一种基于预言机的跨联盟链细粒度频谱共享机制

1.一种基于预言机的跨联盟链细粒度频谱共享机制属于无线通信领域。


背景技术：

2.无线通信技术由原来的1g跨越升级到5g，从仅支持用户远程语音通话业务到现在可以随时随地视频通话、直播聊天，通信技术的高速发展极大的改变了我们的生活方式，也给我们带来了很大的便捷。频谱是支持无线通信的重要稀缺资源，但是随着无线通信技术的高速发展，智能终端的大规模使用，频谱资源短缺问题愈加严峻。因此如何高效地分配利用频谱资源一直是无线通信频谱研究探索的方向。
3.引入动态频谱共享技术解决频谱利用率低的问题，然而传统的集中式数据库管理频谱资源带来了高额的系统管理费用，拥有频谱的运营商主体彼此间相互不信任，导致共享频谱的成本高、收益低、实时性共享频谱差、共享频谱的意愿不强烈，同时还存在着单点故障的问题，一旦中心数据库崩溃，整个频谱资源无法分配使用。
4.区块链应用在频谱共享能有效解决上述集中式频谱管理带来的问题：1)区块链的分布式数据存储，即使某个恶意节点攻击造成数据丢失或篡改，仍能在其他节点找到被破坏的数据，有效解决集中式管理的单点故障问题。2)区块链利用密码学原理和共识机制建立对等信任机制，作为双方频谱交易相互信任的安全可信环境保障。3)交易在区块中存储，用链结构连接起来形成分布式记账账本，使得频谱交易记录公开、透明、可追溯且不可篡改。4)由区块链2.0智能合约sc的加入，拥有智能、自动地价值转移，有效促进区块链和无线频谱共享管理的结合。
5.区块链分为公有链、联盟链和私有链三种。私有链是私人组织管理，企业内部使用，应用范围较窄。联盟链对成员的加入和退出有一定的认证机制，相对于公有链更有效防止sybil攻击；联盟链有严格的层级制度，限制不同权限的用户只能查看自己权限内的数据，保证了用户交易的隐私性；另外联盟链的确认节点是由联盟机构指定的，确认交易的时间短、效率高，联盟链相比于公有链、私有链更适合应用于频谱共享管理。
6.链内频谱共享已经有相关的文献，但是随着网络的发展，越来越多的设备接入网络，对频谱资源的利用要求更高，链内的频谱共享无法满足人们的需求，链间频谱共享管理问题越来越突出，然而区块链的封闭独立性，导致不同的区块链互联互通困难，阻碍了区块链的发展。跨链技术让区块链不再是一个个信息孤岛，实现价值在链与链之间的流通。预言机是区块链与现实世界的数据交互的接口，通过对外部数据的判定，共识得出一致结果，最后确定外部数据安全导入智能合约，实现链上和链下数据的安全传输。预言机的可信安全传输机制，运用到跨链技术中，实现链间的频谱共享管理。
7.现有的基于联盟链的频谱共享研究工作，仅针对链内频谱资源优化，忽略了联盟链间的频谱共享。随着6g时代的到来，网络更加致密化，万物互联，对频谱利用率要求更高，仅有链内频谱共享不能满足人们对频谱资源的需求，将跨链交易技术应用到频谱共享管理中，进一步提高频谱的利用率，降低空闲频谱的闲置率。
8.链间频谱共享交易存在以下挑战：
9.1)如何保障链间通信的安全：区块链的封闭性，使得每个区块链都是一个安全可靠的独立个体。但是链与链之间并不可信，验证某笔交易的正确与否时，通过检查该交易引用的前一笔交易是否匹配即可，但是对于链外交易验证，交易双方的两条链是互不信任的，无法验证双方交易的状态，以及对方是否欺骗。
10.2)如何保障频谱交易过程中事务的原子性：在频谱共享过程中，不可避免的会出现频谱切换的问题，例如在频谱运营商突发意外或者主授权用户需要使用正在共享的频段，次用户需要退出本次交易租赁的频段，切换到另一频段。当上述情况发生时，以往的跨链交易机制会根据事务的原子性直接将这一交易判定为失败，会带来主用户频谱共享的主动性降低，空闲频谱共享率下降，当然还会因为交易失败损害交易双方的利益。
11.3)如何保障交易过程中用户的隐私保护：虽然联盟链的成员是经过认证的，但不乏存在一些恶意节点伪装身份，成为联盟链的一员，通过伪装成主授权用户或次用户，干扰频谱交易的正常进行。


技术实现要素：

