一種基于spider網絡的加密貨幣支付路由算法

◆黃志高

一種基于spider網絡的加密貨幣支付路由算法

◆黃志高

（泉州師范學院 福建 362000）

隨著比特幣和其他加密貨幣的使用日益增多，出現了許多加密貨幣的可伸縮性難題。一個很有前途的可伸縮性解決方案，以比特幣閃電網絡為例，使用雙向支付通道的網絡，允許雙方快速交易。然而，在這些網絡上高效地路由付款并不容易，因為付款需要找到有足夠資金的路徑，而且隨著時間的推移，渠道可能變得單向，阻礙通過這些網絡進行進一步的交易。今天的支付渠道網絡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網絡以應對這些挑戰，這是一種新的用于支付信道網絡的分組交換架構。spider網絡將付款分割成事務單元，并在一段時間內通過不同的路徑傳送。Spider路由器使用擁塞控制、網絡調度和不平衡感知路由來優化支付的交易。實驗的結果顯示spider網絡適度地提高了加密貨幣的支付運算效率。

加密貨幣；閃電網絡；區塊鏈；spider網絡

1 前言

今天的加密貨幣交易吞吐量低和確認時間慢[1]。比如比特幣算力集中化、交易吞吐量低、交易速度慢、確認時間長、交易費用高以及難以與現有支付和金融系統集成等問題嚴重，需要幾十分鐘來確認交易。相比之下，像Visa這樣的已建立的支付系統每秒可以處理數千筆交易。此外，高交易成本使當前區塊鏈的微支付變得不切實際[2]。支付渠道網絡是應對這些可擴展性挑戰的主要方法。支付渠道是代管給定Alice資金的區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打開一個付款渠道給Bob，她可以反復和安全地轉移資金，而不用記錄區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絡即使不共享直接支付渠道，也可以轉移資金。支付渠道網絡已被作為一種改變游戲規則的技術，具有多個正在開發中的實現方案（例如，比特幣閃電網絡[3]，以太坊的突襲網絡[4]）。支付渠道網絡傳輸加密貨幣，而不是數據，但是他們的設計給通信網絡帶來了一些技術和經濟上的挑戰。首先，付款信道網絡需要有效的機制來查找路徑支付并保證高吞吐量和低延遲。實現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。其次網絡必須為兩個最終用戶提供正確的激勵措施，以及低交易費用，從路由付款中最大限度地提高他們的利潤。此外應確保用戶交易的隱私。在本文中，我們介紹了spider網絡，一種新的支付設計通道網絡。spider網絡使用兩個主要的想法來區分于現有的方法。首先，它使用數據包切換?，F有設計嘗試在路徑上以比特原子方式發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網絡的發送者將付款分解為交易單位，并在一段時間內跨越不同的網絡路徑。spider網絡利用交易單位的擁堵控制和網內調度，實現支付渠道資金的高利用率，同時支持各種支付服務。spider網絡的第二個關鍵想法是不平衡的支付路由。路由的重要挑戰是，當交易率較高時，支付渠道變得不平衡，支付更多款項的一方最終耗盡了資金，無法進一步發送付款時，將新資金存入支付渠道上的區塊鏈。我們從第一原則分析費率不平衡的路由約束，并實現最大付款吞吐量取屬性。與之前的路由支付方法相比，對于在網絡中流出的特定金額，單位時間完成的交易量增加了10-15%。在類似ISP的拓撲學中，spider網絡在這兩種方法上都比經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起人（Alice）將資金發送給接收方（Bob），反之亦然。為了打開一個支付渠道，Alice和Bob共同創建以固定金額代管資金的交易時間。假設現在Bob想轉移一個令牌給Alice，他送她一個加密簽名的消息斷言，此消息是比特區塊鏈；如果Alice想送兩個令牌給Bob，她送一個簽署消息給Bob批準新的平衡。這種情況一直持續到一方決定關閉通道，在這一點上，他們發布最新的消息區塊鏈維護通道平衡。支付渠道網絡是雙向的集合付款渠道。如果Alice想發送三個令牌給Bob，她首先找到一個路徑Bob，可以支持三個付款令牌。路徑上的中間節點將中繼付款到目的地。為了防止貨幣攻擊，一個加密的哈希鎖確保所有中間交易發生在持有有效的私人密鑰的收件人之間。一旦Alice準備付錢，她就把鑰匙給了Bob。他要么廣播（如果他決定關閉頻道）或者被激勵傳遞鑰給中間人，這樣他也可以得到報酬。

3 相關工作

首先，需要解決的重要問題是如何選擇交易路線。在比特幣閃電網絡中，每個節點都保持網絡拓撲和源路交易的本地視圖。節點使用最短的路徑選擇路徑算法，一個重要的基準是最大流量路由，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）計算每筆交易，其中|V |和|E|分別是網絡中的節點和邊緣數。目前，比特幣閃電網絡有1000個節點和10，000個信道，計算開銷非常大。

