动态组链中的树链塔链环链技术模型研究

动态组链中的树链塔链环链技术模型研究

徐银海，侯建树，陈长硕，唐鹏，王少卓

上海汉邦京泰数码技术有限公司，上海200082；

摘要：随着区块链技术的发展，动态组链成为了一个重要的研究方向。本论文对区块链中的树链、塔链、环链等技术模型进行了归纳及论述。并结合审计技术，设计了一套基于审计管控的实时动态组链组网方法，可临时或永久的动态调整节点/链形成新的区块链网络，此方法能够有效提高系统的性能和可扩展性。

关键词：区块链；动态组链；树链；塔链；环链

1.引言

随着区块链技术高速发展，通过区块链自身的泛中心化、多方参与的共识机制、不可篡改的分布式账本和自动执行的智能合约等特性，为政务、金融、供应链管理、医疗保健、物联网等众多领域带来了巨大的变革。然而，传统的区块链网络在每次状态的更新都需要得到全网多数节点的确认，形成共识，并向各节点广播实现账本的全网同步，因此网络中参与的节点越多则交易确认的速度越慢[1]，严重制约着区块链的性能。并且随着区块链领域的生态系统日益多样化，不同的区块链网络期望能够数据共享共用，同样带来了高效动态组链需求和数据隐私安全问题。

本文提出树链、塔链和环链的区块链技术模型，设计基于审计管控的实时动态组链组网方法，可临时或永久的动态调整节点/链形成新的区块链网络，可解决现有区块链网络的瓶颈和不足，以满足不断增长的应用需求，提高性能、灵活性、隐私性和安全性，并促进区块链网络之间的互操作性。本研究有望推动区块链技术的发展，并促使其在更广泛的领域中得到应用。

2.树链模型

2.1树链概述

树链是一种由上级节点和其下属的多个节点组成的树形业务链架构，核心思想是使用树状数据结构来组织区块链数据。类似于二叉树或多叉树，根节点顶层节点，所有的分支节点都由根节点衍生而来，每个节点可以向其父节点发送数据，并且通过共识算法来选择下一个区块的生成者。这种结构使得数据的存储和检索更为高效，也可以有效地分隔数据，使得数据访问和验证更加高效。参考模型如下：

树链模型

2.2树链特点

树链模型旨在解决传统区块链网络在可拓展性和性能方面所面临的挑战。其设计原则和结构使其具有显著的特点。特点如下：

①分层数据结构：树链采用树状数据结构，每个业务链下有多个子业务链，子业务链下有更多的子业务链。与传统区块链相比，树链允许管理人员根据实际场景需求动态添加/删除业务链，提高了区块链可拓展性。

②更快的确认时间：由于树链的分层结构和动态性，交易的确认时间通常较短。用户可以更快地验证交易，提高了整个网络的响应速度。

③子链交互：树链中不同的子链可以相互交互和通信，有助于跨链交易和数据传输。这种交互性促进了区块链生态系统的互操作性。

综合而言，树链技术模型通过其分层数据结构、动态组链、高效的共识机制和子链交互等特点，为区块链网络带来了显著的可拓展性和性能优势。这些优势使得树链成为解决现有区块链网络可拓展性和性能瓶颈的有力工具，并在各种应用场景中具有广泛的潜力，从物联网到金融领域。因此，树链为区块链技术的未来发展提供了重要的方向和解决方案

2.3树链应用场景

树链（Tree Chains）技术模型具有广泛的应用潜力，可以在多个领域中提供解决方案。比如物联网领域涉及大量设备和传感器生成的数据，树链的可拓展性和分层结构可适用于管理和验证物联网设备之间的数据交换。金融领域需要不同区块链之间的互操作性， 树链支持不同子链之间的交互和通信，为解决跨链交易和资产转移的问题提供了解决方案。树链可以用于支持智能合同和分布式应用程序的开发，其高性能和动态组链特性使其在处理分布式应用的交易和逻辑时表现出色。供应链领域将信息流、资金流、物流、商流四流合一并转移到区块链平台进行协同管理，成功实现了成本与风险的“双降”[2]。