12.本发明为进一步提高频谱的利用率，提出基于预言机的跨联盟链细粒度频谱共享机制，该方案利用预言机架构为两个链之间通信交易提供安全保障，采用细粒度频谱共享方法有效解决在频谱交易过程中由用户随机多变的行为带来交易失败、风险损失等问题，以及在预言机中加入验证用户的身份节点，防止恶意节点伪装破坏频谱共享。本发明有效提高频谱共享交易的成功率，降低频谱的闲置率，缓解交易双方的风险损失。
13.本发明的系统架构如下图1所示，系统架构由三部分组成，分别是源联盟链、目的联盟链和保障链间安全交易的预言机。联盟链上分布着主授权用户和次用户，主授权用户是拥有频谱资源的机构，是频谱资源交易的接收方，可向次用户出售空闲频段；次用户是频谱资源交易请求方，向主授权用户租赁频段的使用权。当某链的次用户由于本链上的频谱资源无法满足其需求时，该用户发起交易，即交易的发起方，用户所在的联盟链称为源联盟链；另一条链上的主授权用户若有空闲的频段可租赁出去以获取利益，该用户即为交易的接收方，所在链为目的联盟链。
14.作为链间交易的安全保障——预言机由三部分组成：收集节点(负责各联盟链智能合约的读取，收集并读取请求合约和答复合约)、验证节点(负责验证本次交易的有效性与否)、监督节点(负责验证交易双方的身份)。其中代理节点是由收集节点选取来的，即从每个联盟链的收集节点集中选取最优的节点作为代理节点。代理节点的选取是跨链交易过程的预备步骤，因此下面先介绍代理节点的选取策略。
15.给定一系列的收集节点集γc＝{c1,c2,
…
,cm}，收集节点由联盟链上节点自愿随机加入，为使得链内通信和链间通信时间成本最小，定义时间成本为：
[0016][0017]
其中，m是收集节点集的个数，n是其他联盟链的个数，p是从γc选定的代理节点，ci是γc中的一个节点，pj是其他联盟链选取的代理节点，表示联盟链与联盟链交互次数占联盟链交易次数的比率，一次交易过程中代理节点p与ci交互次数和代理节
点p和另一条链代理节点pj交互次数占比为α与β的比率，其中α β＝1。
[0018]
t的值越小，传输消耗的时间成本越小。在其他参数不变的情况下，通过合理设置代理节点的选择，可以将时间成本控制在最小。本方案基于密度峰值的聚类算法选取联盟链内的代理节点，使得链内合约传输时间成本最小，由此选出候选代理节点，该算法基于如下的假设：
[0019]
①
簇中心点的密度大于周围邻居节点的密度；
[0020]
②
簇中心点与更高密度点之间的距离相对较大。
[0021]
因此聚类中心被定义为数据节点密度局部最大值。基于密度峰值的聚类算法根据不同区块链收集节点的密度选择候选代理节点，以获得最小的合约时间传输成本。对于自愿成为预言机中的收集节点，需要计算两个参数的值，局部密度ρi和其他高密度节点距离δi，这两个参数都与联盟链节点的距离d
ij
有关。
[0022]
节点ci的局部密度定义如下：
[0023]
ρi＝∑jχ(d
ij-dc)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0024]
当x＜0时，χ(x)＝1，当x＞＝0时，χ(x)＝0。d
ij
是节点ci与节点cj的距离，dc是截断距离，在这里dc的取值一定程度上影响ρi的结果。不同联盟链的组成，也意味着dc取值的不同，在本方案中定义dc的取值定义为ρi的含义是找到与节点ci之间距离小于截断距离dc的其余收集节点数目。
[0025]
在所有比节点ci的密度更高节点集中寻找与ci的最近距离：
[0026][0027]
当ci的密度不是最大时，说明该点不是中心点，因此δi设定与它距离最近的点；当ci的密度是最大时，说明该点是中心点，因此δi设定与它距离最远的点。
[0028]
因此如果ci是中心点，δi的值相对比较大。通过上述对这两个参数ρi、δi的计算，可以得到各个联盟链代理节点的候选集合，在此基础上使用公式(1)计算各个代理候选节点的时间消耗成本t，选取使得t最小的代理节点p，代理节点确定之后，跨链的预备阶段完成。
[0029]
