比特币区块链的数据压缩

区块链技术为数据存储提供了一种透明、不可更改、去中心化的方法.但随着数据量不断增加,比特币区块链系统需要大量的存储空间.分析了比特币区块的结构,针对比特币交易中的部分字段,提出相应的编码方案来减小比特币区块体积.实验表明,所提方案可使区块链体积减小18.13％.     

基于中国剩余定理的区块链存储扩展模型

区块链以分布式账本的形式存储交易数据,其节点通过存储哈希链来持有当前数据的副本。由于区块链链式结构的特殊性,区块的数量会随着时间推移不断增加,节点承受的存储压力也随之增大,因此存储扩展性成为区块链发展的瓶颈之一。针对该问题,提出了一种基于中国剩余定理（CRT）的区块链存储扩展模型。模型将区块链分为高安全性区块和低安全性区块,并对它们采取不同的存储策略。其中,低安全性区块以全网保存（所有节点都需保存）的形式进行存储,高安全性区块被基于CRT的分割算法分片后以分布式的形式进行存储。此外,利用冗余余数系统（RRNS）的错误检测与纠正来防止恶意节点攻击,进而提高数据稳定性和完整性。实验结果与安全性分析表明,所提模型在具有安全性、容错性的同时保障了数据的完整性,还能有效地减少节点的存储消耗,增强区块链系统的存储扩展性。     

区块链的存储容量可扩展模型

目前区块链的容量受到网络里存储空间最小的节点的限制,提出了区块链存储容量可扩展模型,该模型将一条完整的区块链副本进行分片处理,并将分片数据保存在一定比例的节点中。同时,模型增加了验证节点,对存储数据的节点进行基于数据可检索性证明(proofs of retrievability,POR)方法的实时检测,并记录更新存储节点稳定性值,依此选择高稳定性节点来储存新产生的数据副本,提高了数据存储的稳定性。最后,模型在多节点中正常运行、节点故障和有恶意攻击时的实验表明,区块链存储容量可扩展模型在具有稳定性、容错性和安全性的同时,有效地增加了区块链的存储扩展性。     

区块链中Merkle树性能研究

区块链技术具有去中心化、安全可靠和不可篡改等特性,已经得到广大的重视.Merkle树是区块中核心组成部分,占据区块存储空间的96%以上,主要用来解决在区块链交易中的简化支付验证问题,因此选择合适的Merkle树结构会极大影响区块链系统性能.但是,目前缺乏公共的平台对不同区块链系统下的Merkle树性能进行分析和实验验证.本文提出了一整套相关性能评价与分析指标,从存储、验证和构建时间等方面,综合评价比特币、以太坊和超级账本三种主流区块链的Merkle树的性能.本文提出的指标及评价方法不仅为Merkle树的进一步研究提供了定量的数据支持,也为区块链从业者选择Merkle树结构提供了理论依据.     

基于区块链的分布式离链存储框架设计

随着分布式存储技术的不断发展,越来越多的企业、政府机构用户将数据保存在云端,实现大数据的分布式存储和数据资源共享。区块链技术的去中心化、可追溯、不可篡改、数据一致性等特点,为解决云存储存在的隐私和安全挑战问题带来了新的契机。文章提出了一种基于区块链的分布式离链存储框架。在区块链中部署区块节点和存储节点,其中区块节点用于执行底层区块链运行机制,存储节点用于存储数据和文件,通过将区块和存储功能区分开实现了离链存储,保证了区块链的运行效率。此外,文章还提出了一个使用基于经典数据占有机制的全局交互验证方法,以确保数据文件的分布、可靠和可证明的存储。用户向区块链中添加区块(存储文件)时会触发公平挑战机制的审核机制,从而隐式验证离链存储的所有文件是否完整。     

基于纠删码的区块链存储优化

区块链具有去中心化、不可篡改、可追溯以及公开透明等特性,可以解决去中心化网络中节点之间相互不信任的问题,为构建价值互联平台提供了可能.然而,区块链要求每个节点都存储一份完整的数据,以高存储冗余来保证数据的可靠性,给节点带来了巨大的存储压力,降低了存储资源的利用效率,也导致系统的存储可扩展性成为区块链性能的一个瓶颈.采用...     

