蘇暢

摘要：近些年來，區(qū)塊鏈技術(shù)憑借著其去中心化的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了安全的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易、協(xié)調(diào)與協(xié)作。然而隨之而來的也有區(qū)塊鏈運(yùn)作效率低下，浪費(fèi)大量時(shí)間和空間的問題。本文擬通過一致性哈希算法（Consistent Hashing）對(duì)區(qū)塊鏈運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了研究和優(yōu)化，較好地解決了區(qū)塊鏈存儲(chǔ)空間問題、重復(fù)驗(yàn)證問題和數(shù)據(jù)分層管理問題。有效節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)資源。從而在保證區(qū)塊鏈運(yùn)轉(zhuǎn)安全，可靠之外提供了更加高效的運(yùn)行模型。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈技術(shù);運(yùn)作效率;一致性哈希算法;區(qū)塊鏈存儲(chǔ)

中圖分類號(hào)：TP311 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）14-0163-03

1 研究背景

狹義講，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成的一種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學(xué)方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本。區(qū)塊鏈技術(shù)有效地解決了拜占庭將軍問題中的共識(shí)問題，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)在無須互相信任的情況下能夠完成去中心化的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易。但隨之而來的也有區(qū)塊鏈運(yùn)作效率低下，浪費(fèi)大量時(shí)間和空間等問題。為了更好的優(yōu)化區(qū)塊鏈技術(shù)存儲(chǔ)方式，我們展開了調(diào)查、分析與研究。

2 區(qū)塊鏈運(yùn)行原理探究

區(qū)塊鏈作為一種較為安全可靠的網(wǎng)上交易和存儲(chǔ)模式，被廣泛地運(yùn)用在各種商業(yè)及金融領(lǐng)域。區(qū)塊鏈系統(tǒng)大約每十分鐘將全網(wǎng)產(chǎn)生的所有交易存儲(chǔ)到一個(gè)區(qū)塊中。由于區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)之間是對(duì)等而互不信任的關(guān)系，區(qū)塊鏈?zhǔn)褂昧斯ぷ髁孔C明（Proof-of-Work）。這使得生成的區(qū)塊具有較高的價(jià)值和可信任性。最終當(dāng)一個(gè)區(qū)塊生成成功時(shí)向全網(wǎng)廣播，使得每個(gè)電腦上都有一份完整區(qū)塊鏈的拷貝。從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)在無須互相信任的情況下能夠完成去中心化的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易的過程。

3 區(qū)塊鏈運(yùn)行過程中的弊端

從上述區(qū)塊鏈運(yùn)行原理中可以看出，區(qū)塊鏈在運(yùn)行過程中具有十分高的安全性和穩(wěn)定性，但是也存在以下幾個(gè)問題：

1）區(qū)塊鏈占用的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)資源十分大，這讓主區(qū)塊鏈在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中都存在一份備份變得越來越不實(shí)際。

2）當(dāng)我們需要對(duì)新交易進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)認(rèn)證交易都需要對(duì)歷史區(qū)塊進(jìn)行大量訪問。而全網(wǎng)中所有的節(jié)點(diǎn)都需要對(duì)重復(fù)的交易或區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證，缺乏恰當(dāng)?shù)暮献鞣绞健?/p>

綜上，提出一種優(yōu)化存儲(chǔ)與計(jì)算的區(qū)塊鏈模型刻不容緩。

4 一致性哈希算法原理與應(yīng)用探究

一致性哈希算法是哈希算法的一種擴(kuò)展。該算法實(shí)現(xiàn)了為服務(wù)器和存儲(chǔ)信息均實(shí)時(shí)變化的情況下較為合理地分配網(wǎng)絡(luò)緩存。接下來我們將簡要介紹一致性哈希算法：

1） 一致性哈希算法首先將服務(wù)器特征信息通過哈希函數(shù)映射到一個(gè)環(huán)上，并按照順時(shí)針將信息存儲(chǔ)到距離其最近的服務(wù)器上（如圖1，其中S代表服務(wù)器，A代表信息，虛線為存儲(chǔ)關(guān)系）。由于哈希函數(shù)的隨機(jī)性，每個(gè)服務(wù)器期望存儲(chǔ)的信息個(gè)數(shù)均相同。

