增強區塊鏈本地存儲的措施分析

中國人民解放軍61711部隊 鄧小波

區塊鏈技術也叫分布式賬本技術，是一種用于數據記錄和存儲的信息技術，這種技術以鏈式結構來儲存數據，用密碼學算法來進行數據傳輸和訪問加密，保證數據安全。在電子交易逐漸繁榮的當前，區塊鏈技術也成為了金融、物流、醫療、稅務、教育、供應鏈等多個領域進行貿易和去中心化改革的首選技術方案。但該技術雖存在良好的數據記錄和存儲優勢，但缺點也同樣突出。為了能使區塊鏈技術更好地應用到各行業領域，將就區塊鏈技術的問題進行分體，提出優化方案，以便能夠改進區塊鏈技術的缺陷，提高區塊鏈技術的應用范圍。

1 區塊鏈的存儲難題

區塊鏈是一個去中心化的分布式共享數據庫，因為去中心化的特性，所以每個節點都必須能夠儲備完整的區塊數據，而因為電子交易過程越來越繁瑣和復雜，系統節點的數量在上升，每個節點儲備的區塊數據就會增大，對本地存儲空間的需求也會越來越大，這成了區塊鏈技術的應用瓶頸，而唯有解決這一瓶頸，才能讓區塊鏈技術在電子貿易中發揮更大的作用。

區塊鏈作為去中心化的信息系統，其運作原理是依靠共識算法建立的信任機制以及分布式數據對唯一數據庫進行維護，而為了保證唯一數據庫的可靠性，區塊鏈的所有節點都必須保持一致性，及要做到共同記錄、共同維護和共同更新。這造成區塊鏈的存儲擴展性非常薄弱，因為所有節點都需要保持對唯一數據庫的同步性及一致性，在運作過程中，本地存儲要騰出大量空間來同步區塊鏈數據。比如比特幣系統，比特幣系統采用了區塊鏈技術作為數字貨幣加密技術，到2020的一月份為止，該系統就已經擁有超過60萬個區塊，每個區塊的容量達到241GB，且這個數值還在以平均每月4.5GB的趨勢快速增長。且需要注意的是，比特幣系統中的區塊鏈只是用于基礎的數字貨幣交易信息記錄，所涉及的內容不算復雜，如果要應用于其它的信息記錄，那么區塊鏈要記錄的數據將達到一個驚人的地步。

由此可見，電子交易和區塊鏈節點越多，數據容量就會越大，加上區塊鏈的存儲擴展性非常薄弱，為了保持一致性，實現去中心化，每個節點服務器都需要儲備詳細的賬本信息，這就導致節點服務器的存儲要求非常高，存儲負荷巨大。尤其是大型區塊鏈系統，因為區塊鏈系統越大，普通用戶節點就會越多，但普通用戶由于電腦配置等原因，往往很難達到區塊鏈系統要求的PC存儲性能，這就更制約了區塊鏈的存儲擴展性。

2 增強區塊鏈本地存儲的思路

要實現區塊鏈本地存儲的有效增強，可以從區塊鏈數據結構本身以及網絡節點性能兩個方面出發，首先是區塊鏈數據結構方面，最好的是方式是改變區塊鏈的數據結構，也就是打造輕量型的區塊鏈，這種區塊鏈數據結構中，區塊交易被交易哈希索引替代，這樣就可以在區塊鏈中減輕本地存儲的負荷。設計者可以通過在區塊頭設計對應的賬戶樹結構，用來對系統節點賬戶加以記錄，這樣便能夠優化存儲性能良，減輕節點服務器在本地存儲需要承受的存儲負擔。其次是節點網絡性能方面，可以利用糾刪碼來優化區塊鏈本地存儲，具體做法是通過將數據處理層增加到系統層次中，再對區塊數據進行編碼和解碼轉化，數據被成功轉化為節點后進行數據切片，這樣節點就可以根據本身實際的存儲性能對不需要的編碼數據切片進行刪除，而如果要重構區塊數據也可以從另外的節點再獲取數據切片進行區塊重構，這樣就保證了數據庫的去中心化，同時使得區塊鏈的一致性和穩定性得到增強。

3 增強區塊鏈本地存儲的措施

3.1 設計輕量型區塊鏈

所謂輕量型區塊鏈，即是用在數據層增加賬戶數據，用交易哈希索引替換區塊交易的系統類型。在常規的區塊鏈系統中，實現去中心化的原理是將所有參與節點全部用于賬本保存，所有交易產生的數據信息都會被完整記錄到區塊中，這樣一來交易數據所占用的存儲空間就非常巨大。舉例而言，在區塊輸入這部分數據時，分別需要記錄前一筆交易的哈希值、花費的輸出索引、輸出金額以及腳本系統中的各種操作符，這些內容占據了很大的區塊容量，且大部分接點和這次交易毫無關系，也就是存在存儲浪費的現象。輕量型區塊鏈數據層是以區塊數據、賬戶數據和本地交易共同組成數據層，其結構如圖1所示。