区块链数据库:一种可查询且防篡改的数据库

随着比特币、以太币等一系列加密货币的兴起,其底层的区块链技术受到越来越广泛的关注.区块链有防篡改、去中心化的特性.以太坊利用区块链技术来构建新一代去中心化的应用平台.BigchainDB将区块链技术与传统的分布式数据库相结合,利用基于联盟投票的共识机制改进传统Pow机制中的节点全复制问题,提高了系统的扩展性与吞吐率.但是现有的区块链系统存储的信息大都是固定格式的交易信息,虽然在每个交易里有数据字段,但是现有的区块链系统并不能经由链上对交易内的数据字段的具体细节进行直接查询.如果想要查询数据字段的具体细节,只能先根据交易的哈希值进行查询,得到该交易的完整信息,然后再检索该交易内的数据信息.数据可操作性低,不具备传统数据库的查询功能.首先提出一种区块链数据库系统框架,将区块链技术应用于分布式数据管理;其次提出一种基于哈希指针的不可篡改索引,根据该索引快速检索区块内数据,以此实现区块链的查询;最后,通过实验测试数据库的读写性能,实验结果表明,所提出的不可篡改索引在保证不可篡改的同时具有较好的读写性能.     

区块链系统的数据存储与查询技术综述

目前,以比特币和以太坊为代表的区块链系统已经日趋成熟,区块链技术成为学术界与工业界的研究热点。然而,这些区块链系统在实际应用中因数据存储模式限制而普遍面临着查询功能简单、查询性能较低等严重问题。 文中重点对区块链系统的数据存储与查询技术的研究进展进行综述与展望。首先,介绍当前流行区块链系统中使用的数据存储机制和查询处理策略。然后,详细介绍在现有区块链系统基础上扩展查询处理功能的两种方法,并从查询效率、写性能优化、存储空间占用、数据安全性和可用性5个方面对其进行对比和分析。最后,分析了未来区块链系统的查询技术发展趋势,探讨了其主要的研究方向。     

去中心化的分布式存储模型

分布式数据存储过程中的元数据保存在中心节点上,容易造成单点故障和易被恶意修改,安全性较差。虽然,通过引入备份节点可以一定程度上避免该问题,但节点之间的同步和切换效率较低。同时,存储元数据的节点可以达成共识修改元数据,缺乏可信性。针对传统分布式存储中存在的问题,结合区块链的特点,提出一种去中心化的分布式存储模型DMB（Decentralized Metadata Blockchain）,通过将元数据保存在区块中、冗余存储区块链、协作验证来保证元数据的完整性。模型分为两个阶段,即元数据存储阶段和元数据验证阶段。在元数据存储阶段,将用户的签名和副本位置数据发送给若干验证节点,生成元数据区块并写入元数据区块链中。在元数据验证阶段,验证节点首先检查本地元数据区块链的状态和全局状态是否相同,如果不相同则进行状态同步。然后,检索本地元数据区块链来验证元数据完整性。理论与实验结果表明,DMB模型可以保证元数据的可追溯性和完整性,有较好的并发处理能力,对数据存储的效率影响较小。     

一种基于DHT的区块链数据归档

区块链是具有去中心化、不可篡改的一种分布式账本,网络中每个节点都保存了相同的区块数据。但是,随着区块链运行时间的增长,区块链中节点需要保存和同步的数据随着时间暴涨,甚至超过存储介质容量增长的速度。针对此存储方面的性能问题,从区块链数据存储方面进行研究,通过分析当前区块链网络中每个节点保存相同数据的存储冗余状态,提出基于...     

基于密码累加器的无状态区块链性能优化

区块链由于其去中心化的特点,被认为是近年来最具颠覆性和革命性的技术创新之一。然而,目前大多数公有链由于数据高度冗余使得区块链系统数据迅速增长,从而造成节点存储资源消耗严重,此外它还存在区块共识成本较高导致系统吞吐量低的问题。针对区块链的可扩展性问题,提出一种适用于智能合约的无状态区块链性能优化方案STiPChain。STiPChain基于密码累加器与可验证计算完成无状态设计,采用RSA累加器生成智能合约的有效性证明实现节点状态数据压缩,同时通过分布式设计将智能合约的有效性证明更新效率优化至常数,极大降低节点对磁盘和内存的需求。在此基础上,STiPChain将区块共识与区块运算解耦,基于可验证计算技术提出新的智能合约执行逻辑和交易验证方案,解决无状态条件下的交易验证与执行问题,有效提高系统吞吐量。实验结果表明,与Ethereum相比,STiPChain无状态区块链性能优化方案将共识节点的存储需求降低了99%,吞吐量提高了1.6～2 500倍。     

基于联盟区块链的农产品质量安全高效追溯体系

针对农产品追溯系统中的安全和效率问题，依据区块链的去中心化安全特性，提出一种基于联盟区块链的高效解决办法。首先，通过星际文件系统（IPFS）对农产品数据进行hash转变，从而减小区块中单条事务数据量，并利用IPFS数据的不可逆原理，达到数据的初步保障；其次，建立联盟区块链模型进行数据验证，区块链数据验证的共识算法采用实用拜占庭容错（PBFT）算法来减少全网共识时间；最后，根据仿真实验中参与节点数、区块大小和网络带宽，来拟合验证交易的时间曲线，进而计算出不同带宽下的区块链交易效率，并结合数以万计的传感器参与下的农产品追溯系统的实际情况，对比区块链双链结构，给出分析结果。实验结果表明，在低于1000个验证节点的条件下，区块链最大共识时长为32 min，联盟链系统可支持35~40万条传感器数据，可适用于大范围、多数据的农产品追溯。     

