论文 | 异构区块链中基于跨链oracle的数据迁移机制

Oracle可以帮助从外部世界获取信息。通过这种方式，它向智能合约提供可以触发智能合约预定义动作的外部信息。更实际一些，oracle可以被视为连接现实世界和区块链的接口。有五种不同类型的oracle。

•软件oracle：处理来自在线资源的信息数据，如实时温度和天气；

•硬件oracle：直接从物理世界提取信息数据，例如可能用于供应链的传感器数据；

•输入oracle：提供外部世界的数据；

•输出oracle：使智能合约具有向外部世界发送数据的能力;

•基于共识的oracle：只使用一种类型的oracle可能是有风险和不可靠的，为避免造市和其他风险，可以组合使用不同类型的oracle。

在该体系结构中，oracle集成了输入oracle和输出oracle的特性。它用于将数据从一个区块链迁移到另一个区块链。oracle在该架构中的职责包括接收用户的数据迁移请求，使智能合约能够将数据发送到区块链之外，并向另一个区块链提供数据。

在数据迁移机制中发挥如此重要的作用，保证oracle的健壮性至关重要。它是一个第三方服务，不属于区块链安全机制的一部分，不支持公共基础设施。因此，“中间人”攻击会阻碍异构区块链之间的数据安全传输。在这种情况下，我们假设提出的oracle是可信的，并且可以抵抗来自外部的各种攻击。

如图3右图所示，源区块链有4个以p2p的方式连接的节点、1个完整的区块链和共识算法。每个节点都有义务监听网络中发生的事件并采取相应的行动。在该体系结构中，每个节点不仅部署区块链智能合约，还部署oracle智能合约，用于与链下oracle进行交互。

联盟链中的节点更稳定，可靠性更高，可以保证一致性。从不同节点生成数据可以保持数据的一致性和完整性。由于区块链中的块处于传播过程中，很难保证每个节点都持有相同的副本。当多个节点同时操作数据时，如何在分布式环境下保证读写数据的一致性。以Paxos[6]算法为例，解决了上述问题。它用于在分布式环境中实现一致性。

图4描述了源区块链和数据迁移oracle之间的交互。oracle收到用户的数据迁移请求后，触发部署在区块链中的oracle合约，然后oracle合约向源区块链中的实际的智能合约发出请求。通过达成共识的过程，提交的数据被加密并传输到链下oracle。

目标区块链是表示数据的目的地的区块链，并将迁移数据写入区块链。与源区块链一样，目标区块链也是一个联盟链，可以在很大程度上保证节点和区块链的安全性和可信性。例如，如图3左边所示，3个节点负责监测发生的事件并将相关数据记录到区块链中。节点还部署了两个合约：oracle合约和目标区块链智能合约。区分源和目标区块链中的oracle契约是很重要的，它们在整个体系结构中扮演着不同的角色。

从源区块链接收数据后，必须选择一个绝对对等体来行使统计权利。在目标区块链中，共识算法的功能是选择一个值得信任的peer来赢得将数据记录到区块链的权利。例如，在目的地区块链中使用PBFT。该算法提供了活跃度和安全性，因为在总共n个副本中，最多(n-1)/3同时出现故障。这意味着客户端最终会收到对其请求的回复，并且根据线性化程度，这些回复是正确的。它可以允许系统在出现软件错误时继续正常工作。即使有恶意的peer，PBFT算法仍然可以很好地执行。

如图5所示，显示了离线oracle和目标区块链之间的数据传输。目标区块链智能合约向oracle合约发送请求，oracle合约从数据迁移oracle检索数据，并将数据发送回目标区块链中的智能合约。

在这个阶段，需要设置相关的数据和预定义的环境。应该预先定义唯一标识的区块链并阐明oracle如何与区块链连接。

定义1：点对点区块链。

源区块链和目标区块链是两个独立的区块链，也称为点对点区块链，这两个区块链既不依赖于其他区块链，也不依赖于其他区块链的侧链。这两个区块链可以表示为：

  表示区块链的唯一标识符，所以源区块链和目标区块链中的值是不同的。  是区块链中使用的共识协议。在这种情况下，  可以是POS，PoW，PBFT。  作为节点目录，包含一个区块链的所有节点信息。

定义2：跨链oracle

跨链oracle由从不同区块链中提取的不同交互引擎组成。所以oracle被表示为：

其中  表示数据迁移oracle与区块链之间的交互规则。交互规则是由区块链设计的，它限制了消息传输过程中读取或写入、解密或加密的权限。这样可以保证数据迁移过程中的安全性。