3.塔链模型

3.1塔链概述

塔链（Tower Chain）的核心思想是将区块链节点账本中的数据存储和处理分离开来，并通过层级结构将不同的节点组织在一起。主链作为中心承担着整个系统的管理工作，分链即负责存储和处理特定的数据，同时也负责各自节点的管理。分链可以看作是主链的子链，每个分片链都可以有自己的共识算法和规则。这种结构使得每个分片链可以独立运行，并且能够处理更多的事务。塔链解决了传统区块链系统的可扩展性和隐私性等问题，为区块链技术的广泛应用提供了更好的基础和支持。参考模型如下：

塔链模型

3.2塔链的特点

混合共识机制： 塔链通常采用混合的共识机制，结合了包括工作量证明（PoW）和权益证明（PoS）等各类共识机制。这种混合机制旨在平衡网络的安全性和性能。

动态节点管理：塔链允许在管理中心允许下节点动态加入和退出网络。这种泛中心化的节点管理方式增加了网络的灵活性和适应性。新节点在接入区块链网络后，通过管理中心告知其他节点，即可参与后续的共识过程，而不会对网络的稳定性产生负面影响。

安全性：塔链的设计考虑了网络的安全性，采用了混合共识机制和快速区块生成，有助于减少潜在的攻击和欺诈行为。网络的整体安全性得到增强。

跨链互操作性： 塔链通常支持跨链互操作性，使不同链之间可以进行交互和数据传输。这为解决跨链交易和数据共享的问题提供了解决方案，促进了区块链生态系统的互通性和扩展性。

3.3塔链应用场景

塔链的应用场景广泛，适用于金融、物联网、社交媒体、版权保护、供应链管理、政府和公共服务等领域。它的分层结构、高效共识机制和动态节点管理特点使其特别适用于需要高性能和可扩展性的应用，如加速交易处理、确保供应链透明性、管理数字资产和构建安全智能合同等。塔链为这些领域提供了更快速、更安全和更灵活的区块链解决方案，有望推动区块链技术在各行各业的广泛应用。

4.环链模型

4.1环链概述

环链（Ring Chain）一种通过连接多个区块链网络来实现跨链互操作的架构。其基于环状拓扑结构，将多个独立的区块链网络连接成一个环状链，用户通过区块链环链跨越不同的区块链网络进行数据和资产的交互，实现更高级别的跨链互操作。参考模型如下：

4.2环链特点

①链互操作性：区块链环链通过连接多个区块链网络，实现了不同区块链之间的跨链互操作。用户可以无缝地转移和交换资产，实现多链之间的数据和价值流动。

②增强可扩展性：区块链环链通过将多个独立的区块链网络连接成环状链，提供了更大的可扩展性。每个区块链网络可以独立运行，处理更多的交易，从而提高整个系统的处理能力。

③扩展应用范围：区块链环链为区块链的应用提供了更大的灵活性和扩展性。不同的区块链网络可以专注于不同的领域和应用场景，通过跨链互操作实现数据共享和协同合作。

4.3环链应用场景

环链适用于需要高度隐私保护的领域，如医疗保健、金融隐私交易、供应链管理和投票系统。通过强大的隐私保护技术，环链可以确保个人身份和交易信息得到有效保护，同时满足这些领域对数据安全和匿名性的严格要求，为用户提供了安全、可信的数字交易环境。

5.动态组链方法

基于审计管控的实时动态组链组网方法，能够实时动态地添加或删除节点/链以形成新的链路结构的过程。在该方法中，每个节点/链都可以作为一个独立的组件来使用，这样就可以大大提高系统的灵活性和扩展性。

（1）审计管控过程

通过审计策略下发实现对节点及链的策略管控，具体过程如下：

①设置策略接口；

②对目标节点和/或区块链进行策略设置；

③策略设置完成后下发策略指令至相应的节点和/或区块链的策略接口；

④目标节点收到策略指令后，根据策略指令执行退出或接入区块链网络的操作。

（2）节点代理

在每个区块链和节点中均设置有代理程序，在代理程序中设置有一个验证器，用于根据预先定义的策略规则来验证管理员下发策略指令的合法性，当管理员将策略指令发送到区块链或节点时，代理程序会自动调用验证器进行验证策略指令是否符合预先定义的策略规则要求，如果策略指令通过了验证，代理

