面向區(qū)塊鏈數(shù)字債券應用的鏈上鏈下協(xié)同方案研究

摘要：本文針對區(qū)塊鏈性能瓶頸造成區(qū)塊鏈數(shù)字債券服務開銷大、效率低的問題，研究鏈上鏈下協(xié)同技術，提出面向區(qū)塊鏈數(shù)字債券應用的鏈上鏈下協(xié)同方案。首先構建鏈上鏈下協(xié)同的區(qū)塊鏈數(shù)字債券系統(tǒng)模型，基于模型對債券發(fā)行、登記托管、交易結算和存續(xù)期業(yè)務進行梳理，分析具體的業(yè)務場景中傳統(tǒng)應用系統(tǒng)與區(qū)塊鏈底層平臺的數(shù)據(jù)交互和協(xié)同處理需求；其次研究主流的鏈上鏈下協(xié)同關鍵技術和應用系統(tǒng)；最后提出面向區(qū)塊鏈數(shù)字債券應用的鏈上鏈下協(xié)同方案，并在簿記建檔發(fā)行業(yè)務中完成對方案的落地實踐。

關鍵詞：區(qū)塊鏈 數(shù)字債券 鏈上鏈下協(xié)同

引言

區(qū)塊鏈的性能問題一直被研究人員廣泛討論。一方面，共識機制本身需要大量的消息傳遞和一致性校驗，占用大量通信和計算資源；另一方面，賬本副本存儲對節(jié)點的數(shù)據(jù)空間消耗非常大。在國家區(qū)塊鏈創(chuàng)新應用試點項目落地過程中，如何減少區(qū)塊鏈數(shù)字債券應用系統(tǒng)的存儲、網(wǎng)絡和計算資源消耗，為客戶提供高效靈敏的債券服務，是開發(fā)組最重視的問題之一。

為增加應用規(guī)模，提升區(qū)塊鏈效率，降低節(jié)點存儲壓力，研究人員陸續(xù)探索各類單鏈擴展技術，如共識算法優(yōu)化、數(shù)據(jù)分片等，但是單鏈的優(yōu)化理論難以同時滿足海量文件存儲、復雜計算邏輯和強安全的應用需求。在此背景下，工程領域提出鏈上鏈下協(xié)同的技術概念：鏈上（On-chain）為發(fā)生在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的活動，如交易、共識、智能合約執(zhí)行；鏈下（Off-chain）為發(fā)生在區(qū)塊鏈外的活動，如業(yè)務邏輯處理、數(shù)據(jù)存儲；協(xié)同則是指通過數(shù)據(jù)的交互和協(xié)作處理，實現(xiàn)鏈上鏈下能效互補，完成資源的最優(yōu)調(diào)配。中國工程院院士陳純認為，在區(qū)塊鏈技術全面應用于各行業(yè)領域的今天，鏈上鏈下協(xié)同技術將成為區(qū)塊鏈技術未來幾年的重點研究方向和支撐區(qū)塊鏈架構落地的重要方法。

設計鏈上鏈下協(xié)同的區(qū)塊鏈應用系統(tǒng)，關鍵在于對具體的業(yè)務流程進行分拆，將核心的多方協(xié)作業(yè)務放在鏈上完成，其他的非全局性的、不需要多方共識、體量大的數(shù)據(jù)和計算還是依托傳統(tǒng)系統(tǒng)處理、傳輸和存儲。這樣可以在不需要改變原有數(shù)據(jù)結構和管理模式的前提下，緩解區(qū)塊鏈的計算、通信和存儲壓力。Mor R S等（2020）提出利用區(qū)塊鏈改造“舊系統(tǒng)”的思想，實現(xiàn)分布式的算力合并；王茜等（2023）針對政務材料分布式存儲系統(tǒng)，設計鏈上鏈下協(xié)同的文件存儲技術體系，利用區(qū)塊鏈實現(xiàn)部門間的材料可信共享，提升區(qū)塊鏈海量數(shù)據(jù)處理能力。

然而，區(qū)塊鏈外的數(shù)據(jù)通常會實時更新，網(wǎng)絡延遲容易造成每個智能合約執(zhí)行節(jié)點獲取的數(shù)據(jù)有差別，導致最終執(zhí)行結果不一致。為解決上述問題，研究人員嘗試將預言機、可信執(zhí)行環(huán)境、零知識證明等技術應用到鏈上鏈下協(xié)同的數(shù)據(jù)交互流程中，確保輸入合約參數(shù)和上鏈信息的可信性。按照實際業(yè)務類型，鏈上鏈下協(xié)同的系統(tǒng)分為文件存儲、數(shù)據(jù)處理和可信計算三類。

