基于gas機制的聯盟鏈激勵機制設計

李慧凡，孫 力

（江南大學 人文學院，江蘇無錫 214122）

0 引言

大數據時代的到來為海量數據運用創造了價值［1］，但隨著數據信息量呈現爆炸式增長，數據信息隱私泄露、數據可用性差、數據濫用［4］、共享率低等數據管理問題逐漸凸顯［2-4］。在區塊鏈3.0 時代背景下，作為跨領域技術整合體的區塊鏈技術為社會各領域的發展提供了新的動力［5-6］。由于其去中心化、高可信、不可篡改等特性，在提高數據安全與共享方面提供了新的技術支持與幫助。簡言之，區塊鏈技術是一種按照一定時間順序將區塊加密后以鏈的方式組合在一起的分布式數據結構［7］，其基礎架構包含數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層、應用層共6 層［8］。從功能層面看，底層的數據層和網絡層實現了數據信息存儲和傳輸；合約層和應用層實現了與用戶需求的連接，共識層決定著執行操作的成敗，而位于共識層之上的激勵層承擔著對參與共識的節點進行激勵，從而提高共識效率的作用；位于頂層的合約層和應用層實現了區塊鏈與用戶需求的連接。因此，區塊鏈中激勵層的改進必定會為優化共識過程提供新思路。

區塊鏈技術按照準入機制與共識過程不同，分為公有鏈、私有鏈、聯盟鏈3 類［9］。3 類區塊鏈由于激勵機制不同，存在著不同程度的安全性和不同的共識效率。在公有鏈中，比特幣作為激勵手段對礦工參與共識過程的工作量進行激勵［10］，其共識過程雖然具有去中心化、數據不可篡改的特性，但因存在共識效率不高、存儲資源消耗過大導致使用成本較高、數據信息全網節點可見等問題［11］，難以快速實現應用。由特定節點組成的私有鏈仍保留著中心化的特點，因此在私有鏈上執行操作并無共識過程，也無激勵機制，這使得私有鏈難以在多方合作者之間發展。聯盟鏈指其共識過程受到預選節點控制的區塊鏈［12］，因此聯盟鏈的共識過程具有弱中心化和強信任等特點。通過比較發現，不同類型區塊鏈的共識過程與激勵機制也各不相同，受預先控制的聯盟鏈較符合學校、銀行、商業等領域的應用需求。

在區塊鏈激勵機制的已有應用中，以太坊內部用于激勵礦工的gas 機制已較為成熟。在以太坊中，通過使用者付費方式對參與每筆交易的礦工給予激勵［13］，其激勵方式不僅增強了以太坊運行的安全性和穩定性，還提高了交易效率，促進了以太坊平臺發展。Li 等［14］針對車輛公告網絡中個人信息隱私保護較差、發布或轉發信息動力低等問題，運用區塊鏈技術開發出一種通過賬戶給予外在激勵作用，名為CreditCoin 的公告網絡；Lin 等［15］針對數據處理中的數據準確性和數據存在的內部攻擊等問題，提出了一種基于信譽的激勵機制；王娟等［16］認為激勵機制分為內在激勵機制和外在激勵機制，內在激勵機制包括自我實現激勵、娛樂、社交和情感，外在激勵機制包括經濟利益和外部影響；何云華等［17］基于區塊鏈視角總結了激勵機制研究現狀并進行分類，指出針對不同場景采用不同的激勵方法，并從隱私性、可拓展性等方面評價激勵機制。然而，關于聯盟鏈缺乏激勵機制導致其共識效率不高、聯盟內成員數量增加緩慢等問題仍有待深入研究。

基于此，本文通過對聯盟鏈與gas 機制原理的介紹，分析來自gas 機制對聯盟鏈激勵機制設計帶來的啟示，在聯盟鏈上設計出包括申請加入聯盟、數據信息上傳、修改、查詢和下載5 種不同應用場景下的激勵機制流程，并結合聯盟鏈的應用平臺Hyperledger Fabric，設計了上傳、下載激勵機制的運用流程，以期為聯盟鏈激勵機制設計與研究提供參考，為實現聯盟鏈自身發展、推動聯盟鏈上數據信息共享、加快業務流通提供幫助。

