区块链共识机制专利申请分析.pdf

中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-24-专利分析近年来，区块链技术迅猛发展，业内使用共识机制解决分布式系统的一致性问题，在对涉及共识机制的专利进行系统研究的基础上，通过分析该领域的专利申请状况分析了全球以及国内的专利申请趋势，国内申请人及授权情况，并分析了除主要共识算法之外的几种典型共识算法涉及的相关专利申请。全球范围的专利申请状况本节对全球专利申请状况的趋势进行分析，将全球专利申请分为四个阶段：萌芽阶段、调整阶段、上升阶段、成熟阶段。按照每年申请量的变化，图 1 示出了共识机制的全球专利申请趋势，大致可以分为四个时期。（1）萌芽期（2015 年以前）PoW 共识最早出现于中本聪在比特币系统的设计中，是保证采矿及货币安全的支柱，它的设计理念逐渐成为P2P 电子货币的主流思想。2011 年一个名为 Quantum Mechanic 的数字货币爱好者在 Bitcointalk 论坛上提出PoS 共识机制。2014 年 Larimer 团队正式提出了 DPoS共识概念并发布白皮书，DPoS 共识是对 PoS 共识的改进。PBFT 共识机制由 Castro 于 1999 年提出，解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题，2015 年 Linux 基金会发起的超级账本项目采用了 PBFT 改进版本作为主要的共识机制。在专利领域，美国南特控股知识产权公式于 2015 年申请了专利 US20150332283A1，其被引用 458 次，其提出了通过区块链工作量证明进行医疗保健交易验证的系统和方行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度区块链共识机制专利申请分析王 爽 谭碧云 周建佳王 爽 谭碧云（等同第一作者）周建佳国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心王爽，女，硕士研究生，审查员，助理研究员，主要从事人工智能、商业方法等领域的专利审查工作。谭碧云，女，硕士研究生，审查员，助理研究员，主要从事人工智能、商业方法等领域的专利审查工作。周建佳，硕士研究生，高级知识产权师，从事专利审查工作。图 1 全球专利申请趋势-25-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期专利分析法，阿里巴巴、中国银联等众多企业引用了该项专利进行技术研发。从区块链共识方法全球专利申请量趋势来看，2015 年以前专利申请量较少，处于萌芽期，在 2015 年以后，全球专利申请量逐步增加。（2）调整期（20162017 年）2015 年之前该领域的申请量都在个位数，自 2016 年开始，申请量有所攀升，2016 年有 49 件，到了 2017 年进一步增长，申请量达到了 161 件，开始有更多的公司涉足该领域的申请。（3）上升期（20172019 年）区块链近几年是热门领域，共识机制是区块链的灵魂，它解决了区块链去中心化网络中两个关键的问题：谁来记账及如何维护全网数据的一致性，腾讯、阿里巴巴等公司都开始涉足共识机制相关的专利申请。除此之外，阿里巴巴于2017 年开始涉及共识处理机制的研究，并于 2017 年申请CN107528882A，该申请把研究方向从共识算法的改进转向对共识请求的处理，从而提高共识网络的处理性能。（4）成熟期（2019 年至今）2020 年共识方法申请量达到最高，随着区块链技术在国内热度的持续发酵以及国家对核心技术的重视程度，涉及区块链的各项技术，中国的研究均处于世界的前列，共识机制的研究正处于火热的阶段，各公司从多角度研究提升共识网络性能的方法，并产生了一系列的专利申请。国内专利申请状况本节主要对区块链共识机制涉及的中国专利申请状况的趋势、相关 IPC 分类号、重要专利申请人、授权状况等进行分析，通过统计专利数据库中的关于共识方法的专利文献数据，共检索到 3 000 多件相关专利文献，从这些文献入手，从中整理出相关数据标引信息进行多角度分析，并结合图表形式呈现出共识机制技术发展状况，并客观反映其技术发展趋势。1国内专利申请趋势及申请人分析图 2 为共识机制在中国专利申请年度分布图，从图中可以看出，中国在共识机制技术领域与国际同步，在21世纪初，中国在共识机制领域并未申请任何专利，图 3 是国内申请人排名情况，国内排前列的申请公司分别为阿里巴巴、腾讯、工商银行，其中北京艾摩瑞策科技有限公司存大部分区块链领域的案件均为非正常申请。2中国专利 IPC 分类号分布图 4 呈现了共识方法技术中国专利申请 IPC 分类号具体分布，由图中可以看出，共识方法的中国专利申请 IPC 分类号主要集中在 H 部的 H04L（数字信息的传输）下，其他还包括 G06Q（专门适用于行政、商业、金融、管理、监督或 预测目的的数据处理系统或方法）、G06F（电数字数据处理）；H04L下涉及H04L29/08（传输控制过程），G06K29/06（协议特征），H04L9/32（包括验证系统身份或权限的方法），G06Q 下涉及 G06Q20/38（支付协议），G06Q40/04（交易）；G06F 下涉及 G06F16/27（在数据库或在分布式数据库内的数据复制、分配或同步）和 G06F21/64（保护数据的完整性）。