本文首先介紹鏈上鏈下協(xié)同的區(qū)塊鏈數(shù)字債券系統(tǒng)模型的構建，并基于該模型對債券發(fā)行、登記托管、交易結算和存續(xù)期業(yè)務進行梳理，在具體的業(yè)務場景中分析傳統(tǒng)應用系統(tǒng)與區(qū)塊鏈底層平臺的數(shù)據(jù)交互和協(xié)同處理需求；其次研究主流的鏈上鏈下協(xié)同關鍵技術和應用系統(tǒng)；最后提出面向區(qū)塊鏈數(shù)字債券應用的鏈上鏈下協(xié)同方案，在簿記建檔發(fā)行業(yè)務中完成對方案的落地實踐。

鏈上鏈下協(xié)同的區(qū)塊鏈數(shù)字債券系統(tǒng)模型

鏈上鏈下協(xié)同的區(qū)塊鏈數(shù)字債券系統(tǒng)模型如圖1所示，中間虛線分割了區(qū)塊鏈底層平臺和傳統(tǒng)的債券業(yè)務系統(tǒng)，平臺和系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互由智能合約實現(xiàn)。傳統(tǒng)應用系統(tǒng)負責邏輯校驗、文件存儲、復雜計算，區(qū)塊鏈底層平臺負責存儲關鍵的過程數(shù)據(jù)，保證服務的可信性。

針對鏈上鏈下協(xié)同的區(qū)塊鏈數(shù)字債券系統(tǒng)模型，本文從對接的傳統(tǒng)應用系統(tǒng)、交互數(shù)據(jù)和協(xié)同處理三個方面，分析在債券發(fā)行、登記托管、交易結算、存續(xù)期業(yè)務中區(qū)塊鏈底層平臺與傳統(tǒng)應用系統(tǒng)的協(xié)同需求。

如表1所示，傳統(tǒng)應用系統(tǒng)包括債券信息自助披露系統(tǒng)、中國債券信息網(wǎng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、支付系統(tǒng)、數(shù)字支付系統(tǒng)、傳統(tǒng)登記系統(tǒng)、中債綜合業(yè)務系統(tǒng)、交易前臺和金融機構系統(tǒng)。交互數(shù)據(jù)包括募集文件、發(fā)行結果文件、發(fā)行人的信息披露文件、發(fā)行定價相關材料、分銷繳款到賬確認書和各種指令。按傳統(tǒng)應用系統(tǒng)中處理的指令，協(xié)同處理分為審核和校驗兩類。對體量較大的文件類數(shù)據(jù)，只在區(qū)塊鏈底層平臺中存證，對體量不大的指令類數(shù)據(jù)，可在區(qū)塊鏈底層平臺中存儲原文。

關鍵技術

（一）預言機（Oracle）

區(qū)塊鏈作為基于共識的分布式網(wǎng)絡，只支持確定性的虛擬機，這限制區(qū)塊鏈不能主動地獲取外部數(shù)據(jù)，特別是更新頻率高的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。預言機是連接區(qū)塊鏈和外部數(shù)據(jù)的第三方服務，負責驗證數(shù)據(jù)的真實性和完整性，從而為智能合約提供可信的輸入?yún)?shù)。按照預言機部署方式劃分，可分為中心化預言機和分布式預言機兩類。中心化預言機通常使用可信執(zhí)行環(huán)境證明數(shù)據(jù)的可信性，分布式預言機主要基于投票策略和聲譽模型來確保數(shù)據(jù)的真實和完整。當前主流的預言機項目眾多，中心化預言機（Provable）、可驗證數(shù)據(jù)供給系統(tǒng)（Town Crier）是一種中心化的預言機服務，基于可信執(zhí)行環(huán)境（Trust Execution Environment，TEE）構建信任機制；去中心化的預言機網(wǎng)絡（ChainLink）是分布式預言機服務，具有極高的兼容性，所有配置的預言機網(wǎng)絡都可以同時并行；聯(lián)盟鏈可信預言機（Truora）是面向聯(lián)盟鏈的開源預言機方案，支持中心化和非中心化兩種模式。

