区块链存储可扩展性研究进展

区块链是一种结合分布式共识、加密、时间戳等方法,在不依赖任何第三方中心化机构的情况下,实现点对点交易、协调以及协作的技术.近几年,区块链技术的不断发展引起了产业界和学术界的极大兴趣.但是,区块链的存储可扩展性问题,提高了区块链设备的门槛,成为了区块链应用落地的瓶颈.介绍了区块链的基本原理和存储模型,分析了当前区块链所面...     

区块链扩展技术现状与展望

近年来,区块链技术引起广泛关注,其作为一种分布式账本技术,由于具备开放性、透明性和不可篡改性,已经被应用到诸多领域.但随着用户数量和访问需求的大幅增加,现有区块链体系结构可扩展性不足导致的性能瓶颈,制约了区块链技术的应用和推广,如何解决可扩展性问题已成为学术界和工业界关注的热点.对已有的区块链扩展方案进行分析和总结.首先,介绍区块链基本概念和可扩展性问题的由来,定义可扩展性问题并提出衡量可扩展性的指标.其次,给出分类框架,将现有方案按网络扩展、链上扩展、链下扩展3大类进行介绍,通过对不同的区块链可扩展性方案进行分析,比较各自的技术特点并归纳优缺点.最后,对亟待解决的开放性问题进行讨论,展望区块链技术未来趋势.     

一种基于纠删码的区块链账本分组存储优化方法

传统区块链系统采用全副本冗余的存储方式,每个节点存储相同的账本,使得区块链的存储负担非常大。目前,相关的区块链存储优化方法能够降低数据存储开销,但仍存在可扩展性差和可用性低的问题。为此,提出了一种基于纠删码的区块链账本分组存储优化方法。该方法引入一种新的区块链节点——分组存储(Grouping Storage, GS)节点,来解决上述问题。区块链账本的主要存储开销位于区块文件中,GS节点采用纠删码对区块文件编码,并以组为单位存储编码后的区块文件,如此,每个组织维持相同的账本,极大地降低了区块链的存储开销且提高了区块链的可用性。针对联盟链的存储扩展,基于GS节点对超级账本文件系统进行改进,重新设计了其存储、恢复和同步区块文件流程,使得本方案能够在实际的区块链架构上工作。最后,理论分析和实验结果表明,所提出的GS节点在存储开销方面取得了显著的进步,且具有较好的可扩展性和可用性。     

从扩展性角度看区块链

区块链集成密码学、分布式共识、P2P网络和时间戳等技术,可实现数据一致存储、难以窜改和防止抵赖等功能,解决了开放网络中不依赖任何可信第三方的信任问题。去中心化的特性使得区块链具有广阔的应用前景,但随着应用的深入与拓展,扩展性问题已成为挖掘区块链技术潜力的一个关键挑战。区块链本质上仍是分布式系统,基于此,从分布式系统的扩展性角度对区块链的研究工作进行综述,基于链上扩展、链下扩展和跨链扩展三个方面论述了区块链可扩展的思路和方法,总结了近年来的研究成果;通过对现有解决方案的总结分析,探讨了提高区块链可扩展性所面临的问题和未来的研究趋势。     

基于门限秘密共享的区块链分片存储模型

针对存储原因所导致的区块链技术难以在大型业务场景应用的问题,提出了一种基于门限秘密共享的区块链分片存储模型。首先由共识节点使用改进的Shamir门限,将要上链的交易数据进行分片处理;其次,共识节点基于分片数据构造不同的区块,并分发给现存于区块链网络中的其他节点进行存储;最后,当节点要读取交易数据时,在从分发到交易数据分片的n个节点中的k个节点请求数据,并利用拉格朗日插值算法进行交易数据的恢复。实验结果表明,该模型在保证了上链数据安全性、可靠性、隐私性的同时,每个节点的数据存储量约为传统存储方法的1/（k-1）,从而有利于区块链技术在大型业务场景的应用。     