1 聯盟鏈定義與特點

1.1 聯盟鏈定義

聯盟鏈由多個組織，例如學校、企業、公司等組成聯盟，在聯盟組織內，成員的身份通常是可知的。聯盟鏈上的節點可以讀取鏈上信息［18］，但寫入與更新區塊鏈內容僅具有管理身份的節點才能執行操作，并使用一致性機制驗證其管理身份之間的數據寫入。由此，聯盟鏈是限定加入、讀寫權限的一種可控區塊鏈。

1.2 聯盟鏈特點

1.2.1 弱中心化

通過與公有鏈準入機制的比較，聯盟鏈對成員的加入與權限分配有著非常嚴格的限制。申請加入聯盟鏈的成員都要經過準入許可后才能加入，并且聯盟鏈會對節點的身份進行預先設置，聯盟鏈上賬本的查詢與寫入功能僅讓有權限的成員參與［19］。而與私有鏈相比較，私有鏈的應用場景一般在企業內部，進入權限由某個組織進行控制，各節點參與資格由該組織授權控制，因此私有鏈仍保留著中心化的特點。對比發現，不同于去中心化的公有鏈和中心化的私有鏈，聯盟鏈有著弱中心化的特點。

1.2.2 高速率

聯盟鏈上節點數目不多，因此發起交易后達成共識的速度會比需要全網共識的公有鏈速度更快。公有鏈上的數據具有不可篡改的特性是由于需要50%以上的節點達成共識才可以對數據進行修改，而聯盟鏈上的數據信息在有權限的節點中達成共識后，就可以進行更改。因此，聯盟鏈的交易速率更高。

1.2.3 高可信

在公有鏈上的所有節點都有權參與執行公有鏈上的交易信息。雖然在節點處理信息時會通過非對稱加密技術對交易進行匿名處理，但是公有鏈不能保證交易隱私，因為每個公鑰的所有交易和余額的值都是公開可見的。而比較于公有鏈，在聯盟鏈上只有聯盟內部的成員可以訪問聯盟鏈上的數據信息，而外部成員則無法訪問［20］。因此，聯盟鏈具有更高的可信度。

2 以太坊的gas 激勵機制原理及啟示

2.1 gas 機制來源

以太坊上智能合約的應用意味著區塊鏈2.0 時代的到來［20］。智能合約在以太坊中的應用實現了用戶需求與區塊鏈技術的對接。智能合約是通過在以太坊的虛擬機上運行代碼實現，網絡中的每個節點都會成為運行實現代碼驗證協議的一部分。因此，智能合約在交易執行過程中被每個節點執行，代碼的重復執行都消耗著一定的資源。為了解決每個節點執行過程中過度消耗、資源浪費的問題，以太坊提出了一種簡稱gas 的激勵機制。gas 是以太坊虛擬機內部流通的貨幣，以太坊虛擬機用gas 對交易打包、智能合約執行等操作收取費用［21］。

2.2 gas 機制激勵過程

2.2.1 gas 組成

gas 是衡量執行某些操作所需計算量的單位，用來計算為了執行操作而需要支付給網絡的費用數額，由已消耗gas（gas used）、gas 單價（gas price）、gas 額度限制（gas limit）、支付用費（fees）4 個部分組成。已消耗gas（gas used）是用來交易的實際的gas 量；gas 單價（gas price）是每單位gas 的價格；gas 額度限制（gas limit）是交易發起者在本次交易中支付的最大額度的gas 量；支付給礦工的費用-支付用費（fees）由已消耗gas（gas used）和gas 單價（gas price）組成，在支付前需要對支付費用進行換算后以以太幣的形式發放給礦工。