（二）可信執(zhí)行環(huán)境

可信執(zhí)行環(huán)境是芯片廠商在中央處理器（CPU）內(nèi)核里嵌入一塊安全空間，同時引入監(jiān)督（Moniter）機制支持CPU在安全模式和普通模式間切換，分時處理各系統(tǒng)傳輸?shù)恼埱蟆榱吮ＷC數(shù)據(jù)在總線上的傳輸安全，在產(chǎn)生數(shù)據(jù)時，會為在安全模式中處理的數(shù)據(jù)添加安全標記，并規(guī)定普通模式下的核心線程1只能訪問非安全的數(shù)據(jù)資源。在金融領域，2017年12月，中國人民銀行發(fā)布了《移動終端支付可信環(huán)境技術規(guī)范》，規(guī)定了移動終端支付領域可信環(huán)境的整體框架、可信執(zhí)行環(huán)境、通信安全、數(shù)據(jù)安全、客戶端支付應用等主要內(nèi)容。

（三）零知識證明（ZKP）

零知識證明是現(xiàn)代密碼學的基本理論之一，其核心思想是證明者在不透露任何信息的情況下，讓驗證者相信某個證明的真實性，這種模式既支持信息接收方判斷的基本權力，也不會泄露信息本身內(nèi)容。隨著算法效率的提高，零知識證明在區(qū)塊鏈領域得到了充分的應用，改進了區(qū)塊鏈的弱隱私的缺陷，使得區(qū)塊鏈的技術先進性越發(fā)顯著。

鏈上鏈下協(xié)同的應用系統(tǒng)

根據(jù)處理業(yè)務類型的不同，可將鏈上鏈下協(xié)同的系統(tǒng)分為鏈上鏈下協(xié)同的文件存儲系統(tǒng)、鏈上鏈下協(xié)同的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和鏈上鏈下協(xié)同的可信計算系統(tǒng)三大類。

（一）鏈上鏈下協(xié)同的文件存儲系統(tǒng)

文件一般指圖像、視頻、文本等數(shù)據(jù)類型，上傳到區(qū)塊鏈可以保證文件在共享過程中沒有被篡改，但由于文件數(shù)據(jù)的體量較大、訪問頻率高，會增加區(qū)塊鏈的存儲開銷，如信息披露文件。鏈上鏈下協(xié)同的文件系統(tǒng)充分結合文件共享的局部、點對點特性，將文件存儲在服務器、星際文件系統(tǒng)（IPFS）等專業(yè)海量文件存儲設備中，然后將文件的哈希計算結果2、文件擁有者簽名、文件檢索路徑（URL）上傳到區(qū)塊鏈。當用戶訪問某個文件時，首先需要根據(jù)檢索值，獲取對應文件的哈希值1和檢索路徑，其次根據(jù)檢索路徑獲得文件，并驗證文件的簽名、計算獲取的文件的哈希值2，最后對比哈希值1和哈希值2是否相等，以此判斷文件的真實性和完整性。

（二）鏈上鏈下協(xié)同的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

由于區(qū)塊鏈的分布式特性，復雜的處理邏輯并不適合以智能合約的形式實現(xiàn)，如加解密算法、配售計算。鏈上鏈下協(xié)同的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，則是把重要且需核心控制的業(yè)務邏輯拆解到鏈下中心服務器中執(zhí)行，在完成處理后，中心服務器把執(zhí)行結果和結果簽名以鍵值對（key-value）的形式存儲在區(qū)塊鏈賬本上。當用戶訪問某個處理結果時，首先根據(jù)檢索值查詢到結果和結果簽名，然后驗證簽名，通過中心服務器的可信性，判斷執(zhí)行結果是否真實。若對中心服務器產(chǎn)生疑問，可自行執(zhí)行復雜邏輯處理，驗證結果的真實性。

（三）鏈上鏈下協(xié)同的可信計算系統(tǒng)

