面向司法区块链服务的跨链通信技术研究

万玉晴 蒋东来

摘要：在数字化时代背景下，数据量呈指数型增长，这给司法取证体系带来了前所未有的挑战。尽管基于区块链的电子数据存证已经得到广泛应用，但由于不同区块链上的区块链服务无法互通，导致不同应用之间无法实现价值互通。因此，本文对于面向司法区块链服务的跨链通信技术进行了研究，并提出了适用于司法取证的跨链通信服务框架。该框架主要分为四部分，包括跨链通信模型、跨链通信流程、服务框架架构和共识选择，这一框架能够有效地解决电子数据大规模存储和时效性要求的难题。

关键词：司法取证体系；区块链服务；跨链通信技术；电子数据；跨链子交易

一、引言

在数字化快速发展的背景下，数字化与人们的生活密不可分。中国互联网络信息中心（CNNIC）发布第52次《中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2023年6月，我国网民规模达10.79亿人，较2022年12月增长1109万人，互联网普及率达76.4%^[1]。在司法取证体系中，电子证据占据了不可替代的地位。目前，电子证据被广泛应用于各种交易活动，包括离婚财产分配、公司股份、金融体系、医院病历、聊天记录等43种不同类型的场景^[2]。尽管我国司法体系对电子数据作出了一些相关规定，但在实际的司法实践中仍存在许多问题。例如，在存证环节，由于电子数据数量大且实时性强，存储成本高昂^[3]；在取证环节，电子数据的原件往往依存设备无法分离，给当事人的生活带来不便；在示证环节和举证环节，电子数据容易被当事人篡改。

基于区块链的电子数据存证已经得到广泛应用^[4]。通俗地讲，区块链是一种保障安全性的，可以指定共享对象的，去中心化的数据交流系统。区块链采用互联网、数学、加密算法和计算机编程等多种技术，通过系统中存储数据的任意节点共享管理数据的权限，使系统的运行不依赖于可信第三方，具有全程留痕、查询源头、公开透明、无法修改、集体维护等优点^[5-7]。2009年，比特币的出现使区块链项目得到了前所未有的重视和快速发展^[8]。然而，这些应用往往各自构建属于自己的区块链网络，或使用由开发商提供的公共区块链网络^[9-10]。尽管这种模式能够满足不同应用的需求，但由于位于不同区块链上的服务无法互通，彼此之间是绝对独立的，导致无法流畅地进行价值互通，阻碍了区块链的进一步发展和扩广^[11-12]。

为了解决这个问题，跨链通信技术在区块链服务研究中得到了重视。从技术层面出发，它贯穿整个异构链进行信息互通的整个过程，包括刚开始的消息响应和跨链信息传递规范等^[13]。

目前，区块链跨链通信技术研究已经取得了一些成果，但针对司法取证体系的跨链通信技术研究仍然空白。因此，本文对于面向司法区块链服务的跨链通信技术进行研究，并提出了适用于司法取证的跨链通信服务框架。

二、跨链通信分析

跨链通信技术是构建完善的司法取证体系中不可或缺的一部分，它可以维护用户的司法权益，保障交易的合法性，当存在司法纠纷时，它可以通过调用交易过程中的相关信息进行处理。本节主要介绍区块链跨链通信的基本组成，包括跨链通信模型、跨链通信流程和跨链通信服务框架。

（一）跨链通信模型

由于电子数据产生量大且实时性强，因此，本文在区块链服务间选用星型拓扑结构。图1为司法取证体系中的星形拓扑结构的示意图。可以看出，该结构将所有第三方媒介构成一个交互的中继链/集中器，使得所有接入的区块链之间实现信息互通。

跨链通信模型不仅需要根据任务特点确定跨链通讯的结构，而且在设计之前还需要通过前期调研决定信任转移模型、交易验证机制和资产锁定方式。其中，信任转移模型是区块链服务双方建立信任的一种方式。目前常用的方式有人工模式、中继模式和公证人模式。由于司法区块链具有底层难以变动、花费较大等特点，因此，在跨链通信的信任转移模型中选用公证人模式。交易验证机制的作用是检查区块链服务双方的交易是否真实、合法，它决定交易是否执行，包括直接观察法、协调人法和博弈验证法共三种方式。本文在综合考虑司法数据的特点之后，采用博弈验证法验证客户链上跨链子交易的真实性与合法性。

资产锁定是为了在整个司法过程中保护受害人的财产不受侵害，在交易过程中对司法双方的财产进行锁定，包括协调人资产锁定、委员会决策、多重签名合约、密码学资产鎖定等方式。由于密码学资产锁定比其他方式更加智能化，因此本文采用密码学资产锁定的方式来保障资产的安全。

（二）跨链通信流程

星形拓扑结构示意图可以看出，一次完整的跨链通信包括四部分，即跨链请求阶段、中继请求阶段、跨链响应阶段和中继响应阶段。

首先，提供电子数据的甲方向请求链发起跨链子交易，交易入链后，收集者对该交易的真实性进行验证，并构建相应的默克尔证明，发送至服务链。此时服务链的职责是验证交易请求的合法性，并构建跨链交易记录。

