账户型区块链可扩展存储模型

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区块链技术迅速发展并应用在多种领域之中。区块链为数据提供了一种具有防纂改、去中心化、安全以及匿名特性的管理方式,部署在分布式环境中,在不需要第三方参与的情况下,为实体之间建立信任并提供价值转移服务,提高效率。账户型区块链作为区块链交易模型中一种,采用余额方式记账,目前存在以下的瓶颈和不足:(1)区块链采用的链表结构意味着其数据持续线性增长。随着数据增长,单个节点可能无法提供足够的存储资源,对区块链系统的存储可扩展性提出挑战。(2)现有的区块链轻节点只存储校验区块的区块头,虽然极大地降低对存储资源的消耗,但是由于缺少区块部分,无法对交易进行验证,各项操作需要依赖其他全节点完成。(3)全节点义务存储区块,消耗本身的带宽资源及运算资源为其余节点提供同步服务,影响全节点的积极性。以上三点都可能导致全节点减少、去中心化程度降低,进而威胁到区块链网络的安全。针对区块链数据存储方案的不足,目前的解决方案主要采用分片存储技术来缓解:现有交易型区块链(只储存交易记录)通过缓存UTXO(Unspent Transaction Outputs,未花费交易输出),采取分片存储技术保存区块,减少节点存储资源消耗,降低对节点的资源要求,提高区块链存储可扩展性。目前,账户型区块链尚未有成熟的可扩展存储方案提出。如果将交易型区块链可扩展存储模型思路应用于账户型区块链,状态数据不能单独依靠节点存储区块数据生成,需要解决状态数据生成及存储问题,以实现分片存储下的交易验证。本文通过对账户型区块链的存储模型进行分析,发现状态数据的使用频率远远高于区块数据,因此,提出一种基于账户型区块链的可扩展存储模型(Scalable storage model for account-based blockchain,SSMAB)。SSMAB将区块链数据分为状态数据以及区块数据,对两种数据采取不同的存储策略。状态数据以完全冗余的方式进行保存,以较小存储资源消耗实现SSMAB交易验证功能;模型采用分片存储技术将区块分片存储在网络中。针对现有区块链分片存储模型没有经济激励机制,节点只保证最低存储量要求,不能够有效保证数据可用性的问题。SSMAB采取经济激励机制鼓励节点存储区块数据,减少存储资源的消耗,并通过参数来保证数据可靠性与可用性。本文在以太坊上实现SSMAB节点原型,采用以太坊交易数据,测试SSMAB节点的存储可扩展性,包括交易验证、区块打包、每秒交易次数性能及存储资源消耗。实验表明,SSMAB节点具有全节点的功能,能够提高区块链系统的存储可扩展性,保证区块链网络的安全。SSMAB节点在保证数据可靠性与可用性的前提下,数据量为全节点的13%。
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