2.2.2 激勵過程

用戶在以太坊中發起一筆交易的執行流程大致分為發起交易、驗證交易信息、廣播交易、礦工選擇交易、執行交易、交易執行結果記錄6 個階段，如圖1 所示。第一階段，用戶發起交易時需要設定本次交易執行過程中gas limit 的值，需要注意的是，gas limit 的設定將決定在第四階段時交易被處理的速度與是否被礦工所選擇；第二階段，對用戶簽名、交易賬戶、交易值等進行確定；第三階段，對發起的交易進行廣播，網絡中的節點將接收到廣播；第四階段，礦工節點將根據gas limit、gas price 的設定選擇是否打包該交易；第五階段，礦工完成對交易的打包，并且收取交易發起者設定的gas limit；第六階段，在以太坊世界狀態中刷新用戶狀態，全網節點進行記錄。

gas 機制的優勢之一是對礦工的工作量設置了保護。如果gas limit 設置過小，一旦交易被礦工處理，所消耗的gas 將不會再返回交易發起人賬戶，而是將消耗的gas 用于獎勵礦工執行代碼的工作量。即在交易未被完全處理時gas limit 就被耗盡，則造成已執行的合約被復原，并在區塊鏈上記錄交易失敗信息。由此，無論交易成功與否、選擇對交易打包的礦工都會收到gas 獎勵。

Fig.1 Flow of gas incentive mechanism圖1 gas 激勵機制流程

gas 機制的另一個優勢是對交易發起人將要消耗的gas總量進行保護，避免用戶余額浪費。交易發生前用戶很難準確預估將要消耗的gas 值，因此，gas 機制設定支付礦工消耗費用后將剩余的gas 返回到用戶賬戶。

2.3 gas 機制意義

首先，gas 機制在以太坊中的執行，使得每個被發起的交易都要由使用者付出一定費用，按照工作量的不同去支付，因此贏得了許多礦工的加入，使得以太坊得以不斷發展；其次，由于每一個交易代碼的運行都需要向以太坊網絡支付費用，如果有惡意攻擊者發起攻擊，也需要為攻擊運算的代碼付費，且攻擊一旦失敗則會支付更多費用，gas機制的設定提高了以太坊網絡的安全性；最后，為了減少代碼費用支付，開發者會使用簡潔高效的代碼進行開發，使得以太坊網絡的運行速率大幅提高。簡而言之，gas 機制在以太坊中的應用不僅優化了以太坊網絡的安全性與運行速率，還讓更多想要得到激勵獎勵的礦工加入其中，讓以太坊得到穩定發展。

3 聯盟鏈激勵機制設計

gas 機制提供了一種用戶需要對礦工在交易中的勞動貢獻進行付費的方式，聯盟鏈也需要這樣一種方式以促進數據信息共享與使用，并在安全可信的聯盟鏈環境下提高交易效率。本文從聯盟鏈的底層技術與運作原理出發，采用積分機制的激勵方法，當非聯盟成員或聯盟內成員發起交易請求時，由管理節點進行請求消息審核，審核通過后將請求消息廣播到聯盟鏈內，從而觸發聯盟鏈上的積分激勵機制。具體操作是，首先在聯盟鏈上設置一個積分管理中心，用于對所有節點的積分生成與消耗進行記錄；并設置聯盟鏈上節點的身份分別為證書認證中心、交易發起者和處理者、管理節點（共識節點和執行節點）和普通用戶成員。其次，根據交易發起者在聯盟鏈上提出的業務請求類型，分別為申請加入聯盟、數據信息上傳、數據信息修改、數據信息查詢和數據信息下載等請求。不同的請求類型將帶來不同的積分消耗和生成過程，交易發起者被消耗的積分將依據一定規則獎勵給參與共識過程的管理節點和交易處理者，積分生成或消耗的記錄會分別記錄到積分管理中心、交易發起者和交易處理者個人積分賬戶、管理節點的積分賬戶。本文將對不同請求下聯盟鏈的激勵流程進行闡述，如圖2 所示。