2）如果服務(wù)器的個(gè)數(shù)增加時(shí)（如圖2，S3服務(wù)器為新增服務(wù)器），為了維護(hù)每個(gè)元素均存儲(chǔ)于順時(shí)針遇到的第一個(gè)服務(wù)器的原則，在S3右邊和S2左邊的所有數(shù)據(jù)（如A2）均需要從原服務(wù)器（S1）轉(zhuǎn)移到新增的服務(wù)器（S3）。而如果服務(wù)器個(gè)數(shù)減少，只需要將要?jiǎng)h除的服務(wù)器中的全部元素轉(zhuǎn)移到順時(shí)針遇到的下一個(gè)服務(wù)器即可。

分析算法效率可知：每個(gè)服務(wù)器平均存儲(chǔ)的信息量為信息總數(shù)除以服務(wù)器總數(shù)，同時(shí)在服務(wù)器變動(dòng)時(shí)也只需要移動(dòng)一個(gè)服務(wù)器中的信息。因此一致性哈希算法是一種高效而合理地分配網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)資源的優(yōu)秀算法，這為本文基于一致性哈希算法的區(qū)塊鏈優(yōu)化模型的提出提供了正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)的基石。

5 基于一致性哈希算法的區(qū)塊鏈的優(yōu)化模型

本模型繼承了區(qū)塊鏈分布式存儲(chǔ)的方法，擬建立用戶節(jié)點(diǎn)和服務(wù)節(jié)點(diǎn)兩種類型節(jié)點(diǎn)。其中用戶節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大、容易變動(dòng)、安全等級(jí)低且存儲(chǔ)和計(jì)算能力均比較弱。而服務(wù)節(jié)點(diǎn)則具有運(yùn)算能力強(qiáng)、存儲(chǔ)空間大和連接穩(wěn)定等特點(diǎn)。

基于上述不同節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，本模型將在每個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)上存儲(chǔ)整個(gè)主區(qū)塊鏈的備份并在服務(wù)節(jié)點(diǎn)上建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)快速查找索引。而用戶節(jié)點(diǎn)只根據(jù)網(wǎng)絡(luò)要求在用戶節(jié)點(diǎn)上存儲(chǔ)少量區(qū)塊數(shù)據(jù)，同時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證、計(jì)算等工作也將分?jǐn)傄徊糠值椒?wù)節(jié)點(diǎn)。

下面將詳細(xì)介紹模型中節(jié)點(diǎn)的任務(wù)以及在實(shí)際情況中的模型的運(yùn)轉(zhuǎn)流程。

1） 當(dāng)用戶節(jié)點(diǎn)上線時(shí)，需要先搜尋一個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)作為自己的服務(wù)節(jié)點(diǎn)。并將自己的特征標(biāo)識(shí)+當(dāng)前時(shí)間+環(huán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)最后一個(gè)通過驗(yàn)證的區(qū)塊輸入哈希函數(shù)并作為自己的在環(huán)上的位置（如圖3）。這樣決定節(jié)點(diǎn)位置可以保證位置定時(shí)刷新且無法被預(yù)測(cè)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)信息利用一致性哈希算法移動(dòng)。

2）當(dāng)區(qū)塊鏈中有新的區(qū)塊產(chǎn)生的時(shí)候，首先由服務(wù)節(jié)點(diǎn)計(jì)算出區(qū)塊的哈希值并將其通過一致性哈希算法映射到該服務(wù)器管理的環(huán)中。（如圖4，綠色為區(qū)塊的映射位置，藍(lán)色為用戶節(jié)點(diǎn)的映射位置）并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全程度、對(duì)信息來源可靠性的分析和當(dāng)前在線節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，自動(dòng)地沿著順時(shí)針方向?qū)ふ胰舾蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)（如標(biāo)星節(jié)點(diǎn)）并令這些節(jié)點(diǎn)對(duì)該新生成的區(qū)塊進(jìn)行校驗(yàn)與認(rèn)證。標(biāo)星節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證完畢則視為該服務(wù)區(qū)對(duì)該區(qū)塊驗(yàn)證成功。由于一致性哈希具有的隨機(jī)性質(zhì)，其過程可以等價(jià)于在該服務(wù)區(qū)中隨機(jī)抽取若干個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證工作。這使得少數(shù)的節(jié)點(diǎn)可以使用較少的工作量代替大多數(shù)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證，同時(shí)由于系統(tǒng)的隨機(jī)性質(zhì)使得這些節(jié)點(diǎn)難以被預(yù)測(cè)和攻擊。從而使這些節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證具有代表性。