基于区块链的司法数据管理及电子证据存储机制

文章针对司法场景下的事务数据分类、实体类型及电子证据在实际应用中的存储与共享访问等需求,结合区块链技术,提出一种面向司法审判场景的电子数据安全存储链式结构。该结构分为司法联盟链JudChain和证据存储链EviChain两部分,实现对司法流程数据和电子证据的高效管理和安全存储,且具有完整的节点认证及区块生成流程。此外,文章还提出了应用于JudChain的共识协议,该协议对传统PBFT算法进行改进,降低了共识开销和交易时延,提升了共识效率和吞吐量。     

基于区块链的监控视频数据存储模型研究

监控设备生成海量的视频数据，由于管理不善、维护不力和人为删除等原因，存在监控视频数据的丢失和篡改等问题。在研究云存储和区块链的基础上，结合区块链去中心化、难篡改和可溯源等特性，提出一种基于区块链的监控视频数据存储模型。监控视频数据存储在单位的云存储服务器，监控视频数据的哈希值等元数据存储在区块链，云存储技术实现监控视频数据的海量存储和便捷访问，区块链技术实现上链监控视频数据的防篡改和防删除，对于提高监控视频数据的安全性和可靠性有一定的应用价值。     

结合社区发现和局部恢复码的区块链扩容研究

区块链全节点需要存储完整的账本,不能满足数据快速增长的需求,其存储扩容成为当前研究热点之一。现有最优研究成果虽然结合分片和RS(Reed-Solomon)纠删码技术,降低了存储开销,实现了数据可恢复,但存在网络开销较高和跨节点数据请求效率较低的问题。因此,提出了一种基于社区发现和局部恢复码（local reconstruction codes,LRC）的区块链存储扩容方案,一定程度上解决了这些问题。改进现有基于传导性的社区发现方法,在此基础上提出了一种区块链节点分组方法,使平均连接速度更快的节点分为一组,有效地缩短了跨节点请求区块的响应时间;采用了更优的LRC码来替代RS纠删码,利用更少的原始数据实现单点故障数据恢复,降低了网络开销。大量实验结果表明提出的存储方案在保持目前最优方案的数据恢复能力和存储开销的基础上,能有效减少网络开销和跨节点请求区块的时间。     

轻量级区块链技术综述

传统的区块链技术为了保证交易账本的全网共识和不可篡改性,要求矿工节点具有强大的计算能力和足够的存储空间,这就限制了资源受限的设备加入区块链.近几年,区块链技术已经拓展到金融经济、医疗健康、物联网、供应链等多个领域,但是这些应用场景存在大量算力弱、存储容量低的设备,这给区块链的应用带来了巨大挑战.为此轻量级的区块链技术应运而生.从轻量级计算和轻量级存储两方面出发,总结当前轻量级区块链的研究现状,对比分析各个方案的优缺点.最后展望未来轻量级区块链的发展.     

基于有向无环图的区块链技术综述

区块链技术已广泛应用于金融、公共服务、物联网、网络安全、供应链等多个领域,但传统单链结构的区块链在吞吐量、交易确认速度和可扩展性方面存在不足,导致其在一些短时高并发量数据场景中难以落地应用。基于有向无环图（DAG）的区块链技术因其具有交易并发确认功能、吞吐量高、可扩展性强等优势受到研究者广泛关注。通过分析研究现有DAG区块链的发展和演化过程、评估方法、优化方向以及应用场景,探索DAG区块链在落地应用中的可行性。阐述主流DAG区块链的研究现状,比较传统区块链与DAG区块链的优势与不足,并分析现有区块链属性评估方法,总结DAG区块链评估结果。在此基础上,从交易确认速度、系统吞吐量、系统安全性、存储结构等方面对比现有DAG区块链的优化方法,介绍DAG区块链在数据管理、基于边缘计算和联邦学习的数据共享以及面向访问控制和隐私保护的数据安全等场景中的应用情况,并指出当前研究中存在的主要问题和挑战,对未来的研究方向进行展望。     

基于可验证秘密共享的区块链分片存储模型

针对区块链链上协作分片存储方法易遭受恶意节点欺骗攻击的问题,提出一种基于可验证秘密共享的区块链分片存储模型。根据区块的稳定性,对高稳定性区块直接分片存储,其余区块与存储节点身份绑定后再分片存储;节点收到分片时对其合法性进行验证,若分片未通过验证,则节点可鉴别出其它节点的恶意行为,可抵御恶意节点的攻击。理论分析和实验结果表明,该模型在保证存储可扩展性的条件下,提高了区块链存储系统的安全性。     

