学位论文简介

传统区块链支付通道在状态更新过程中可能因协议执行中断而面临原子性无法保证的问题，影响通道状态的一致性与资金安全。其次，传统多跳支付依赖中介节点逐笔参与支付过程，增加了支付交互开销，并限制了支付效率的进一步提升。同时，不同区块链上的支付通道缺乏直接互操作能力，难以实现跨链状态更新。此外，现有多跳虚拟通道方案则难以兼顾通道容量与构建成本，制约了虚拟通道在复杂支付网络中应用。因此，本文围绕支付通道状态更新的原子性保障与虚拟通道的高效构建展开系统研究，主要研究内容与贡献如下：

（1）针对两方支付通道更新中断时新旧承诺交易可能同时具备结算条件的问题，提出支持原子状态切换的支付通道协议LATCH。该协议通过为新状态承诺交易与旧状态惩罚交易设置相同的交易级时间锁，使新状态获得链上结算资格与旧状态进入可惩罚状态同步发生。同时，通过设计竞争花费同一辅助输出的快速结算与快速惩罚交易，确保二者至多一笔生效。

（2）针对单中介交易中中介逐笔参与导致的手续费开销与隐私泄露问题，提出兼容UTXO模型的可扩展虚拟通道协议SVC。该协议基于终端用户与中介之间已有的闪电式通道构建虚拟通道，通过将底层通道划分为支持并行支付的子支付通道与虚拟通道，实现支付过程与中介节点的解耦。同时，结合绝对时间锁与相对时间锁约束虚拟通道的生命周期，使参与方仅需在到期前后的有限时间窗口内保持在线。

（3）针对脚本功能受限的区块链之间难以实现链下互通的问题，提出基于BitVM的跨链虚拟桥协议VBridge。该协议通过中介与不同区块链上的端点分别建立底层通道，使终端能够通过链下更新承诺完成跨链支付。在争议处理阶段，利用部署于链上的BitVM乐观轻客户端验证目标链存款状态，并通过保证金约束中介行为。此外，通过重新构造剩余资金交易与承诺交易实现桥容量恢复，避免重复建立跨链桥。

（4）针对多中介虚拟通道容量受限及多路径构建成本较高的问题，提出基于双向锁定机制的高容量虚拟通道协议HCVC。该协议通过单轮交互同时锁定底层通道两个方向的资金，提高虚拟通道的双向支付容量。 在多路径场景下，利用同步等待机制协调重合节点，并复用重合路径的交易结构，降低通道构建开销。同时，结合洋葱路由与隐蔽地址机制，减少中间节点对端点身份及支付路径信息的获取。

主要学术成果

[1] Songyou Xie, Wei Liang, Kun Xie, Xiong Li, Kuanching Li, Weizhi Meng. A Scalable Virtual Channel With Privacy Protection and Parallel Processing for CPSS Payments. IEEE Transactions on Computational Social Systems, 2026: 1–13. （JCR 1区、SCI 3区, 第一作者）

[2] Songyou Xie, Lijun Xiao, Dezhi Han, Kun Xie, Xiong Li, Wei Liang. HCVC: A High-Capacity Off-Chain Virtual Channel Scheme Based on Bidirectional Locking Mechanism. IEEE Transactions on Network Science and Engineering, 2024, 11(5): 3995–4006. （JCR 1区、SCI 2区, 第一作者）

[3] Wei Liang, Songyou Xie, Jiahong Cai, Jianbo Xu, Yupeng Hu, Yang Xu. Deep Neural Network Security Collaborative Filtering Scheme for Service Recommendation in Intelligent Cyber–Physical Systems. IEEE Internet of Things Journal, 2022, 9(22): 22123–22132. (JCR 1区、TOP期刊，导师第一，本人第二)

[4] 湖北省商密协会团体标准, 联盟链事务并行技术要求。