3）當(dāng)一個(gè)區(qū)塊最終接入主區(qū)塊鏈后，服務(wù)節(jié)點(diǎn)需要將這個(gè)區(qū)塊加入主區(qū)塊鏈。同時(shí)，服務(wù)器將這個(gè)經(jīng)過認(rèn)證的區(qū)塊再次經(jīng)過哈希映射在環(huán)上，并使得順時(shí)針若干個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)區(qū)塊的備份文件。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要讀取某區(qū)塊時(shí)，服務(wù)器將通過快速索引優(yōu)先返回本地儲(chǔ)存的區(qū)塊鏈信息，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)將隨機(jī)選擇1～2個(gè)存儲(chǔ)了所需區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)，使其發(fā)送校驗(yàn)信息到請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)和認(rèn)證。從而在保證讀取效率的情況下盡可能保證數(shù)據(jù)不會(huì)被篡改。

4）服務(wù)器需要定期對(duì)本地的數(shù)據(jù)和所有節(jié)點(diǎn)中緩存的數(shù)據(jù)進(jìn)行查驗(yàn)比較。如果發(fā)現(xiàn)了數(shù)據(jù)缺失或者數(shù)據(jù)不相同則通過網(wǎng)絡(luò)向其他服務(wù)節(jié)點(diǎn)獲取更加可靠的區(qū)塊鏈。這樣就可以避免由于本地錯(cuò)誤或其他原因?qū)е聰?shù)據(jù)遺失和破壞，同時(shí)也使得入侵者難以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行攻擊和破壞。

綜上，該模型在提升了區(qū)塊鏈的工作效率和優(yōu)化區(qū)塊鏈占用的存儲(chǔ)的同時(shí)，有著一套較為可行的防攻擊和安全維護(hù)機(jī)制，使得模型穩(wěn)定、高效而可靠。

6 針對(duì)實(shí)例的進(jìn)一步優(yōu)化

區(qū)塊鏈技術(shù)除了應(yīng)用在金融領(lǐng)域，在網(wǎng)絡(luò)電子商務(wù)中也有廣泛應(yīng)用。由于網(wǎng)上的廠商相對(duì)買家和賣家來說較為固定，所以可以在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)任服務(wù)節(jié)點(diǎn)的角色。而買賣雙方具有流動(dòng)性大，變化迅速等特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中扮演用戶節(jié)點(diǎn)的角色會(huì)比較合適。

在實(shí)際的網(wǎng)上交易中，一個(gè)交易單往往包含大量的信息。因此，我們可以按照數(shù)據(jù)的重要程度給數(shù)據(jù)分級(jí)，并將不同層級(jí)的交易單信息進(jìn)行分片式存儲(chǔ)與管理。對(duì)于重要的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)要求工作量證明難度更高、在認(rèn)證時(shí)需要得到更多的用戶節(jié)點(diǎn)的認(rèn)可，以及存儲(chǔ)時(shí)在多個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)上保存?zhèn)浞菸募苑来鄹暮蛠G失。而對(duì)于相對(duì)次要的數(shù)據(jù)，則可以適當(dāng)?shù)亟档吞峁┕ぷ髁孔C明的難度，在存儲(chǔ)時(shí)減少備份數(shù)量。

至此，優(yōu)化模型的原理與概況基本闡述完畢，下表1為傳統(tǒng)區(qū)塊鏈與優(yōu)化模型的優(yōu)劣比較：

7 驗(yàn)證數(shù)據(jù)與探究結(jié)果

通過自行編寫區(qū)塊鏈程序和本文中優(yōu)化模型的程序、搭建小型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬測(cè)試，我們得到了以下若干實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了對(duì)比分析。