鏈上鏈下協(xié)同的可信計算系統(tǒng)是針對可信性要求較高的密集計算，引入相應的可信執(zhí)行環(huán)境、零知識證明技術支持區(qū)塊鏈用戶驗證鏈上計算結果的正確性。具體而言，鏈下計算在可信執(zhí)行環(huán)境中完成，并對計算結果生成相應的零知識證明，執(zhí)行完相應計算后，可信執(zhí)行環(huán)境把計算結果和證明以鍵值對的形式存儲在區(qū)塊鏈賬本上。當用戶訪問某個計算結果時，首先根據(jù)檢索值查詢到結果和零知識證明，然后驗證判斷計算結果是否正確。

面向數(shù)字債券應用的鏈上鏈下協(xié)同方案

面向數(shù)字債券應用的鏈上鏈下協(xié)同方案架構如圖2所示，由統(tǒng)一客戶框架（Unified Capacity Framework，UCF）、應用后端、區(qū)塊鏈前端、區(qū)塊鏈后端組成。此架構中，我們把UCF端、應用后端劃分為“鏈下”應用系統(tǒng)，區(qū)塊鏈端的組件共同構成底層區(qū)塊鏈平臺。

指令處理流程是自頂向下的。UCF端接收用戶的請求，并把請求發(fā)送到應用后端，應用后端對請求進行處理后在應用數(shù)據(jù)中存儲相關數(shù)據(jù)。如果設計與區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)交互，則應用后端繼續(xù)轉發(fā)處理結果到區(qū)塊鏈前置軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK），SDK調(diào)用對應的智能合約完成區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)讀寫。

在實踐中，中央結算公司依托國家區(qū)塊鏈創(chuàng)新應用試點項目，考慮應用鏈上鏈下協(xié)同技術，將區(qū)塊鏈簿記建檔發(fā)行系統(tǒng)中的信息披露文件存儲、配售計算、加密處理業(yè)務分別遷移到“鏈下”完成。

（一）信息披露文件服務

信息披露文件服務旨在實現(xiàn)鏈上鏈下協(xié)同的信息披露文件存儲和共享。通過區(qū)塊鏈底層平臺連接債券信息自助披露系統(tǒng)和中國債券信息網(wǎng)，完成平臺和應用系統(tǒng)間的文件可信傳輸。如圖3所示，基于鏈上鏈下協(xié)同的文件存儲系統(tǒng)設計思路，UCF客戶端把收到的信息披露文件發(fā)送給債券信息自助披露系統(tǒng)后端進行審核，系統(tǒng)后端將審核通過的文件存儲到應用數(shù)據(jù)庫，同時轉發(fā)給區(qū)塊鏈前置SDK，區(qū)塊鏈前置SDK計算信息披露文件的摘要，并調(diào)用信披文件存證上鏈智能合約，把哈希結果存儲到區(qū)塊鏈賬本。區(qū)塊鏈前置SDK采用事件監(jiān)聽機制，將成功上鏈的信息披露文件推送到中國債券信息網(wǎng)。

（二）配售計算服務

配售計算服務旨在實現(xiàn)鏈上鏈下協(xié)同的配售處理和存儲，支持區(qū)塊鏈底層平臺和簿記建檔發(fā)行應用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)處理。如圖4所示，基于鏈上鏈下協(xié)同的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設計思路，UCF中心端把配售計算指令發(fā)送給簿記建檔發(fā)行系統(tǒng)后端，系統(tǒng)后端檢索應用數(shù)據(jù)庫中的申購明細完成配售處理，并將配售結果轉發(fā)給區(qū)塊鏈前置SDK，區(qū)塊鏈前置SDK調(diào)用配售結果存儲上鏈智能合約，把配售明細存儲到區(qū)塊鏈賬本中。

（三）密碼算法服務

密碼算法服務旨在實現(xiàn)鏈上鏈下協(xié)同的敏感債券業(yè)務數(shù)據(jù)加密存儲和共享，支持區(qū)塊鏈底層平臺和應用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)可信計算。如圖5所示，基于鏈上鏈下協(xié)同的可信計算系統(tǒng)的設計思路，UCF端把敏感債券業(yè)務數(shù)據(jù)發(fā)送給應用系統(tǒng)后端，應用系統(tǒng)后端校驗業(yè)務數(shù)據(jù)的合法性，把合法的數(shù)據(jù)傳遞給區(qū)塊鏈前置SDK，區(qū)塊鏈前置SDK加密相關數(shù)據(jù)字段，并調(diào)用數(shù)據(jù)密文存儲上鏈智能合約，把數(shù)據(jù)密文存儲到區(qū)塊鏈賬本中。

參考文獻

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