基于计算预言机的工业互联网区块链可信计算架构及方法

1.本发明属于区块链技术领域，特别是一种基于计算预言机的工业互联网区块链可信计算架构及方法。


背景技术：

2.工业互联网连通和控制工业场景内不同资源，对延迟的容忍度差，需要实时、高效的网络架构和工业应用运行机制。然而，传统的集中式云端计算因大量节点统一上传会产生网络数据拥塞，无法满足此需求。因此，为满足工业场景“大连接、低时延”的需求，具有去中心化特性的区块链架构成为工业互联网组网的可靠选择。
3.在区块链架构下，工业互联网进行去中心化组网，实现海量节点之间的点对点连接。与此同时，数据的分布式存储，解决了“单点失效”以及数据上传与下载的网络拥塞问题。特别地是，针对繁杂多样的工业应用需求，开放的智能合约平台为工业应用在基于区块链的工业互联网中的部署提供了可信的解决方案。应用开发者将工业应用以代码的形式固化在智能合约平台中，一旦满足触发条件，工业应用将自动执行，整个过程的相关数据全部上链，任何实体都不能修改合约本身和合约运行结果。然而，目前智能合约的能力还存在两大缺陷。首先，智能合约本身的计算能力有限，难以支撑某些复杂的工业应用；其次，租用脸链上智能合约产生的gas费用较为昂贵。因此，计算预言机网络凭借其充足的计算资源以及可信的运行机制扩充了智能合约的计算能力。
4.计算预言机网络分为中心化和去中心化两种。中心化计算预言机中，单个计算预言机服务于智能合约的工业应用任务，这就容易发生由于单点的宕机和求解不成功而引起的任务计算失败。去中心化预言机中，对于一个计算任务，多个计算预言机同时进行计算，通过共识机制来确保计算结果的可信，同时也提高了计算任务的成功率。然而，现有去中心化计算预言机方案只要以随机的方法选取计算预言机群，忽略了不同计算能力的预言机与不同复杂度的智能合约计算任务的匹配，造成了计算时延巨大，无法满足工业互联网“低时延”的需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于计算预言机的工业互联网区块链可信计算架构及方法，以满足工业场景中的大计算需求，并减小计算时延。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于计算预言机的工业互联网区块链可信计算架构，包括工业互联网设备层、区块链层和预言机层，其中：
7.工业互联网设备层，包括各类异构工业互联网设备，在管理这些设备的过程中，产生工业计算任务；
8.区块链层，包括智能合约，以智能合约引擎为载体执行工业计算任务；
9.预言机层，包括计算预言机和链上预言机，用于提升智能合约的计算能力。
10.一种如所述基于计算预言机的工业互联网区块链可信计算架构的运行方法，包括
以下步骤：
11.步骤1、工业互联网智能设备注册成为合法的链下计算预言机，链上的预言机系统下发一个独有的账户，智能设备支付设定代币作为抵押；
12.步骤2、智能合约从链上获得数据，触发合约计算任务；
13.步骤3、当链上计算能力无法满足需求时，智能合约对链上预言机系统发送请求，对代理预言机的“消息”进行调用；所述请求包括计算任务，同时智能合约在账户中冻结服务费；代理预言机在自己的事件日志中将计算任务记录下来；
14.步骤4、链下计算预言机网络订阅链上代理预言机的事件日志，代理预言机记录计算任务后，链下计算预言机网络随即接受到计算任务请求；
15.步骤5、数据中心根据任务请求对代理预言机进行反馈；
16.步骤6、建立链下预言机激励机制，链下的计算预言机网络接收到请求后，通过基于匹配算法的激励机制选取计算预言机执行计算任务；建立链下预言机共识机制，计算任务完成后，各节点就计算任务的结果达成共识，并将共识结果回馈给链上代理预言机系统；
17.步骤7、链上预言机系统由代理预言机对链下计算预言机系统的计算结果进行接收，并将翻译成智能合约可读的文件后发送给智能合约；