本发明基于预言机的跨联盟链细粒度频谱共享机制由合约部署、创建交易、资产交换、验证交易四个阶段组成，由交易发起方调用部署在本联盟链上的请求合约，发送到预言机的收集节点，监督节点首先验证交易发起方的身份，验证通过后，收集节点将收到的请求合约统一发送给本联盟链的代理节点，代理节点负责请求合约和答复合约上频谱信息的匹配，若匹配成功，由验证委员会(预言机的验证节点集合)验证交易的有效性，若交易有效将本交易记录到各自的联盟链中，无效则撤回该交易。具体跨链流程如下图2所示。
[0030]
(1)合约部署阶段：
[0031]
本阶段属于交易的预备阶段，在涉及跨链交易的联盟链上部署请求合约(request contract,rc)、答复合约(answer contract,ac)。
[0032]
请求合约为交易发起方提供接口，交易发起方将自己所需租赁的频谱需求信息作为参数传送到预言机，请求合约中包含的参数信息如下表1所示，请求租赁的频谱信息(包括租赁频段、租赁时间)，发起方所能承担的价格，交易发起方的账户地址以及交易发起方对本次租赁频段的要求。
[0033]
答复合约由主授权用户调用，将要出售的频谱信息作为参数发布在答复合约上，具体的参数信息如下表2所示，出售频谱信息(包括出售频段，出售时间)，频谱单价信息，出售总价，以及用户的账户地址。
[0034]
表1请求合约
[0035][0036]
表2答复合约
[0037][0038]
(2)创建交易阶段：
[0039]
交易发起方触发交易调用rc，通过rc获取请求频段的相关参数信息，交易方相临近的收集节点收到rc，从合约中读取交易方的身份信息，由监督节点调用函数checkidentity(idenr)验证交易方的身份(其中参数idenr为交易方的身份信息)，验证通过则收集节点接受该合约请求，否则驳回rc。同理收集节点收到ac，监督节点验证主授权用户的身份，验证通过则接受ac，否则驳回ac。rc通过身份验证后，收集节点调用filtersortcon(idenr，rfb，rtime，accountr，sigr，rcs)函数判断此rc属于链内交易还是链间交易，是否与先前请求的合约或正在进行交易的合约有冲突，其中参数具体含义为交易发起方身份idenr，租赁频段rfb，租赁时间rtime，发起方的账户地址accountr，发起方的签名sigr，以及收集节点收到的请求合约集合rcs。若函数结果是无重复请求，则将本合约发送到本联盟链的代理节点，代理节点负责寻求符合租赁频段信息的主授权用户，也就是将本联盟链上收到的rc与其余联盟链上ac租赁频段信息匹配，当rc与ac匹配成功则生成交易单。
[0040]
1)监督节点验证用户的身份信息
[0041]
收集节点接收到rc或者ac后，读取交易发起方或交易接收方的身份，发送到监督节点，监督节点采用schnorr技术调用checkidentity(iden)分别验证交易发起方和交易接收方的身份信息，验证通过则发送到代理节点进行频谱匹配，否则驳回用户的请求。schnorr身份证明协议利用离散对数的知识证明，设计身份识别协议。首先证明者p选择两个大素数p和q，q是p-1的大素因子，然后选择一个q阶元素且gq≡1(mod p)，g≠1，使得(g，p，q)构成全局公钥参数，最后选取随机数1＜x＜q，计算y≡g-x
(mod p)，y作为公钥，私钥为x，p向验证者v证明他知道私钥x。
[0042]
①
p选一个随机数k，0≤k≤q一1，并计算r≡gk(mod p)，用于
④
验证，然后将r传给v；
[0043]
②
v选一个随机数e，1≤e≤2
t
，t≤|q|，作为验证条件，并将e给p；
[0044]
③
p计算s≡k xe(mod q)，并将s给v；
[0045]
④
v验证r≡gsye(mod q)是否成立，如果成立，则相信证明者知道y对g的离散对数，从而相信证明者的身份。
[0046]
监督节点采用schnorr技术调用checkidentity(iden)函数，监督节点拥有公钥(p,q,g,y)，而交易发起方和交易接收方向监督节点证明他拥有私钥x，交易双方身份验证通过后，收集节点接受rc或ac合约。