Fig.2 Flow of consortium chain incentive mechanism圖2 聯盟鏈激勵機制流程

（1）申請加入聯盟請求。設定入盟規則為隨著時間變化入盟獎勵會越來越少，當聯盟鏈上的成員達到飽和后，后續加入的成員需要上交一定的入盟費用并獲得已有成員的認可后方可加入，此入盟費用將用于獎勵給聯盟內部的已有成員。入盟審核是由網絡中的用戶提出加入申請，具有管理身份的共識節點和執行節點對該申請進行審核，審核通過后由證書認證中心發布出該節點的認證證書信息與公私鑰對，提出申請的節點保留自己的私鑰，證書管理節點廣播此用戶的身份信息和公鑰信息，便于全網節點對資源進行校檢。在成功加入聯盟后對該節點進行積分獎勵并由積分管理中心在新入盟成員的個人積分賬戶進行記錄。此積分可用于查詢、下載聯盟鏈上的數據信息。

（2）數據信息上傳請求。由網絡中的用戶節點向管理身份的節點提出數據信息上傳申請，并審查數據信息的安全與質量。在審查通過后，證書認證中心要對數據信息的版本信息進行審核，校檢該數據信息是否為新數據信息。審核通過后，由證書認證中心發布認證證書與公私鑰對并注明數據信息的版本號，以方便后續修改與更新業務。對發布數據信息的用戶、參與數據請求過程的管理節點賬戶進行積分獎勵并由積分管理中心對參與該過程的節點與成員分別進行積分激勵記錄，以此激勵聯盟鏈上的成員共享數據信息。

（3）數據信息修改請求。網絡中的用戶節點提出數據信息修改請求后，要先由管理節點核查數據信息的安全與質量，核查通過之后交給證書認證中心核查該數據信息的版本歷史信息，若無版本歷史信息則認定為新的數據信息并發布認證證書與公私鑰對。核查通過后，對上傳該資源的賬戶、參與數據請求過程的管理節點賬戶按一定規則分別進行積分獎勵，并由積分管理中心與參與該過程的節點與成員分別進行記錄。需要注意的是，更新后原版本信息和更新后信息都會在區塊鏈上有所記錄。

（4）數據信息查詢請求。與上述不同的是，數據信息查詢請求會消耗用戶積分，但若積分不足可能會引起查詢失敗或無法查詢完整信息，并且對應于gas 機制已消耗的積分將不再返回交易發起者賬戶。因此，在用戶賬戶積分充足的情況下才會查詢成功。查詢流程是由單個或多個交易發起者用戶發起交易查詢申請，多人共同查詢的優勢是平攤查詢成本，以此激勵更多用戶參與到資源查詢中。在發起交易申請后由管理節點對交易節點賬戶進行審核，判斷是單賬戶還是多賬戶發起的交易，并對賬戶的認證信息進行身份核查。確定交易發起人用戶信息后將交易廣播到全網節點，聯盟上的成員收到查詢請求后可以選擇是否加入此交易。確認參加后由管理節點對參加交易的節點進行排序，最先決定參加處理該交易的成員將得到被查詢的機會。并且，向交易發起者公開被查詢的數據信息，在查詢成功后，交易發起者將被扣除查詢所消耗的積分，按照一定規則將部分積分轉移到交易處理者賬戶，另一部分轉到參與交易處理的管理節點賬戶，積分轉移信息由積分管理中心和相關成員賬戶進行記錄。