18.步骤8、代理预言机将链下预言机网络的服务质量发送给监控预言机，并将服务质量记录在链上；同时，支付预言机将智能合约冻结的服务费转变为可供提取的状态，提供服务的链下预言机对服务费进行提取。
19.本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)考虑工业互联网中的计算场景，设计一套基于计算预言机的区块链计算体系，满足了工业场景中的大计算需求；(2)在链下预言机网络的激励机制中，提出基于节点计算能力的匹配算法，在链下计算预言机与计算任务的匹配过程中考虑了节点计算能力，最终减小了计算时延。
附图说明
20.图1为本发明基于计算预言机的工业互联网区块链可信计算架构的设计流程图。
21.图2为工业互联网架构图。
22.图3为计算预言机机制工作流程图
23.图4为匹配算法流程图。
24.图5为不同匹配算法下计算延迟变化曲线示意图。
具体实施方式
25.本发明考虑工业互联网中的计算场景，设计一套基于计算预言机的区块链计算体系，来解决传统区块链计算能力不足的问题，满足工业场景中的大计算需求。同时，在链下预言机网络的激励机制中，提出基于节点计算能力的匹配算法，在链下计算预言机与计算任务的匹配过程中考虑节点计算能力，最终减小计算时延。
26.本发明一种基于计算预言机的工业互联网区块链可信计算架构，包括工业互联网设备层、区块链层和预言机层，其中：
27.工业互联网设备层，包括各类异构工业互联网设备，在管理这些设备的过程中，产生工业计算任务；
28.区块链层，包括智能合约，以智能合约引擎为载体执行工业计算任务；
29.预言机层，包括计算预言机和链上预言机，用于提升智能合约的计算能力。
30.进一步地，所述异构工业互联网设备分为以下三类：
31.(1)传统设备：只能产生原始工业数据，不具备传输和接收数据的能力，并且传统设备的计算能力和存储能力较智能设备低；
32.(2)智能设备：智能设备能够成为区块链节点或者预言机节点，具备独立传输和接收数据的能力；
33.(3)数据中心：作为中心化的链下可信节点，数据中心是一个数据托管设施，能够存储多种类型的工业数据。
34.进一步地，所述区块链层由上链的节点构成，包括智能合约、链上预言机与链上其他节点；所述区块链层采用私有链，在工业互联网去中心化的区块链网络中，每个智能设备看作一个拥有独立账户的合法区块链节点；同时，平台上的工业应用以智能合约作为载体，所有的计算逻辑基于智能合约实现；智能合约基于多方约定提前部署，将计算结果上链，实现防篡改和可溯源。
35.进一步地，所述预言机层由链下的预言机网络和链上的预言机系统组成；
36.链下的预言机网络由具有充足计算资源的计算预言机构成，智能设备只要在链上预言机系统中注册成功，能够成为链下计算预言机节点，链下的计算预言机帮助链上的智能合约执行计算任务；
37.区块链上的计算资源不能满足需求时，智能合约向链上的预言机系统发送请求，链上的预言机系统收到请求后，通过链下的计算预言机来协助运算，共同完成计算任务；在此过程中，链上的预言机系统对链上智能合约和链下计算预言机之间的交互进行管理。
38.进一步地，所述链上的预言机系统包括注册预言机、监控预言机、支付预言机和代理预言机，其中：
39.(1)注册预言机：链下的智能设备要成为预言机，除了抵押并锁定一部分代币作为保证金之外，还需要对保证金地址和支付地址进行登记，登记过程由注册预言机来完成；
40.(2)监控预言机：链上预言机系统的监控合约负责记录链下预言机系网络的服务质量，包括设备的响应延迟、计算结果的响应率和正确率、恶意节点的列表、未处理的查询请求；
41.(3)支付预言机：链下的智能设备要成为预言机节点，需要进行注册，注册过程中需要抵押代币；支付预言机在代币的交易过程中充当第三方，保证链上智能合约向为其服务的链下预言机支付报酬；支付预言机临时保管链上智能合约所支付的服务费，直到提供服务的链下预言机提取收入；
