易中繼嵌入到最接近目的地的鄰居結(jié)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)更新嵌入和鏈接平衡變化是這些方法的主要挑戰(zhàn)。與之前工作的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別是，spider 通過首選路線積極計(jì)算通道不平衡的成本重新平衡渠道。渠道不平衡的問題受到越來越多的關(guān)注，定期選擇決策原子來計(jì)算再平衡交易。spider網(wǎng)絡(luò)明確將其納入路由算法。

4 架構(gòu)

在當(dāng)前的支付渠道網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)件人首先找到一個(gè)或更多的有足夠的資金的路徑，以充分滿足付款需求，然后只通過在每個(gè)路徑上發(fā)送一個(gè)事務(wù)來傳輸它。此方法類似于電路切換并有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，它使難以支持大額付款。其次，它加劇了支付方面的不平衡渠道。大額交易會(huì)耗盡支付渠道一側(cè)的資金，資金用完的一方不能發(fā)送更多的付款，直到它要么通過區(qū)塊鏈交易補(bǔ)充資金。spider網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)數(shù)據(jù)包切換的支付通道網(wǎng)絡(luò)，可以解決這些問題。

4.1 spider網(wǎng)絡(luò)主機(jī)

spider網(wǎng)絡(luò)主機(jī)運(yùn)行在傳輸層，為應(yīng)用程序發(fā)送和接收付款提供標(biāo)準(zhǔn)接口。設(shè)想以信息為導(dǎo)向的傳輸，而不是像TCP 這樣的以流為導(dǎo)向的傳輸。要發(fā)送付款，應(yīng)用程序指定目的地地址，運(yùn)輸為比特原子和非比特原子支付提供接口。通過支付渠道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的交易被加密哈希洛克鎖定，其私人密鑰僅對(duì)發(fā)件人可知。實(shí)施非原子付款，發(fā)件人只需等待從接收方確認(rèn)，她已經(jīng)收到了一個(gè)交易單位（由付款I(lǐng)D和序列號(hào)），然后才發(fā)送密鑰。spider網(wǎng)絡(luò)與原子多路徑支付（AMP）兼容。AMP將付款拆分到多個(gè)路徑上，并獲取密鑰，所有支付交易由使用者秘密共享，它確保接收器不會(huì)被黑客解鎖。

圖3 路由器排隊(duì)交易優(yōu)先和可用容量

4.2 spider網(wǎng)絡(luò)路由器

spider網(wǎng)絡(luò)路由器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)交易單元到預(yù)期的接收器。現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，如閃電網(wǎng)絡(luò)使用洋蔥路由來確保用戶付款的隱私。spider網(wǎng)絡(luò)路由器可以使用類似的機(jī)制為每個(gè)交易單位提供隱私。

spider網(wǎng)絡(luò)路由器在缺少交易單位時(shí)會(huì)排隊(duì)立即發(fā)送資金。如果交易平均需要?秒確認(rèn)，總資金c的支付渠道可以支持凈值不超過c/?。spider網(wǎng)絡(luò)路由器交易單元的排隊(duì)可能會(huì)導(dǎo)致增加一些付款的延遲。但是，路由器可以通過根據(jù)付款要求（如截止日期或路由費(fèi)用優(yōu)先級(jí)）提供不同類型的服務(wù)。

圖4 兩種不同的平衡路由的示例方案

5 初步評(píng)估

5.1 設(shè)置模擬器

本文修改了現(xiàn)有的付款通道網(wǎng)絡(luò)模擬器，以模擬交易達(dá)成和完成事件。如果資金在所需的路徑上可用，則路由算法成功的付款，導(dǎo)致延遲 0.5 秒向接收方提供資金。模擬器支持非原子支付通過全球待付款隊(duì)列。隊(duì)列是定期的調(diào)查，看看交易是否可以進(jìn)一步執(zhí)行。根據(jù)調(diào)度算法安排，我們將實(shí)施網(wǎng)絡(luò)內(nèi)隊(duì)列和費(fèi)率控制進(jìn)行卷積運(yùn)算并評(píng)估了兩種不同拓?fù)洌篒SP拓?fù)浜驮甲訄D波紋的拓?fù)洹，F(xiàn)有的貨幣兌換網(wǎng)絡(luò)在XRP中交易。ISP拓?fù)溆?2個(gè)節(jié)點(diǎn)和152 邊緣。對(duì)于 ISP 拓?fù)洌覀兩闪?00，000筆交易，在刪除后從 Ripple 數(shù)據(jù)中采樣了最大的10%的交易。平均交易規(guī)模數(shù)據(jù)集為170 XRP，最大尺寸為1780XRP。在采樣接收器時(shí)，從節(jié)點(diǎn)的指數(shù)分布中對(duì)每筆交易的發(fā)起人進(jìn)行統(tǒng)一隨機(jī)采樣。所有圖形邊緣都給予相同的容量，在10000 XRP到100000 XRP范圍內(nèi)進(jìn)行鏈接實(shí)驗(yàn)。我們還使用了來自 Ripple 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)（從2013年1月份開始）。原始數(shù)據(jù)集有90，000 個(gè)節(jié)點(diǎn)和330，000個(gè)節(jié)點(diǎn)邊緣。

生成的最大組件有3774個(gè)節(jié)點(diǎn)和12512個(gè)邊緣。原始數(shù)據(jù)集中的75，000 筆交易，在此子圖的節(jié)點(diǎn)之間有一個(gè)平均大小345 XRP 最大尺寸為2892 XRP的鏈接容量。因此，我們?cè)O(shè)置相關(guān)參數(shù)并將Ripple圖中的鏈接容量降低到30000。我們?cè)u(píng)估了SpeedyMurmurs惠斯珀斯系數(shù)和最大流量路由。

圖5 ISP拓?fù)浜驮甲訄D波紋拓?fù)?/p>

5.2 結(jié)論

我們可以看到，將付款拆分為交易單位并根據(jù)SRPT安排，提供了一個(gè)最短的路徑路由方案，成功率比惠斯珀斯提高10%。雖然Max-flow 表現(xiàn)良好，每筆交易的間接費(fèi)用都很高，相比之下，spider網(wǎng)絡(luò)能夠利用不平衡的TCN在內(nèi)部執(zhí)行5%的最大流量。

圖6 增加容量對(duì)成功率的影響

spider網(wǎng)絡(luò)（LP）取得了成功的卷積率。ISP 和波紋分別占 52% 和 22%。這兩種情況都與付款圖的流通部分精確對(duì)應(yīng)。這是因?yàn)?Spider（LP）使用需求矩陣的估計(jì)值在模擬的持續(xù)時(shí)間內(nèi)做出決策。雖然這種方法有效固定交易達(dá)成模式（如 ISP 拓?fù)洌鼘?duì)波紋網(wǎng)絡(luò)不起作用，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，流量需求會(huì)有所不同。此外，LP向所有人分配零流量。不出所料，隨著容量的增加，更多的交易開始成功。成功交易的總量也有所增加。此外實(shí)現(xiàn)一定的成功量或成功率，spider網(wǎng)絡(luò)需要鎖定的資本金額遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于需要投資于任何其他方案。spider網(wǎng)絡(luò)（LP）對(duì)容量變化不太敏感，因?yàn)樗芨玫乇苊馊萘渴Ш狻?/p>

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2018年福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目“基于模擬登錄的微博數(shù)據(jù)采集方案”（項(xiàng)目編號(hào)：JT180381）