区块链的数据管理技术综述

最近几年,随着加密货币和去中心化应用的流行,区块链技术受到了各行业极大的关注.从数据管理的角度,区块链可以视作是在一个分布式环境下众多不可信节点共同维护且不可篡改的账本.由于节点间相互不可信,区块链通过共识协议,确保数据存储的一致性,实现去中心化的数据管理.针对区块链的安全性以及共识协议,已有诸多工作进行全面的分析.将从数据管理的角度,分析区块链技术与传统数据库下数据管理技术的异同.分布式数据管理的研究已经持续数十年,涵盖了数据存储模式、事务处理机制、查询执行与验证、系统可扩展性等诸多方面,并已有诸多技术广泛应用于实际的分布式数据库中.该类工作往往假定存在中心可信节点或者节点只可能发生崩溃而不存在恶意攻击.然而在区块链环境中,系统设计需考虑不可信节点可能的攻击行为以及拜占庭容错.这给数据管理带来了新的问题与挑战.因此,将梳理并分析国内外有关区块链数据管理的文献,并展望未来的研究方向.     

基于区块链的分布式电能量数据可信存储机制

针对电能量数据中心化存储面临中心单点故障、恶意篡改等问题,利用区块链的去中心化、防篡改、高度可拓展特点,通过构建电能量数据星际存储联盟链（ISCB）,提出一种包括身份认证、传感数据上传、IPFS（星际文件系统）存储、区块链上传、访问验证5个部分的可信存储机制。针对电能量数据来源广、容量大等特点,将区块链技术与星际文件系统相结合,链上保存 IPFS 返回的数据哈希及查询属性,有效地解决了电能量数据区块链存储扩容及数据篡改识别问题。     

基于惩罚模型的K-确认共识机制

区块链作为一门新兴技术,因其具有去中心化、数据信息的不可篡改性以及用户信息的高度隐私性等特点,已经成为了研究和应用场景开发的热点.然而随着区块链技术的发展,作为区块链系统的核心技术-共识机制所产生的效率远远满足不了当今的发展步伐.针对上述问题,通过分析当前区块链共识机制的优化方案,首次提出了将确保交易正确无误的共识任务...     

基于变色龙hash的区块链可扩展存储方案

区块链中的节点以副本形式保存数据,随着时间的推移,区块链中的区块数不断增加,导致节点承受的存储压力随之增大,存储压力成为区块链应用落地的瓶颈之一。为了解决区块链中存储压力问题,提出了基于变色龙hash的区块链可扩展存储方案,该方案利用节点被攻击成功的概率和改进的温度模型,将区块分为高低安全性的冷热区块;基于变色龙hash算法和改进的Merkle tree,对高安全性的冷区块进行部分节点存储。在存储过程中,除高安全性冷区块的区块体信息被重构外,其余数据保持不变。仿真实验表明,在不改变区块链结构和安全性能的情况下,所提出的方案可减少区块链中数据的存储总量,减少存储节点的存储压力;且区块数量越多,其优势越明显。     

基于区块链技术的生物特征和口令双因子跨域认证方案

为解决传统跨域认证方式不多且方案复杂的问题,提出了基于区块链技术的生物特征和口令双因子跨域认证方案。首先,使用模糊提取技术提取生物特征的随机密钥参与认证,解决了生物特征泄露导致永久不可用的问题;其次,利用不易篡改的区块链存储生物特征公开信息,解决了模糊提取技术易受主动攻击威胁的问题;最后,基于区块链的分布式存储功能与联盟链架构,实现了用户在本地和异地环境下的双因子跨域认证。安全性分析和效率分析的结果表明,在安全性方面,所提方案具有抗中间人攻击、抗重放攻击等安全属性;在效率与可用性方面,该方案效率适中,用户无需携带智能卡,系统的可扩展性强。     