實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，測(cè)試了若干個(gè)因素對(duì)程序的時(shí)間效率以及空間效率的影響。首先控制處理數(shù)據(jù)大小不變，控制PoW相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總算力難度不變，改變網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，測(cè)得程序運(yùn)行時(shí)所使用物理內(nèi)存空間以及虛擬內(nèi)存空間如表2：（注：其中內(nèi)存占用為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)內(nèi)存占用的平均值）

通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們可以看出以下幾個(gè)結(jié)論：①優(yōu)化模型在面對(duì)同樣大小的數(shù)據(jù)時(shí)，其處理所用內(nèi)存空間相對(duì)于普通區(qū)塊鏈來說具有較大的優(yōu)勢(shì)。②對(duì)于優(yōu)化模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加反而使得內(nèi)存空間變少，因此在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行時(shí)優(yōu)化模型也會(huì)具有更大的存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)。

接著控制上述變量不變情況下，探究節(jié)點(diǎn)變化對(duì)算法運(yùn)行時(shí)間的影響，測(cè)得數(shù)據(jù)如表3：

由表中凈運(yùn)行時(shí)間的對(duì)比可見，節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時(shí)，原區(qū)塊鏈算法的凈運(yùn)行時(shí)間基本呈線性增長，而優(yōu)化模型的凈運(yùn)行時(shí)間則隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增多快速下降。這主要是因?yàn)橥ㄟ^網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)節(jié)點(diǎn)的合理調(diào)度，優(yōu)化模型較好地分配了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源，使得節(jié)點(diǎn)消耗的運(yùn)算資源大幅度減少。但在處理過程中，優(yōu)化模型所需要的總處理時(shí)間要略多于原區(qū)塊鏈的處理時(shí)間。

接下來我們控制節(jié)點(diǎn)數(shù)量不變（始終為4），通過改變數(shù)據(jù)規(guī)模獲得相關(guān)信息。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得在改變數(shù)據(jù)規(guī)模的情況下，程序運(yùn)行時(shí)間和占用內(nèi)存如表4：

通過比較我們發(fā)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)規(guī)模變化時(shí)各個(gè)算法的時(shí)間基本呈現(xiàn)出線性增長，但是優(yōu)化模型所用總時(shí)間相對(duì)于原區(qū)塊鏈所用總時(shí)間仍有一定差距。但是對(duì)比算法凈運(yùn)行時(shí)間和內(nèi)存效率，我們可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化模型在不同的數(shù)據(jù)規(guī)模之下仍然擁有更加高效的凈處理時(shí)間和內(nèi)存使用量，這進(jìn)一步體現(xiàn)出了優(yōu)化模型調(diào)配網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、存儲(chǔ)資源的優(yōu)越性。

綜上，本文提出的基于一致性哈希算法的區(qū)塊鏈優(yōu)化模型具有十分優(yōu)秀的存儲(chǔ)效率，具有優(yōu)秀的存儲(chǔ)容量可擴(kuò)展性。同時(shí)本文模型在處理的時(shí)間效率上也與普通區(qū)塊鏈差距不大，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作量大幅降低。

8 結(jié)語

在當(dāng)今信息爆炸式增長的時(shí)代，區(qū)塊鏈也難免存在著存儲(chǔ)和計(jì)算效率的問題。本文通過對(duì)一致性哈希算法和區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)的有效結(jié)合，成功創(chuàng)立了基于一致性哈希算法的區(qū)塊鏈優(yōu)化模型。該模型從區(qū)塊鏈存儲(chǔ)，區(qū)塊鏈運(yùn)算和數(shù)據(jù)分級(jí)管理等多個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有區(qū)塊鏈進(jìn)行補(bǔ)充和優(yōu)化，彌補(bǔ)了區(qū)塊鏈存儲(chǔ)與計(jì)算方面的不足。同時(shí)模型提出了服務(wù)器定期自動(dòng)核查、同步的方式來確保區(qū)塊鏈的安全運(yùn)行，極大程度上防止了外來攻擊對(duì)重要數(shù)據(jù)的破壞與篡改。其優(yōu)異的性能和可靠的安全性，使該模型在現(xiàn)代信息社會(huì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】