[0047]
收集节点在本阶段中肩负着重要作用，需要收集本联盟链上的跨链交易合约，进行冲突排查和排序。代理节点在本阶段将本联盟链上跨链请求根据用户的补偿权重(由于主授权用户的因素造成频谱切换，对次用户的补偿，计算公式在算法2中详示)和先到先得策略排序，同时负责根据rc的请求频段信息寻求符合条件的频谱运营商，使交易双方协商一致。本方案设定收集节点是联盟链上的节点，这是因为不同链上的智能合约规则设定不同，由本链上的节点读取智能合约效率最高。收集节点是由链上节点随机自由加入的，由收集节点中选出来“最优”代理节点将所有的可跨链的合约统一规范管理，由代理节点负责交易双方频谱信息的匹配协商。
[0048]
2)筛选和排序合约
[0049]
验证身份通过后收集节点接受rc，合约中请求的频段是“5mhz”，收集节点判断该rc是否与之前收到的请求合约有冲突，如果有驳回该请求，告知用户该请求无效。在筛除有冲突的合约同时，需要将收到的合约进行按照用户的赔偿权重和收到合约的时间排序。收集节点调用的筛选和排序合约详细过程如算法1所示：
[0050]
算法1：筛选和排序合约
[0051]
输入：rc，收集节点收到的合约队列rcs，请求用户的赔偿权重repa，请求用户身份
[0052]
输出：是否接受该用户的请求
[0053][0054]
代理节点收到收集节点集合各节点的请求合约后，将这些rc按照请求用户的repa和时间顺序排列，根据rc的参数信息寻求满足发起方频谱需求的主授权用户，根据ac的参数信息匹配双方的频谱交易信息，使双方就频谱需求达成一致，双方匹配通过即生成交易单。交易单的具体情况如下所示：
[0055]
交易编号
[0056]
交易哈希值
[0057]
发起方身份
[0058]
发起方账户：0x345bgs78
…
[0059]
接收方身份：
[0060]
租赁频段：5mhz
[0061]
租赁时间：24h发起方签名
[0062]
单价：￥2/mhz/h接收方签名
[0063]
总价：￥48时间戳签名
[0064]
(3)资产交换阶段：
[0065]
在本阶段中主要讲述分步缓解风险交易方法如何在频谱交易的过程中保证事务的原子性，通过引入细粒度刻画事务的变量t，将本次交易事务分解，使用分步交易策略来保障交易事务的原子性，提高交易的成功率同时减少交易双方的风险损失收益。
[0066]
变量t的取值主要由交易接收方的主动切断供应频段的次数(该次数是从主授权用户开始向链外租赁频段时开始计数)、分步交易延迟的时间t
delay
以及租赁时间来确定的。设置用户所能接受的最大延迟阈值t
th
，分布次数为rt
delay
《t
th
同时r》2，在此基础上，设置权重来对t值进行取值，t的取值公式如下：
[0067][0068]
其中count
month
表示一个月的时间内由于频谱运营商个人原因切断频谱租赁交易(采用最近原则)，tran
total
表示该运营商参加交易的总次数。本阶段中频谱交易算法如算法2所示：
[0069]
算法2：频谱交易阶段
[0070]
输入：分步时间t，交易发起方，交易接收方，租赁时间rtime，付款金额totalprice,用户接受最大延迟阈值t
th
，当前租赁频谱时间t
current
，用户补偿均值reward
[0071]
输出：无
[0072][0073]
(4)验证交易阶段：
[0074]
验证委员会(预言机的验证节点集合)的数量有一定的限制，不能随意加入验证委员会，通过判断验证节点是否有一定的存款来判断，在本文中设定验证节点的存款等同于信誉值，如果当前委员会的数量小于阈值，并且请求加入的验证节点存款大于需要的保证金，那么验证节点可以成为验证委员会的成员之一，如果上述条件中有一个不满足，那么验证节点都不能加入验证委员会。
[0075]