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。     

SE-Chain:A Scalable Storage and Efficient Retrieval Model for Blockchain

Massive data is written to blockchain systems for the destination of keeping safe.However,existing blockchain protocols still demand that each full node has to contain the entire chain.Most nodes quit because they are unable to grow their storage space with the size of data.As the number of nodes decreases,the security of blockchains would significantly reduce.We present SE-Chain,a novel scale-out blockchain model that improves storage scalability under the premise of ensuring safety and achieves efficient retrieval.The SE-Chain consists of three parts:the data layer,the processing layer and the storage layer.In the data layer,each transaction is stored in the AB-M tree (Adaptive Balanced Merkle tree),which adaptively combines the advantages of balanced binary tree (quick retrieval) and Merkle tree (quick verification).In the processing layer,the full nodes store the part of the complete chain selected by the duplicate ratio regulation algorithm.Meanwhile,the node reliability verification method is used for increasing the stability of full nodes and reducing the risk of imperfect data recovering caused by the reduction of duplicate number in the storage layer.The experimental results on real datasets show that the query time of SE-Chain based on the AB-M tree is reduced by 17％ when 16 nodes exist.Overall,SE-Chain improves the storage scalability extremely and implements efficient querying of transactions.     

基于区块链的微电网数据安全共享方案

新能源发电因具有不稳定的特点,给当前微电网的安全稳定运行带来数据集中存储、数据泄露、共享困难等问题。结合区块链的分布式架构、数据安全透明可追溯、去中心化等特点,设计一个微电网数据安全共享方案。在初始化阶段,用户需要完成账户注册并将智能电表接入数据采集器,利用改进的ElGamal加密算法对采集的数据进行加密,将打包好的数据区块对外广播,发起共识,采用积分取代传统区块链共识机制中的代币进行流通,待各节点达成共识后将数据包存储在链下数据库中,并将其存储地址返回至链上进行存储。数据共享的实现则需查询方提交访问申请,智能合约自动执行完成数据的共享。实验结果表明,该方案能够有效抵御51%攻击、内部攻击、修改攻击等,算法效率较传统算法提高3倍,且系统开销不足165p,交易吞吐量最高接近300 tx/s,明显提高了交易速率并保证数据的安全共享。     

边缘计算模式下全同态加密智能合约设计

区块链产生的成千上万的交易信息数据不断被收集到区块链中,会给区块链网络的计算资源和存储空间造成极大负担.为了解决区块链网络计算资源不足和存储空间有限的问题,我们将边缘计算模式应用于联盟链Hyperledger Fabric系统中,在区块链中设计了基于边缘计算模式的智能合约,以提高区块链的存储空间和运行效率.在此基础上,...     

基于可用性度量的分布式文件系统节点失效恢复算法

现有分布式文件系统中处理节点失效时采用的恢复策略耗费较多的带宽与磁盘空间资源,且影响系统的稳定性。通过研究分布式文件系统HDFS集群结构、数据块存储机制、节点与数据块状态之间的关系,定义了集群节点矩阵、节点状态矩阵、文件分块矩阵、数据块存储矩阵与数据块状态矩阵为度量数据块可用性建立了基础数据模型。在实现数据块可用性度量基础上,设计了基于可用性度量的节点失效恢复算法并分析了算法的性能。实验结果表明:新算法在保证系统中所有数据块可用性的前提下比原恢复策略减少了恢复所需带宽与磁盘资源,缩短了节点恢复时间,提高了系统稳定性。     

A Storage Optimization Scheme for Blockchain Transaction Databases

As the typical peer-to-peer distributed networks, blockchain systems require each node to copy a complete transaction database, so as to ensure new transactions can by verified independently. In a blockchain system (e.g., bitcoin system), the node does not rely on any central organization, and every node keeps an entire copy of the transaction database. However, this feature determines that the size of blockchain transaction database is growing rapidly. Therefore, with the continuous system operations, the node memory also needs to be expanded to support the system running. Especially in the big data era, the increasing network traffic will lead to faster transaction growth rate. This paper analyzes blockchain transaction databases and proposes a storage optimization scheme. The proposed scheme divides blockchain transaction database into cold zone and hot zone using expiration recognition method based on Least Recently Used (LRU) algorithm. It can achieve storage optimization by moving unspent transaction outputs outside the in-memory transaction databases. We present the theoretical analysis on the optimization method to validate the effectiveness. Extensive experiments show our proposed method outperforms the current mechanism for the blockchain transaction databases.