一种基于spider网络的加密货币支付路由算法

◆黄志高

一种基于spider网络的加密货币支付路由算法

◆黄志高

（泉州师范学院 福建 362000）

随着比特币和其他加密货币的使用日益增多，出现了许多加密货币的可伸缩性难题。一个很有前途的可伸缩性解决方案，以比特币闪电网络为例，使用双向支付通道的网络，允许双方快速交易。然而，在这些网络上高效地路由付款并不容易，因为付款需要找到有足够资金的路径，而且随着时间的推移，渠道可能变得单向，阻碍通过这些网络进行进一步的交易。今天的支付渠道网络通过试图以比特原子传递所有的支付，加剧了这些问题。我们提出了Spider网络以应对这些挑战，这是一种新的用于支付信道网络的分组交换架构。spider网络将付款分割成事务单元，并在一段时间内通过不同的路径传送。Spider路由器使用拥塞控制、网络调度和不平衡感知路由来优化支付的交易。实验的结果显示spider网络适度地提高了加密货币的支付运算效率。

加密货币；闪电网络；区块链；spider网络

1 前言

今天的加密货币交易吞吐量低和确认时间慢[1]。比如比特币算力集中化、交易吞吐量低、交易速度慢、确认时间长、交易费用高以及难以与现有支付和金融系统集成等问题严重，需要几十分钟来确认交易。相比之下，像Visa这样的已建立的支付系统每秒可以处理数千笔交易。此外，高交易成本使当前区块链的微支付变得不切实际[2]。支付渠道网络是应对这些可扩展性挑战的主要方法。支付渠道是代管给定Alice资金的区块链交易以便将来交易给特定收件人Bob，很像一张礼品卡，一旦Alice打开一个付款渠道给Bob，她可以反复和安全地转移资金，而不用记录区块链上的每一笔交易。通过中间支付渠道路由付款，参与者在支付渠道网络即使不共享直接支付渠道，也可以转移资金。支付渠道网络已被作为一种改变游戏规则的技术，具有多个正在开发中的实现方案（例如，比特币闪电网络[3]，以太坊的突袭网络[4]）。支付渠道网络传输加密货币，而不是数据，但是他们的设计给通信网络带来了一些技术和经济上的挑战。首先，付款信道网络需要有效的机制来查找路径支付并保证高吞吐量和低延迟。实现高交易吞吐量尤其重要，而不必在支付渠道中代管大量资金。其次网络必须为两个最终用户提供正确的激励措施，以及低交易费用，从路由付款中最大限度地提高他们的利润。此外应确保用户交易的隐私。在本文中，我们介绍了spider网络，一种新的支付设计通道网络。spider网络使用两个主要的想法来区分于现有的方法。首先，它使用数据包切换。现有设计尝试在路径上以比特原子方式发送足够的资金来完全满足付款，这种方法类似于电路切换。相比之下，spider网络的发送者将付款分解为交易单位，并在一段时间内跨越不同的网络路径。spider网络利用交易单位的拥堵控制和网内调度，实现支付渠道资金的高利用率，同时支持各种支付服务。spider网络的第二个关键想法是不平衡的支付路由。路由的重要挑战是，当交易率较高时，支付渠道变得不平衡，支付更多款项的一方最终耗尽了资金，无法进一步发送付款时，将新资金存入支付渠道上的区块链。我们从第一原则分析费率不平衡的路由约束，并实现最大付款吞吐量取属性。与之前的路由支付方法相比，对于在网络中流出的特定金额，单位时间完成的交易量增加了10-15%。在类似ISP的拓扑学中，spider网络在这两种方法上都比经典的最大流量方法好5-15%。

图1 Alice和Bob之间的双向支付渠道

2 背景介绍

双向支付渠道允许发起人（Alice）将资金发送给接收方（Bob），反之亦然。为了打开一个支付渠道，Alice和Bob共同创建以固定金额代管资金的交易时间。假设现在Bob想转移一个令牌给Alice，他送她一个加密签名的消息断言，此消息是比特区块链；如果Alice想送两个令牌给Bob，她送一个签署消息给Bob批准新的平衡。这种情况一直持续到一方决定关闭通道，在这一点上，他们发布最新的消息区块链维护通道平衡。支付渠道网络是双向的集合付款渠道。如果Alice想发送三个令牌给Bob，她首先找到一个路径Bob，可以支持三个付款令牌。路径上的中间节点将中继付款到目的地。为了防止货币攻击，一个加密的哈希锁确保所有中间交易发生在持有有效的私人密钥的收件人之间。一旦Alice准备付钱，她就把钥匙给了Bob。他要么广播（如果他决定关闭频道）或者被激励传递钥给中间人，这样他也可以得到报酬。

3 相关工作

首先，需要解决的重要问题是如何选择交易路线。在比特币闪电网络中，每个节点都保持网络拓扑和源路交易的本地视图。节点使用最短的路径选择路径算法，一个重要的基准是最大流量路由，它使用分布式福特-福尔克森算法，以找到源目的地路径，支持每笔交易的最大交易量。如果此卷超过交易价值，交易成功。最大流量路由是吞吐量和交易成功率，但它有高开销，需要用O（|V |•|E|2）计算每笔交易，其中|V |和|E|分别是网络中的节点和边缘数。目前，比特币闪电网络有1000个节点和10，000个信道，计算开销非常大。