由此可见，共识方法涉及数字信息的传输、商业方法、传输控制等领域，共识机制改进的方法主要集中在数字信息传输领域，利于检索及分析。3国内专利申请状况及授权分析从图 5 中可以看出，共识方法中国专利申请，相关专利申请人主要集中在企业，其是共识方法技术引导领导者，其次是高校申请，国内的主要高校如西安电子科技大学、重庆邮电大学、南京邮电大学等均有申请，个人申请及研究机构的申请占比都比较小，从专利申请量分析，目前国内专门研究该领域的公司，包括阿里巴巴、支付宝、腾讯、工商银行。从图 6 授权率和授权量可知，共识方法授权比例高。共识方法专业性强，难度较大，个人与一般小公司缺乏研究能力，申请量低，而大公司具有明显优势。典型专利申请文件区块链共识机制相关专利申请涵盖了大致4类共识算法，具体为：工作量证明共识算法、权益证明共识算法、拜占庭图 2 共识算法中国专利申请年度分布图图 3 国内申请人排名图 4 中国专利申请 IPC 分类号分布图中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-26-专利分析容错共识算法以及混合共识算法四个主要分支，其他共识算法还包括 Paxos 共识、Raft 共识、瑞波（Ripple）共识等。本节主要介绍除了四个主要分支之外的三类其他共识算法的典型的专利申请文件的相关内容。1Paxos 共识算法和 Raft 共识算法Paxos 算法主要解决在节点宕机或网络异常等情况的分布式系统中，快速正确的在集群内对某个值达成一致，并且保证整个系统的一致性的问题。公布号 CN112118117A 的专利申请文件公开了一种基于 Paxos 算法的区块链共识方法，包括以下步骤：S1：将需要区块链存储的信息采用广播的方式发布于区块链网络中；S2：基于 Paxos 算法定期选举出一个主节点；S3：由主节点负责将步骤 S1 中广播发布至区块链中的信息打包成一个区块，将区块发布到区块链网络中；S4：由区块链中超过 50的节点确认当前主节点发布的区块内的信息无误；S5：将该区块添加到区块链上，区块链上的所有节点进行同步该区块内容将其加到区块链上；S6：该主节点任务结束，回归正常状态，等待下一次基于Paxos算法选举新的主节点。该方法摒除了无意义的运算，只需要进行协商，能耗低，没有资源的浪费，效率高，所有的时延均在于网络传输延时，图 5 第一申请人类型分布图 6 国内专利申请及授权分布计算几乎不耗时。Paxos 的最大缺点就是难，难理解、难实现，Raft 是和Paxos的功能一样，但更易理解的算法，由于更容易理解，因而更容易应用到实际系统当中。公布号 CN109714404A 的专利申请文件公开了一种基于 Raft 算法的区块链共识方法及装置，涉及通信技术领域，用于解决现有技术中基于 Raft 算法的区块链中异常节点易被选举为候选者且节点活跃度较低导致区块链系统安全性较低的技术问题。能够在区块链中构建共识节点以及构建用于获取各共识节点的节点信息的监管者节点，通过监管者节点获取各共识节点包括区块高度、在线时长以及平均投票次数的节点信息，当领导者状态的共识节点任期结束时，领导者状态的共识节点接收监管者节点发送的各共识节点的节点信息，并根据上述节点信息确定并广播至多一个推荐候选者共识节点，该推荐候选者共识节点的状态转换为候选者状态，进入下一任期选举流程。用于提升区块链系统的安全性。2瑞波（Ripple）共识算法为了降低同步沟通的成本，Ripple 联盟链项目提出并实现了 RPCA 共识算法，该算法使用了一种由内部相互信任的子网络构成大的网络的方案，其实现了高性能，同时拥有较高拜占庭容错的算法。公布号 CN113381861A 的专利申请文件公开了一种适用于非许可链的改进Ripple共识方法，涉及区块链技术领域，用以解决现有的 Ripple 共识协议很难保证网络的安全性和活性，且由于依赖同步时间假设而不适用于弱同步网络环境的问题。从三个方面改进 Ripple 共识协议：通过采用一种特定的信任模型以及相应的 UNL 选择指导，使其在实际部署时容易满足安全性和活性条件；增加主节点和视图切换机制，解决先前研究中提到的 Ripple 在某些极端场景下可能出现失活的情况；去掉 Ripple 在共识过程中的强同步时钟和超时机制，使之适用于弱同步假设网络。实验结果表明本方法能够在不超过半分钟的时延内实现每秒上万个事务的吞吐量，并且视图切换机制几乎不会产生额外开销。适合作为非许可链的共识支持 Ripple 共识算法，参与投票节点的身份是事先知道的，因此，算法效率比 PoW 等匿名共识算法要高效，交易时间短，该特性导致该算法指适用于权限链。小结通过对区块链共识机制涉及的专利申请状况的趋势、相关 IPC 分类号、重要专利申请人、授权状况等进行分析，可以帮助知识产权方向和专利研究方向的从业者，快速了解涉及区块链共识机制的国内专利申请现状，为后续的研究指引方向。