42.(4)代理预言机：代理预言机为链上的智能合约提供服务，当链上智能合约无法满足计算需求时，向代理预言机发送请求，代理预言机为智能合约提供统一的链上接口；当链下计算预言机系统完成计算后，代理预言机使用回调函数中的结果，将计算结果异步回调给智能合约。
43.本发明一种如所述基于计算预言机的工业互联网区块链可信计算架构的运行方法，包括以下步骤：
44.步骤1、工业互联网智能设备注册成为合法的链下计算预言机，链上的预言机系统
下发一个独有的账户，智能设备支付设定代币作为抵押；
45.步骤2、智能合约从链上获得数据，触发合约计算任务；
46.步骤3、当链上计算能力无法满足需求时，智能合约对链上预言机系统发送请求，对代理预言机的“消息”进行调用；所述请求包括计算任务，同时智能合约在账户中冻结服务费；代理预言机在自己的事件日志中将计算任务记录下来；
47.步骤4、链下计算预言机网络订阅链上代理预言机的事件日志，代理预言机记录计算任务后，链下计算预言机网络随即接受到计算任务请求；
48.步骤5、数据中心根据任务请求对代理预言机进行反馈；
49.步骤6、建立链下预言机激励机制，链下的计算预言机网络接收到请求后，通过基于匹配算法的激励机制选取计算预言机执行计算任务；建立链下预言机共识机制，计算任务完成后，各节点就计算任务的结果达成共识，并将共识结果回馈给链上代理预言机系统；
50.步骤7、链上预言机系统由代理预言机对链下计算预言机系统的计算结果进行接收，并将翻译成智能合约可读的文件后发送给智能合约；
51.步骤8、代理预言机将链下预言机网络的服务质量发送给监控预言机，并将服务质量记录在链上；同时，支付预言机将智能合约冻结的服务费转变为可供提取的状态，提供服务的链下预言机对服务费进行提取。
52.进一步地，步骤6中所述链下预言机共识机制，指链下计算预言机就计算结果达成共识的机制；参与计算任务的链下预言机群组在完成计算后，得到多份结果，通过共识机制得到多数节点同意的结果，具体而言：
53.当计算群组中三分之二的计算预言机完成计算后，选取这些节点中多数节点同意的结果作为最终结果；最终结果将会被发送给链上智能合约，发送的内容包括共识后的结果以及一份验证文件，这份验证文件使智能合约仅一步即验证结果的正确性。
54.进一步地，步骤6中所述匹配算法，具体如下：
55.1)链上的代理预言机将任务相关信息记录到自己的事件日志中，包括智能合约请求的计算任务内容、每个计算任务所需的预言机个数、智能合约所提供的奖励；链下的计算预言机网络对事件日志进行订阅，获得这些任务相关信息；
56.2)每个未匹配的计算预言机对向其提供最大奖励的智能合约发送请求，其中，提供的奖励与计算预言机的预期计算时延成反比；
57.3)将预期计算时延最小的g个计算预言机节点与计算任务进行匹配，这g个计算预言机节点共同组成了此项计算任务的计算组；
58.4)当每个任务都匹配到足够的计算预言机时，匹配过程结束；
59.5)计算组中的计算预言机对分配到的任务进行计算，获得组内设定百分比以上成员赞同的计算结果被作为最终计算结果发送给智能合约。
60.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
61.实施例
62.结合图1，本发明基于计算预言机的工业互联网区块链可信计算架构的设计流程，具体以下：
63.第一阶段：首先设计一个基于计算预言机的区块链计算体系，通过构建链下预言机网络与链上预言机系统，实现可信的链下协同计算，支撑工业互联网区块链中工业应用
的计算需求。
64.所述计算体系包括三个层面：工业互联网设备层、区块链层和预言机层。工业互联网设备层包括各类异构工业互联网设备，在管理这些设备的过程中，会产生大量的工业计算任务。而这些计算任务以区块链层中的智能合约引擎为载体进行执行，预言机层则负责帮助智能合约提升计算能力，具体架构如图2所示。
65.第二阶段：对工业互联网设备层进行设计，所述工业互联网设备层由各类异构工业互联网设备组成，这些设备的计算能力十分有限，它们大致可以分为三个种类：
66.(1)传统设备。传统设备只能产生原始工业数据，不具备传输和接收数据的能力，并且它的计算能力和存储能力极为有限。