图2 路径（Alice，Charlie，Bob）支持3个令牌

在地标路由中，选择路由器（地标）存储网络其余部分的路由表，节点只需将交易路由到地标。此方法用于分组封装器，它交易把分裂在多个路径中，嵌入基于距离的路由会学习每个节点的矢量嵌入，从而在网络中接近的节点嵌入原子。每个节点将每个交易中继嵌入到最接近目的地的邻居结点。动态更新嵌入和链接平衡变化是这些方法的主要挑战。与之前工作的一个关键区别是，spider 通过首选路线积极计算通道不平衡的成本重新平衡渠道。渠道不平衡的问题受到越来越多的关注，定期选择决策原子来计算再平衡交易。spider网络明确将其纳入路由算法。

4 架构

在当前的支付渠道网络中，发件人首先找到一个或更多的有足够的资金的路径，以充分满足付款需求，然后只通过在每个路径上发送一个事务来传输它。此方法类似于电路切换并有几个缺点。首先，它使难以支持大额付款。其次，它加剧了支付方面的不平衡渠道。大额交易会耗尽支付渠道一侧的资金，资金用完的一方不能发送更多的付款，直到它要么通过区块链交易补充资金。spider网络是一个数据包切换的支付通道网络，可以解决这些问题。

4.1 spider网络主机

spider网络主机运行在传输层，为应用程序发送和接收付款提供标准接口。设想以信息为导向的传输，而不是像TCP 这样的以流为导向的传输。要发送付款，应用程序指定目的地地址，运输为比特原子和非比特原子支付提供接口。通过支付渠道网络进行的交易被加密哈希洛克锁定，其私人密钥仅对发件人可知。实施非原子付款，发件人只需等待从接收方确认，她已经收到了一个交易单位（由付款ID和序列号），然后才发送密钥。spider网络与原子多路径支付（AMP）兼容。AMP将付款拆分到多个路径上，并获取密钥，所有支付交易由使用者秘密共享，它确保接收器不会被黑客解锁。

图3 路由器排队交易优先和可用容量

4.2 spider网络路由器

spider网络路由器负责转发交易单元到预期的接收器。现有的设计，如闪电网络使用洋葱路由来确保用户付款的隐私。spider网络路由器可以使用类似的机制为每个交易单位提供隐私。

spider网络路由器在缺少交易单位时会排队立即发送资金。如果交易平均需要∆秒确认，总资金c的支付渠道可以支持净值不超过c/∆。spider网络路由器交易单元的排队可能会导致增加一些付款的延迟。但是，路由器可以通过根据付款要求（如截止日期或路由费用优先级）提供不同类型的服务。

图4 两种不同的平衡路由的示例方案

5 初步评估

5.1 设置模拟器

本文修改了现有的付款通道网络模拟器，以模拟交易达成和完成事件。如果资金在所需的路径上可用，则路由算法成功的付款，导致延迟 0.5 秒向接收方提供资金。模拟器支持非原子支付通过全球待付款队列。队列是定期的调查，看看交易是否可以进一步执行。根据调度算法安排，我们将实施网络内队列和费率控制进行卷积运算并评估了两种不同拓扑：ISP拓扑和原始子图波纹的拓扑。现有的货币兑换网络在XRP中交易。ISP拓扑有32个节点和152 边缘。对于 ISP 拓扑，我们生成了200，000笔交易，在删除后从 Ripple 数据中采样了最大的10%的交易。平均交易规模数据集为170 XRP，最大尺寸为1780XRP。在采样接收器时，从节点的指数分布中对每笔交易的发起人进行统一随机采样。所有图形边缘都给予相同的容量，在10000 XRP到100000 XRP范围内进行链接实验。我们还使用了来自 Ripple 网络的数据（从2013年1月份开始）。原始数据集有90，000 个节点和330，000个节点边缘。

生成的最大组件有3774个节点和12512个边缘。原始数据集中的75，000 笔交易，在此子图的节点之间有一个平均大小345 XRP 最大尺寸为2892 XRP的链接容量。因此，我们设置相关参数并将Ripple图中的链接容量降低到30000。我们评估了SpeedyMurmurs惠斯珀斯系数和最大流量路由。

图5 ISP拓扑和原始子图波纹拓扑

5.2 结论

我们可以看到，将付款拆分为交易单位并根据SRPT安排，提供了一个最短的路径路由方案，成功率比惠斯珀斯提高10%。虽然Max-flow 表现良好，每笔交易的间接费用都很高，相比之下，spider网络能够利用不平衡的TCN在内部执行5%的最大流量。

图6 增加容量对成功率的影响

spider网络（LP）取得了成功的卷积率。ISP 和波纹分别占 52% 和 22%。这两种情况都与付款图的流通部分精确对应。这是因为 Spider（LP）使用需求矩阵的估计值在模拟的持续时间内做出决策。虽然这种方法有效固定交易达成模式（如 ISP 拓扑），它对波纹网络不起作用，因为随着时间的推移，流量需求会有所不同。此外，LP向所有人分配零流量。不出所料，随着容量的增加，更多的交易开始成功。成功交易的总量也有所增加。此外实现一定的成功量或成功率，spider网络需要锁定的资本金额远远低于需要投资于任何其他方案。spider网络（LP）对容量变化不太敏感，因为它能更好地避免容量失衡。

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2018年福建省中青年教师教育科研项目“基于模拟登录的微博数据采集方案”（项目编号：JT180381）