程序就会执行相应的操作并生成审计信息，否则，代理程序会返回错误信息给管理平台，并拒绝执行该策略指令。

（3）审计监测

区块链监管系统接收审计信息并对每个节点和区块链进行审计管控，监测其运行状态和数据交互。

区块链监管系统提供可视化的审计报告，通过图表、表格的形式展示节点和区块链的接入和退出的趋势、占比情况，并且在报告中显示时间范围，管理员可以选择查看最近一周、一个月或一年的节点和区块链的接入和退出情况。

（4）策略设置方法

在区块链监管系统中对目标节点和/或区块链进行策略设置的方法为：在区块链监管系统上设置有用户管理界面，管理员通过用户管理界面的策略配置菜单选择目标节点或区块链，管理员可以选择某个节点并设置其退出或接入区块链网络并生成策略指令，或者管理员可以选择某个区块链并设置其退出或接入跨链网络并生成策略指令。

区块链监管系统中设置有身份验证和授权机制，要求管理员必须先进行身份验证，然后根据其所属角色或权限分配相应的策略设置权限，区块链监管系统对管理员的操作行为进行审计和监控，以便及时发现管理员异常行为，同时，建立日志记录机制，记录管理员的身份信息、所做的操作、时间戳，以备后续审查。

（5）状态检测方法

在区块链监管系统中对目标节点进行策略设置时需要先判断目标节点当前的状态。在每个节点均配置有一个节点代理程序，节点代理自动执行节点状态检查规则，采用日志分析、流量抓取等技术来检查节点状态，并向监管平台发送状态信息，其中，节点状态检查规则包括：检查节点的运行状态、硬件设备健康状况、网络连接状态、数据同步状态。

（6）跨链验证方法

在区块链监管系统中进行策略设置时，如果策略为把目标区块链接入跨链网络，则需要先验证要接入的跨链网络是否符合目标区块链中已经定义的跨链交互规则，如果要接入的跨链网络与目标区块链中已经定义的跨链交互规则不匹配，管理员需要先在目标区块链中定义新的跨链交互规则或者要求要接入的跨链网络根据目标区块链的规则进行调整。

验证要接入的跨链网络是否符合目标区块链中已经定义的跨链交互规则的方法包括：

验证跨链协议：检查要接入的跨链网络使用的协议是否与目标区块链中已经定义的跨链协议相匹配；

验证交互数据格式：检查要接入的跨链网络使用的交互数据格式是否与目标区块链中已经定义的交互数据格式相匹配；

验证交互安全性：检查要接入的跨链网络交互安全性是否满足目标区块链中已经定义的安全要求，包括是否支持数字签名、加密传输。

（7）技术成果

通过动态组链技术实现了对区块链网络的实时动态组链组网，能够根据需要实时在区块链网络中添加或删除节点以及根据需要把区块链接入或退出跨链网络，增强了组网的灵活性和高效性，从而更好地适应实际情况。

6.结论

树链、塔链和环链是不同的区块链技术模型，各自具有独特的特点。树链强调可拓展性和数据存储，适用于大规模数据场景；塔链注重性能和动态节点管理，适合高交易量应用；而环链专注于隐私保护，适用于隐私敏感领域。综合评估中，最佳选择取决于具体应用需求，也可以考虑整合它们以满足多样化的区块链应用场景。

区块链动态组链有望改善区块链的可拓展性、性能和灵活性，使其更适用于各种大规模应用，如金融服务、供应链管理、智能合同和物联网。这将推动区块链技术在商业和社会领域的广泛应用，同时促进数字经济的发展。此外，动态组链还有助于解决区块链生态系统中的互操作性问题，促进不同区块链之间的数据和价值流动，从而构建更具协同性和互通性的区块链网络。这一领域的研究和创新将继续推动区块链技术的演进，为未来的数字化世界带来更多机会和创新。

参考文献

[1]袁敏夫，李引，陈胜俭，郑翔蔚，基于云平台的区块链组网方案及数据共享存储机制：计算机与现代化，2019，9，46-52

[2]黄杨，“区块链+供应链”相关文献综述[J]：中国科技信息 2022，20