区块链技术应用的安全与监管问题

区块链技术由于具有分布式高冗余存储、时序数据且不可篡改与伪造、去中心化信用等显著特点,因此得到了广泛的应用,但其自身和应用的安全性以及监管问题也日益受到重视。文中对区块链技术的安全问题和监管问题作了剖析,首先收集和分析了各类区块链安全事件,对事件的成因进行归类,并给出了相应的安全防范措施;其次,分析了中国区块链监管的现状,并借鉴了国际上对区块链的监管政策,提出了适合中国国情的区块链监控模式;最后,总结了区块链在监管模式下的技术发展需求。     

SMT: 一种区块链上适用于流数据高效认证的数据结构

认证数据结构(authenticated data structure, ADS) 解决了数据外包存储场景下服务器的不可信问题, 用户通过ADS可以验证不可信服务器返回查询结果的正确性与完整性, 但数据拥有者的安全性难以保证, 攻击者可以篡改数据拥有者存储的ADS, 破坏对查询结果的完整性、正确性验证. 数据拥有者将ADS存储在区块链上, 借助区块链的不可篡改性, 可以解决上述问题. 但现有ADS实现方案在区块链上维护成本较高并且大部分只支持静态数据的可验证查询, 目前缺少一种针对区块链设计的高效ADS. 通过分析智能合约的gas消耗机制与基于传统MHT的ADS的gas开销, 提出一种新型ADS认证结构SMT, 实现对流数据的高效可验证查询, 并且在区块链上具备更低的gas消耗. 从理论及实验出发, 验证了SMT的高效性, 通过安全性分析, 证明了SMT的安全性.     

可编辑区块链的研究现状与挑战

区块链是一种去中心化和不可篡改的数据库,不仅能有效解决需要第三方介入所引发的信任问题,还能保证应用执行过程公平公正。然而,不可篡改性限制了区块链的许多应用。例如,不同机构需要删除区块链上存储的非法数据或对旧数据进行编辑。因此,如何设计一种可编辑的区块链,对链上数据进行合法编辑是拓展区块链应用的一个重要问题。本文旨在对当前主流的可编辑区块链方案进行系统性调查和分析。首先,总结了这些方案提出的时间脉络和编辑操作的统一流程,针对编辑共识、编辑处理和编辑证明三个重要环节,分别从编辑操作的种类、编辑所属权、编辑涉及的链结构、编辑对象粒度、编辑过程使用的数据结构和编辑共识技术六个不同角度对典型方案进行了细粒度分类。其次,概括了每个方案的核心思想、新颖之处和优缺点,并对方案涉及的密码学原语、常用技术和共识机制等重要组成部分进行了全面回顾,包括变色龙哈希函数、秘密共享、委员会选取、激励惩罚机制、工作量证明、权益证明等。再次,根据身份管理、物联网和外包的不同场景需求,分类讨论了几个利用可编辑区块链技术的最新应用方案,以及区块链可编辑功能所产生的潜在价值。最后,指出了目前方案有待完善或尚未解决的问题,这些问题将提供新的研究方向、拓展区块链的应用场景、加速区块链与更多领域结合、促进区块链技术的发展。     

区块链互操作性技术研究进展

区块链技术因其去中心化、高透明度等优良特性引领了新一代数据存储技术的发展，近年来广泛应用于社会治理、金融保险、数字版权等领域。然而，作为一个基于规范和协议的自封闭系统，区块链不同链间无法直接实现数据通信，难以满足跨领域应用的数据共享需求，区块链互操作性技术应运而生。目前，该技术的项目实例分析较少。基于区块链互操作性最新研究成果，系统性总结了近年来互操作技术的代表性方案，并归纳展望了发展前景。首先，按照通信各链的结构差异，将区块链互操作方法划分成同构扩容和异构互操作两种类型；其次，按照技术发展脉络和区块链分层架构，分别介绍两种类型的代表性方法，分析比较了各方法的实现原理和技术细节，归纳总结它们的优缺点；再次，介绍了目前已经实施的区块链互操作性项目研发进展，重点介绍其实现思路、运营模式和现状，并在吞吐量、安全性等多个指标上对比分析其性能；最后，展望了区块链互操作性技术各方向的发展趋势。