（5）數據信息下載請求。數據信息下載請求屬于積分消耗請求，對應于gas 機制中的勞動付費原則，若交易發起者賬戶積分不足，數據信息下載將會失敗，并且用戶下載消耗的積分不會被退回到原有積分賬戶。此外，網絡中的交易發起者節點發布數據信息下載請求的前提是已被成功查詢。具體流程如下，交易發起者判斷是所需數據信息后，需要再次對管理節點發送下載請求。管理節點審核成功后向數據信息所有者廣播下載請求消息。該消息得到交易處理者確認后，向交易發起者提供下載該數據信息的鏈接。當積分被消耗完時，鏈接將會失效，交易發起者將無法繼續對該資源進行下載。同時，按照一定規則將消耗的積分部分轉移到交易處理者與管理節點的賬戶并由積分管理中心記錄。

4 基于Hyperledger Fabric 平臺的聯盟鏈激勵機制應用設計

4.1 Hyperledger Fabric 交易機制

Hyperledger 是Linux 基金會于2015 年發起的旨在推進區塊鏈技術發展的開源項目，提供一個開放平臺的方式，為全球商業、金融、物聯網等領域提供支持［22］。本文以Hyperledger Fabric 平臺為例，對聯盟鏈的激勵機制應用過程進行闡述，明確Hyperledger Fabric 的組織架構與共識機制是該平臺實現激勵機制的基礎。

4.1.1 Hyperledger Fabric 組織架構

Hyperledger Fabric 由聯盟、通道、組織、若干不同身份節點組成。聯盟通常由一個或多個組織構成，處于同一通道內為一個聯盟。通道是一個邏輯概念，是在通道上的部分網絡成員之間擁有的獨立通信渠道。Hyperledger Fabric內部由不同的組織劃分，組織內由分布在世界各地的聯網機器或虛擬機組成不同身份的成員，成員身份包括：客戶端節點、記賬節點、提交節點、背書節點、排序節點、錨節點、CA 節點等，不同的成員可以選擇加入不同的組織。

4.1.2 Hyperledger Fabric 共識機制

超級賬本采用PBFT 共識算法，目的在于保持網絡節點之間的分布式狀態一致。共識過程通常分為背書、排序、校檢3 個階段［23］，如圖3 所示。第一階段是背書階段，在超級賬本中會設定若干個節點或特定的節點擔任背書節點身份。背書節點對客戶端發起的交易數據信息進行合法性校檢并模擬鏈碼執行得到交易結果、根據預先設定的背書策略判斷是否支持該交易。校檢通過后，對該交易提案簽名再返回客戶端。第二階段是在超級賬本上各通道內對各組織上的交易進行排序，目的是確定交易信息之間的時序關系。同時，通過kafka 模式對交易消息進行處理并分發給通道中的成員，保證所有節點數據一致性。第三階段是校檢階段，由提交節點對排序后的交易進行一系列檢驗，包括交易數據的完整性和唯一性、背書簽名正確性等。校檢通過則按照交易的順序記錄于賬本，始終保持不同記賬節點的狀態一致。

Fig.3 Hyperledger Fabric consensus process flow圖3 Hyperledger Fabric 共識過程流程

4.2 基于Hyperledger Fabric 激勵流程的應用流程

聯盟鏈中的一般激勵機制是由不同身份的聯盟成員、證書認證中心、積分管理中心組成。在Hypeledger Fabric中激勵機制的執行同樣需要通過客戶端節點、記賬節點、提交節點、背書節點、排序節點、錨節點、CA 節點的參與共同完成。但還缺少實現激勵機制的觸發節點，因此要在Hyperledger Fabric 的聯盟內部設置某個節點的特定身份為積分管理中心，用于實現存儲積分激勵機制的觸發功能。當數據信息交易請求被提起時，首先由管理節點進行請求消息審核，審核通過后將該消息廣播到聯盟鏈上，并同時觸發數據信息交易的激勵機制。