其次，第三方参与服务链上的跨链交易，并据此在响应链上发起第二个跨链子交易。经过与第一个跨链子交易相同的过程，最后由服务链更新跨链交易状态。

再次，乙方通过响应链发起响应，并发起第三个跨链子交易，经过与前两个跨链子交易相同的步骤，跨链交易状态完成第三次更新。

最后，跨链交易状态被更新，触发第三方发起第四次跨链子交易，与前三次过程相同，跨链交易状态进行第三次更新，至此，一次完整的跨链通信过程展示完成。需要注意的是，在整个跨链通信过程中，对所有跨链子交易的证明进行了存储。

（三）跨链通信服务框架

跨链通信服务架构的功能是构建跨链通道，使甲方或乙方实现交流和价值增长。图2展示了司法取证体系中的跨链通信服务框架架构。

服务框架在整个跨链通信中扮演着跨链枢纽的角色。本文设计的框架采用模块化设计，使得框架功能灵活、耦合性降低，并且扩展能力增强。该框架按照操作顺序包括三个部分，以及访问控制层和数据服务层。

第一部分是实体部分，包括用户、第三方媒介、客服连接点、管理员等，是跨链通信请求方。当请求发出后，激励访问控制層校验他们的权限，通过后将信息转入第二部分开启跨链功能。

第二部分包括跨链基础设施组件、密码学组件和服务组件三部分。跨链基础设施组件包括收集者模块、收集者接口、第三方模块和第三方接口四部分。密码学组件包括服务组件包括身份管理模块、权限管理模块服务管理模块等三大部分。第二部分负责对电子数据进行真实性验证、状态更新、证明存储、加密传输、服务管理等操作，之后将电子数据的跨链通信信息传入数据服务层，经过数据服务层的合法性判断，通过共识后，将跨链通信操作的相关结果传输到第三部分。

第三部分包括存储组件和服务链组件两部分。存储组件包括数据库、硬盘等信息存储设备，服务链组件包括各种服务链节点和它们之间的关系。存储组件和服务链组件是区块链跨通信服务中的核心部件。存储组件负责存储跨链过程中产生的隐私数据和状态，特别是将一些重要的缓存信息存储在存储组件的数据库中，这些数据在后续决策中可能随时用到。服务链组件是区块链服务中的信息载体和服务功能提供者，只有被各节点共识后的数据才可被存储于区块链中。

三、跨链通信服务链

（一）数据要求

为了提高运算效率，本文采用基于AVL树和Merkle树开发的多版本状态库IAVL^[14]对数据进行存储，该库具有快速响应和高效反馈整棵树的根节点哈希的优点。设计服务响应树分为5棵子树，即跨链账户子树CrossAccRoot、区块链管理子树BCMngRoot、中间人管理子树MidMngRoot、服务管理子树SrvMngRoot、跨链交易子树CrossTxRoot。

（二） 共识选择

共识选择可以理解为一系列分工明确的规章制度及操作流程，旨在保障账本的安全有效性^[15]。本文采用拜占庭容错共识协议，该协议具有快速、可扩展、修正性较强等特点。在不超过三分之一的机器出现问题时^[16]，能够保障数据的安全记录和对应输出的响应。

（三）合约功能

在司法取证体系中，合约功能包括中间人管理、客户链管理、账户管理、服务管理和跨链交易管理。相关解释如下：

中间人管理允许框架管理模块调用，主要用于管理中间人及其账户信息，中间人需要在服务链上注册自己的账户才可以享受相应的司法服务。

客户链管理功能由框架管理模块和权限管理模块调用。框架管理模块主要负责创建和管理相关账户信息，并且在创建和管理相关信息时需要验证管理员信息。而权限管理模块是对于框架管理模块的补充，用于验证用户在客户链上的权限。

账户管理由身份管理模块调用，能够进行账户的增、删、改、查等操作。在进行这些操作时需要对相关参数进行验证，以确保用户的合法性。

服务管理功能由服务管理模块和信息交互模块共同实现。服务管理模块主要用于存储客户链上用户的价值转移规则，而信息交互模块允许用户在合约规则下获取或发布留言，与相关账户通信，以解决传统跨链方案中链下沟通无法存证的问题。

跨链交易相关业务的管理通过调用框架管理模块来实现，可以全程记录跨链交易的信息。

四、结束语

在数字化时代，电子数据量呈指数型增长，如何快速高效地提取真实有效的电子证据是目前司法取证体系所面临的难题。为了这一问题，本文对面向司法区块链服务的跨链通信技术进行研究，提出一种基于跨链通信服务的司法应用框架，包括通信分析和通信服务链两部分。结果表明，跨链通信服务在司法应用领域经济价值显著，能够为司法取证体系提供有力支持。

作者单位：万玉晴 蒋东来 太极计算机股份有限公司智慧政法事业部

参  考  文  献

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