圖2 路徑（Alice，Charlie，Bob）支持3個令牌

在地標路由中，選擇路由器（地標）存儲網絡其余部分的路由表，節點只需將交易路由到地標。此方法用于分組封裝器，它交易把分裂在多個路徑中，嵌入基于距離的路由會學習每個節點的矢量嵌入，從而在網絡中接近的節點嵌入原子。每個節點將每個交易中繼嵌入到最接近目的地的鄰居結點。動態更新嵌入和鏈接平衡變化是這些方法的主要挑戰。與之前工作的一個關鍵區別是，spider 通過首選路線積極計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注，定期選擇決策原子來計算再平衡交易。spider網絡明確將其納入路由算法。

4 架構

在當前的支付渠道網絡中，發件人首先找到一個或更多的有足夠的資金的路徑，以充分滿足付款需求，然后只通過在每個路徑上發送一個事務來傳輸它。此方法類似于電路切換并有幾個缺點。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。大額交易會耗盡支付渠道一側的資金，資金用完的一方不能發送更多的付款，直到它要么通過區塊鏈交易補充資金。spider網絡是一個數據包切換的支付通道網絡，可以解決這些問題。

4.1 spider網絡主機

spider網絡主機運行在傳輸層，為應用程序發送和接收付款提供標準接口。設想以信息為導向的傳輸，而不是像TCP 這樣的以流為導向的傳輸。要發送付款，應用程序指定目的地地址，運輸為比特原子和非比特原子支付提供接口。通過支付渠道網絡進行的交易被加密哈希洛克鎖定，其私人密鑰僅對發件人可知。實施非原子付款，發件人只需等待從接收方確認，她已經收到了一個交易單位（由付款ID和序列號），然后才發送密鑰。spider網絡與原子多路徑支付（AMP）兼容。AMP將付款拆分到多個路徑上，并獲取密鑰，所有支付交易由使用者秘密共享，它確保接收器不會被黑客解鎖。

圖3 路由器排隊交易優先和可用容量

4.2 spider網絡路由器

spider網絡路由器負責轉發交易單元到預期的接收器。現有的設計，如閃電網絡使用洋蔥路由來確保用戶付款的隱私。spider網絡路由器可以使用類似的機制為每個交易單位提供隱私。

spider網絡路由器在缺少交易單位時會排隊立即發送資金。如果交易平均需要?秒確認，總資金c的支付渠道可以支持凈值不超過c/?。spider網絡路由器交易單元的排隊可能會導致增加一些付款的延遲。但是，路由器可以通過根據付款要求（如截止日期或路由費用優先級）提供不同類型的服務。

圖4 兩種不同的平衡路由的示例方案

5 初步評估

5.1 設置模擬器

本文修改了現有的付款通道網絡模擬器，以模擬交易達成和完成事件。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列。隊列是定期的調查，看看交易是否可以進一步執行。根據調度算法安排，我們將實施網絡內隊列和費率控制進行卷積運算并評估了兩種不同拓撲：ISP拓撲和原始子圖波紋的拓撲?，F有的貨幣兌換網絡在XRP中交易。ISP拓撲有32個節點和152 邊緣。對于 ISP 拓撲，我們生成了200，000筆交易，在刪除后從 Ripple 數據中采樣了最大的10%的交易。平均交易規模數據集為170 XRP，最大尺寸為1780XRP。在采樣接收器時，從節點的指數分布中對每筆交易的發起人進行統一隨機采樣。所有圖形邊緣都給予相同的容量，在10000 XRP到100000 XRP范圍內進行鏈接實驗。我們還使用了來自 Ripple 網絡的數據（從2013年1月份開始）。原始數據集有90，000 個節點和330，000個節點邊緣。

生成的最大組件有3774個節點和12512個邊緣。原始數據集中的75，000 筆交易，在此子圖的節點之間有一個平均大小345 XRP 最大尺寸為2892 XRP的鏈接容量。因此，我們設置相關參數并將Ripple圖中的鏈接容量降低到30000。我們評估了SpeedyMurmurs惠斯珀斯系數和最大流量路由。

圖5 ISP拓撲和原始子圖波紋拓撲

5.2 結論

我們可以看到，將付款拆分為交易單位并根據SRPT安排，提供了一個最短的路徑路由方案，成功率比惠斯珀斯提高10%。雖然Max-flow 表現良好，每筆交易的間接費用都很高，相比之下，spider網絡能夠利用不平衡的TCN在內部執行5%的最大流量。

圖6 增加容量對成功率的影響

spider網絡（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應。這是因為 Spider（LP）使用需求矩陣的估計值在模擬的持續時間內做出決策。雖然這種方法有效固定交易達成模式（如 ISP 拓撲），它對波紋網絡不起作用，因為隨著時間的推移，流量需求會有所不同。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。此外實現一定的成功量或成功率，spider網絡需要鎖定的資本金額遠遠低于需要投資于任何其他方案。spider網絡（LP）對容量變化不太敏感，因為它能更好地避免容量失衡。

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2018年福建省中青年教師教育科研項目“基于模擬登錄的微博數據采集方案”（項目編號：JT180381）