67.(2)智能设备。智能设备可以成为区块链节点或者预言机节点，它具备独立传输和接收数据的能力，并且存储和计算资源充沛。
68.(3)数据中心。作为中心化的链下可信节点，数据中心是一个数据托管设施，能够存储各种类型的工业数据。
69.第三阶段：对区块链层进行设计，所述区块链层由上链的节点构成，包括智能合约、链上预言机与链上其他节点。本发明设计的区块链系统采用私有链，所以在工业互联网去中心化的区块链网络中，每个智能设备都将可以看作一个拥有独立账户的合法区块链节点。同时，平台上的工业应用以智能合约作为载体，所有的计算逻辑基于智能合约进行实现。智能合约基于多方约定提前部署，将计算结果上链，实现防篡改和可溯源，确保计算的可信。但是智能合约有限的计算能力无法满足区块链上工业应用的计算需求，因此本发明提出了一种分布式的计算预言机机制，包括链下的预言机网络和链上的预言机系统，来提升智能合约的计算能力。
70.第四阶段：对预言机层进行设计，所述预言机层由链下的预言机网络和链上的预言机系统组成。链下的预言机网络由大量具有充足计算资源的计算预言机构成。值得注意的是，智能设备只要在链上预言机系统中注册成功，同样可以成为链下计算预言机节点。这些链下的计算预言机可以帮助链上的智能合约执行计算任务，弥补链上计算能力的不足。例如工业互联网中进行资源调度的智能合约，由于调度任务复杂度高、计算量大，区块链上的计算资源并不能满足需求。此时，该智能合约向链上预言机系统发送请求，链上预言机系统收到请求后，通过链下的计算预言机来协助运算，共同完成计算任务。在此过程中，链上预言机系统对链上智能合约和链下计算预言机之间的交互进行管理。本发明中，链上预言机系统中存在四类预言机：注册预言机、监控预言机、支付预言机和代理预言机。
71.(1)注册预言机：链下的智能设备要成为预言机，除了抵押并锁定一部分代币作为保证金之外，还需要对保证金地址和支付地址进行登记。此登记过程由注册预言机来完成。
72.(2)监控预言机：链上预言机系统的监控合约负责记录链下预言机系网络的服务质量，例如设备的响应延迟、计算结果的响应率和正确率、恶意节点的列表以及未处理的查询请求等。
73.(3)支付预言机：上文提到，链下的智能设备要成为预言机节点，需要进行注册，注册过程中需要抵押代币。支付预言机在代币的交易过程中充当第三方，保证链上智能合约向为其服务的链下预言机支付报酬。支付预言机临时保管链上智能合约所支付的服务费，直到提供服务的链下预言机提取其收入。
74.(4)代理预言机：代理预言机主要为链上的智能合约提供服务，当链上智能合约无法满足计算需求时，向代理预言机发送请求，代理预言机为智能合约提供统一的链上接口。当链下计算预言机系统完成计算后，代理预言机使用回调函数中的结果，将计算结果异步回调给智能合约。
75.基于计算预言机的工业互联网区块链体系，具体实施方式如下：
76.步骤一：提出所设计工业互联网区块链计算体系工作流程，如图3所示：
77.1)首先工业互联网智能设备注册成为合法的链下计算预言机，系统向其下发一个独有的账户，智能设备支付一定代币作为抵押。
78.2)智能合约从链上获得数据，触发合约计算任务。
79.3)当链上计算能力无法满足需求时，智能合约对链上预言机系统发送请求，具体的实现方法为对代理预言机的“消息”进行调用。请求包括计算任务，同时智能合约在账户中冻结服务费。代理预言机在自己的事件日志中将计算任务中记录下来。
80.4)链下计算预言机网络订阅链上代理预言机的事件日志。因此，代理预言机记录计算任务后，链下计算预言机网络随即接受到计算任务请求。
81.5)数据中心根据任务请求对代理预言机进行反馈。
82.6)链下的计算预言机网络接收到请求后，通过本发明所提出匹配算法选取计算预言机执行计算任务。计算任务完成后，各节点就计算任务的结果达成共识，并将共识结果回馈给链上代理预言机系统。