每次交易过程中，验证委员会中的每个节点都需要验证交易，在这些验证节点中，随机选择一个主节点，并将自己的验证结果汇聚到主节点，主节点负责将收到的所有验证结果进行记录统计。我们使用少数服从多数的原则确定最终的结果，若某个节点与最终结果不符，那么该节点会被判定为不诚实的节点，对该节点进行处罚。如果某个节点一直是不诚实的，那么该节点将会没钱交保证金，也意味着无法成为验证委员。节点的存款金额计算公式如下：
[0076][0077][0078]
公式(5)是验证节点结果错误的存款计算公式，通过扣除相应的保证金实施惩罚，
其中count
wrong
表示该验证节点验证错误的次数，count
total
是该节点参与交易的总次数，deposit是节点参与验证时保证金。公式(6)验证节点结果正确的存款计算公式，通过奖励一部分金额，同时将不诚实节点的惩罚金作为另一部分的奖励，其中count
wrong
表示该验证节点验证错误的次数，count
total
是该节点参与交易的总次数，deposit是节点参与验证时保证金，count
correct
本次交易验证结果正确的验证节点个数。
[0079]
根据该节点在验证过程中的表现，验证交易过程中不诚实次数count
wrong
占该节点参与交易次数和在不诚实节点count
wrongnode
中所占的比重，扣除相应的保证金；第二个式子是诚实节点的存款计算公式，加上奖励金额，再加上由不诚实节点扣除的罚金作为额外的奖励，来鼓励更多的节点能够做出诚实的答复。
[0080]
在交易过程中，验证委员会通过验证交易的有效性，当验证委员会验证交易有效的结果数量超过2/3，本次交易确认为有效；否则本次交易无效，撤回该交易。
[0081]
本发明将预言机引入跨链交易中，由预言机完成联盟链的跨链频谱共享交易，预言机中的收集节点负责收集交易的合约信息；代理节点匹配合约，验证节点验证交易的有效性；监督节点验证节点的身份信息；由上述预言机机制实现交易的安全保证、低成本的频谱共享和较低的计算消耗。同时引入分步缓解风险交易方法，通过细粒度刻画交易事务，提高频谱交易的成功率，同时缓解双方因交易失败带来的损失。
[0082]
本发明提出的基于预言机的跨联盟链细粒度频谱共享机制，可适用于任意两个联盟链的通信交易，通过预言机连接两个异构的联盟链，用较低的费用，较小的计算消耗完成跨链交易，实现跨链的安全通信交易。其次本发明通过分步缓解风险交易方法，克服传统交易方案的局限性，有效提高交易的成功率，降低双方因交易失败带来的损失。本发明能够进一步提高频谱利用率，降低频谱共享的成本，提升运营商们共享频谱的主动性，缓解交易双方的风险损失。
附图说明
[0083]
图1预言机区块链架构
[0084]
图2跨链流程
[0085]
图3频谱利用率对比图
[0086]
图4金额损失对比图
[0087]
图5交易时长对比图
[0088]
图6交易成功率对比图
具体实施方式
[0089]
通过在i5-5600u cpu和16gb的内存上测试模拟联盟链的频谱跨链共享，可以明显看到在租赁时间为12h的情况下，通过采用细粒度频谱共享可以有效提高频谱的利用率，提高交易的成功率，同时减少用户的金额损失。本方案采用的细粒度共享通过一定的时间阈值控制交易时长，可以看到本方案的交易时长在可接受的范围内。
[0090]
表格3本方案性能测试
[0091]
分步时间t6321.51金额损失率21.005％8.949％6.959％5.155％3.351％
交易成功率64.286％77.7778％80.000％91.071％88.095％交易时长189ms207ms229ms248ms259ms频谱利用率67.702％73.292％76.398％87.578％78.882％
[0092]
同样本方案与其他论文(标注在最后的三篇文献)进行对比实验，可以明显看到本方案的优势，如图3所示通过采用细粒度频谱共享，可以实现更高的频谱利用率。在金额损失方面，通过细粒度共享频谱在交易失败时，能够缓解用户的损失，如图4所示，金额损失较低。在交易时长方面，由于细粒度共享会带来时间的延迟，但是随着交易数量的增多，本方案的劣势逐渐消失。同样地，交易成功率也因为细粒度的频谱共享而提高，明显优于其他方案。