在此阶段，源区块链和目标区块链同时工作以加速数据迁移过程。在此阶段的最后，生成  中提交的数据和  中的节点。相关概念如下:

定义3：跨链数据迁移请求

跨链数据迁移请求由用户发起并发送给数据迁移oracle。该请求可表示如下：

  表示数据迁移请求ID，是数据迁移请求的唯一标识符。  是源区块链ID,  是目标区块链ID。两个区块链ID分别表示候选区块链和数据迁移方向。  是统一迁移数据格式的预定义数据格式。  为生命周期，表示消息存活时间。一旦时间过期，消息将失去其作用。这样，  可以保证数据迁移消息的有效性。

定义4：区块链中的节点

不同区块链中的节点可能扮演不同的角色。在Hyperledger Fabric中，节点可分为承诺节点、背书节点、领导节点和锚节点。轻节点和全节点在以太坊中也有区别。为简单起见，我们假设该体系结构中的所有节点都能够计算并存储我们使用的区块链中的所有信息，我们使用  表示源区块链和目标区块链中的节点。

提交数据和提交节点在执行阶段确定。我们将在此阶段解决数据迁移问题。重复使用非对称加密，以确保数据的完整性和机密性。

定义5：非对称加密

使用公钥加密的任何消息，如文本、二进制文件或文档，只能通过应用相同的算法，但使用匹配的私钥进行解密。任何使用私钥加密的消息只能使用匹配的公钥解密。此阶段生成三对密钥，密钥在每个过程中生效。

生成非对称密钥  用于安全地传输节点。  表示公钥,用于通过  加密节点信息。  表示私钥，被  用来对接收到的节点信息进行解密。

生成  用于  和  发送提交的数据信息。加密算法和解密方法相似。不同之处在于，在这种情况下，提交的数据信息不会在  中使用  进行解密。  将被传给  用于后者解密。

生成  用于在  和已提交节点之间传输已提交数据。

定义6：提交节点

所述节点信息记为：

定义7：已提交数据和已定义数据

这一阶段包含两种类型的数据。已提交的数据是  生成并使用  加密的数据，表示如下：

其中  表示  的ID，  表示由定义的数据格式封装的数据。  不会在  中解密，它将被  加密成  并直接传送给  。

在  中，可以使用  解密  ，使用  解密  。在这种情况下，我们可以在很大程度上保证迁移数据的完整性和机密性。

Ripple使银行、支付提供商、数字资产交易所和企业能够使用先进的区块链技术向全球发送资金。interledger[7]由ripple于2015年提出，是一种连接区块链和其他账本的协议，用于异构区块链之间的安全资产转移。作为公证处的代表项目，interledger在发送方区块链和接收方区块链之间采用可靠的连接器。资产由发送方发送到连接器，并由连接器妥善保存，直到接收方将实现或拒绝消息发送回连接器。如果接收到一个完成消息，资产将被发送给接收者。否则，资产将被追踪返回到发送者。

Cosmos Network项目[8]是侧链和中继链的一个代表性项目，由Tendermint组带头，允许多个区块链相互交互。该项目使用的共识协议是“拜占庭错误容忍Tendermint协议”。Cosmos Network上的独立区块链上被称为“区域”。各个区域通过中央的Cosmos Hub相互连接。通过这种方式，任意区块链中的用户可以通过Hub与任何其他区域交互。它的原生代币被称为“原子”，它对验证者的奖励被称为“光子”。比特币和以太坊等单个区块链目前不包括在Cosmos网络中。将它们添加为区域将实现它们之间的互操作性。

Jiang Yiming 等[9]提出了一个框架，将Tangle作为物联网区块链与另一个联盟链在数据管理的背景下进行集成。Tangle作为所有相关物联网设备的骨干运行，负责记录互联设备的信息。联盟链作为一个控制账本，防止对物联网设备的未授权访问。框架中使用了公证机制，在Tangle和联盟链之间打开了一个链下通道。本文没有详细介绍跨链技术，而是将其视为连接两个异构区块链的成熟工具。

Luo Kan 等[10]提出了一个交互式的多区块链体系结构和一个用于信息交换的互连区块链模型。为了实现多个异构区块链之间的互操作性，创建了一个路由器区块链，负责将消息从一个区块链路由到另一个区块链。还指定了路由消息的格式，以支持高效的路由。三阶段提交用于确认通信结果。

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