4.2.1 上傳數據信息事務激勵流程

根據上文聯盟鏈的用戶成員發送上傳數據信息請求的一般激勵流程，基于Hyperledger Fabric 上傳請求激勵具體流程如圖4 所示。首先，客戶端的應用程序發起上傳交易提案請求到背書節點，背書節點接收到交易上傳請求后，先對交易提案進行合法性檢驗，驗證通過后模擬執行鏈碼并得到交易結果；再依據背書策略決定是否支持交易提案，若支持則生成提案響應和背書簽名并發送給客戶端的應用程序。在應用程序收到所有背書節點的背書簽名并進行檢驗后，需要向排序節點提交交易。排序節點接收到交易請求后，要先對交易提案請求、背書節點的提案響應與背書簽名進行驗證并打包；之后對所有通道發出的交易信息，按照交易的接收時間進行打包并生成區塊廣播給通道上不同組織的主節點；再由每個組織的主節點將交易消息發送到組織內部的每個記賬節點并進行更新。如果該交易無效，則不再更新當前的世界狀態，但區塊仍會更新。因此，在對客戶端節點的上傳請求進行激勵時，應判斷該交易是否成功更新世界狀態。若成功更新，應依據規則，給予參與該共識過程的背書節點和執行節點相應的積分獎勵并記入節點的積分賬戶上，將獎勵生成的積分記錄到積分管理中心以便后期查詢以及積分使用情況記錄。

Fig.4 Fabric upload request excitation flow圖4 Fabric 上傳請求激勵流程

4.2.2 下載數據信息事務激勵流程

根據上文聯盟鏈的用戶成員發送下載數據信息請求的一般流程，基于Hyperledger Fabric 的下載流程如圖5 所示。首先，由個人或多人客戶端共同發起同一個下載交易提案請求到背書節點，此時客戶端的身份為交易發起者。背書節點要經過3 部分校檢，首先對交易信息進行驗證；然后，對該交易是否完成查詢請求進行校檢，若未完成，則不返回交易提案，若已完成查詢，則返回背書簽名和交易提案；再由背書節點對用戶的積分余額進行查詢，以免余額為空無法進行交易。背書完成后，由排序節點對交易進行排序，并廣播到每個組織的主節點。在組織內部成員收到下載資源請求后，第一個接收該數據信息下載請求者為交易處理者，由交易處理者向交易發起者提供下載數據信息鏈接，并由交易發起者支付一定積分。需要注意的是，當資源下載未成功時，已支付積分不再返回交易發起者賬戶，并由積分管理中心對兩者積分變動進行記錄。當下載成功時，處于組織上的主節點將交易成功消息進行廣播，并由各組織上記賬節點進行記錄并更新區塊的世界狀態。被使用于下載當前數據信息消耗的積分將依據一定規則，將部分積分轉移到交易處理者賬戶，同時將另一部分積分轉移到參與該交易的背書節點與執行節點的賬戶。由積分管理中心對參與該交易的成員與管理節點的個人積分賬戶進行記錄。

Fig.5 Fabric download request excitation flow圖5 Fabric 下載請求激勵流程

5 結語

加快區塊鏈技術的商業應用部署能夠更好地提高社會各領域之間的合作與共建共享，推動數字化時代數據信息流通模式變革。激勵機制作為提高區塊鏈運行速率與安全性的重要手段，其進步與發展必定會成為驅動區塊鏈技術應用持續發展的核心動力。通過對不同類型區塊鏈的比較分析發現，聯盟鏈相較于公有鏈和私有鏈更適合于商業應用。基于此，本文對聯盟鏈原理與特征、gas 激勵機制的激勵過程及啟示進行了闡述。經分析發現，gas 激勵機制的核心在于采用對礦工所有勞動量付費的方式。因此，本文結合聯盟鏈的原理與特點設計了在聯盟鏈上入盟、數據信息上傳、下載、查詢等應用場景的激勵流程，并結合Hyperledger Fabric 設計實際應用流程，以期通過激勵機制設計，實現聯盟鏈成員擴大，進而加強聯盟內部穩定性。此外，每位成員都有在聯盟鏈上分享與獲取數據信息的權利，希望通過不同成員之間的分享，提高數據信息使用價值，并吸引更多領域的人為聯盟鏈的應用與發展作出貢獻。