圖1 輕量型區塊鏈數據結構

圖2 區塊數據結構

由圖1可見，相比常規區塊鏈，輕量型區塊鏈新增了賬戶數據和本地交易，且在區塊鏈類型中，交易被以哈希值形式存儲到塊數據，同時，因為塊頭上增加了賬戶樹根，區塊數據結構如圖2所示。

其中，Time是時間戳，也就是記錄挖礦時間的信息，而Nonce是計算出的在要求值以下或者等于要求值的哈希值，是礦工完成工作量的證明。從圖2的區塊數據結構可見，在輕量型區塊鏈中，PrevBlock Hash是以前塊的整個塊數據進行哈希運算后得到的哈希指針，這個哈希指針從結構中的前塊指向后塊，所以后塊就保留了前塊的哈希值，也就是說每個區塊中會保存上一個塊的哈希值，這樣一來就形成了鏈式結構，同時輕量型區塊鏈也具備了不可篡改性。因為下一個塊要記錄上一個塊的哈希值，如果改動任意一個區塊的身前區塊數據，就會引發數據沖突，而身后區塊的PrevBlock Hash就會對身前區塊的數據進行檢驗，避免了交易中存在的數據錯誤，利用這種逐層計算交易哈希值的方式，交易本身的合法性就得到保證，這樣哈希索引就可以替換區塊交易，同時避免出現賬戶數據錯誤等問題，確保交易本身的合法性。

在應用輕量型區塊鏈系統時，操作人員只需要將交易中需要計算的交易數據和該區塊中其他交易做運算，然后將ROOT值做簡單比較就可以驗證交易合法性。這種設計的優勢在于使用ROOT值比較驗證取代了傳統交易中用鎖定和解鎖腳本驗證UTXO合法性的復雜操作，節省了許多不必要的數據信息，這些信息的實際信息價值并不高，不存在必須保留的必要性，反而會在區塊中占用諸多存儲空間，這無疑是一種資源浪費，且因為交易內容過于完整和詳細，一但出現信息泄露，有極大可能暴露用戶的個人隱私。在輕量型區塊鏈中，是利用的哈希運算的不可逆性，用交易的哈希值代替具體交易信息被記錄在區塊中，哈希值因為自身唯一性，可以對應對應的交易信息，也不可用逆運算的方式恢復交易信息，這樣就可以證明某筆交易存在于區塊鏈中，既保證了用戶的私信，同時也減少了無意義信息存儲擠占區塊容量。

3.2 節點網絡性能增強

節點網絡性能可以利用數據切片的形式進行加強，一般而言每一個區塊鏈系統有三個用戶節點，假設區塊鏈有某塊N，那么使用數據切片就能實現數據線性切片且不存在重合，也就是公式：N=N1＋N2＋N3＋N4＋N5，數據切片之后節點依據實際的存儲能力可以隨機刪除碎片，不同節點保留有不同的切片，如第一個節點有1、4，第二個節點有切片2、3，第三個節點有切片5，每個節點儲備一部分數據切片，而切片N1到N5則由全網備份，如果要重構數據，第一個節點就可以向第二個節點或者第三個節點獲取切片，以此實現重構數據。

常見的設計是使用糾刪碼編碼區塊數據，降低節點存儲負擔，在區塊鏈中，編碼矩陣分為公有和私有兩個類型，公有編碼矩陣只有唯一的編碼矩陣，該編碼矩陣為系統共用，系統運行時生成編碼矩陣，無法更改，私有編碼矩陣根據區塊鏈中的節點對應的賬戶地址生成不同的矩陣因子。在公用編碼矩陣中，網絡是節點獲取編碼切片的主要載體，依靠網絡節點向區塊鏈的其它節點調取切片實現重構，在私有編碼矩陣中，節點被分成普通節點和超級節點，由超級節點的編碼矩陣向普通節點提供切片。根據所選擇技術是聯盟鏈還是共有鏈，是去中心化還是多中心化，可適當選擇對應矩陣。因為在區塊鏈中所有的數據都是二進制的方式來進行存儲，不同區塊要單獨編碼，獲取編碼矩陣后，將區塊均勻分割成若干數據切片，然后產生切片線性組合，將數據切片和編碼矩陣采用矩陣乘法進行計算得到編碼數據，所有切片都需要進行標識，以此確保可以重構數據。

結語：區塊鏈技術正被廣泛應用于各個領域，正因如此，對于區塊鏈存在的本地存儲問題就要予以嚴肅看待，從區塊鏈技術去中心化的特性來看，過多無意義的信息記錄造成了本地存儲中容量的擠占問題，為了解決這一問題，可以通過改變區塊數據儲存結構以及進行數據切片等方式減輕節點服務器本地存儲的負荷，從而優化區塊鏈本地存儲，為交易安全和信息備份提供更好的保護作用。