83.7)链上预言机系统由代理预言机对链下计算预言机系统的计算结果进行接收，并将其翻译成智能合约可读的文件后发送给智能合约。
84.8)代理预言机将链下预言机网络的服务质量发送给监控预言机，并将其记录在链上。同时，支付预言机将智能合约冻结的服务费转变为可供提取的状态，提供服务的链下预言机可以对其进行提取。
85.上述为系统预言机机制的基本运行流程，在基本流程之上，系统针对具体的服务需求，进行了相应的细节设计。
86.步骤二：设计链下预言机共识机制
87.本发明所设计链下计算预言机网络中，共识机制指链下计算预言机就计算结果达成共识的机制。在上述工作流程中，参与计算任务的链下预言机群组在完成计算后，得到多份结果，通过共识机制得到多数节点同意的结果。具体而言，当计算群组中三分之二的计算预言机完成计算后，选取这些节点中多数节点同意的结果作为最终结果。最终结果将会被发送给链上智能合约，发送的内容包括共识后的结果以及一份验证文件，这份验证文件可以帮助智能合约仅需一步就能验证结果的正确性。具体而言，智能合约的验证方法可以是零知识验证等。
88.步骤三：设计链下预言机激励机制
89.本发明所设计计算预言机体系中，激励机制激励链下节点(工业互联网中的智能设备)提供可信的服务以换取经济回报，进而启动链下计算语言机网络。在整个激励机制的系统中，智能合约的利益是计算任务的时延、计算结果的正确性、开销的最小化，参与计算任务预言机的利益是最大化收益。激励机制需要对双方进行综合考虑，使得节点间利益不冲突，确保每个节点获得正收益，防止因为出现负收益导致节点停止服务的情况。同时，一
个合理的激励机制还能够对链下计算节点间的公平性进行保证，即“多劳多得”，奖励根据贡献进行分配，抵御市场操控的发生。
90.具体地，所设计激励机制为了激励参与节点提供较好的、低延迟的计算资源，对链下节点的服务进行打分，具有异常正负分比率或者负分过高的计算预言机工作组会被剔除。在奖励分配方面，传统预言机网络的激励机制为每个参与服务的预言机节点分配相同的奖励。然而实际上，每个服务节点的贡献并不相同，在平均分配奖励的机制下，部分预言机的收益甚至可能是负的。因此，传统预言机激励机制并不能保证个体分配的合理性，需要针对公平性进行改进。本发明提出一种基于节点计算能力的匹配算法。同时实现个体奖励分配的合理性以及激励的适配性。结合图4，提出的匹配算法按照以下几步进行执行：
91.1)链上的代理预言机将任务相关信息记录到自己的事件日志中，包括智能合约请求的计算任务内容、每个计算任务所需的预言机个数以及智能合约所提供的奖励。链下的计算预言机网络对事件日志进行订阅，获得这些信息；
92.2)每个未匹配的计算预言机对向其提供最大奖励的智能合约发送请求，其中，提供的奖励与计算预言机的预期计算时延成反比；
93.3)系统将预期计算时延最小的g个计算预言机节点与计算任务进行匹配，这些计算预言机节点共同组成了此项计算任务的计算组；
94.4)当每个任务都匹配到足够的计算预言机时，匹配过程结束；
95.5)计算组中的计算预言机对分配到的任务进行计算，获得组内大多数成员赞同的计算结果将被作为最终计算结果发送给智能合约。
96.所设计匹配机制中，智能合约以延迟较小的方式来执行其计算任务，因此性能要优于传统共识机制中的随机选择。
97.本发明通过仿真对其性能进行验证，仿真结果如图5所示。在仿真中，在有4，5， 6个计算任务所对应的三种不同场景下，比较不同选择算法下总延迟时间随计算预言机增加的变化情况。在使用匹配机制后，每个计算任务匹配到六个计算预言机作为它的计算组。由图可见，首先，在本文所提出匹配算法下，总时延较随机选择机制下更小。其次，本文所提出匹配算法下，总时延随着计算预言机个数的增长而降低。这是因为随着计算预言机数量的增加，集体中出现更多计算能力较强的计算预言机，计算任务所匹配到的计算预言机整体计算能力也就更强，最终降低了计算时间。
98.综上，仿真结果表明，本发明针对工业互联网计算预言机体系所提出的匹配算法相比传统的随机匹配算法具有更低的计算时延。