基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲方案的實現(xiàn)方法研究

張亞蘋，楊少英

（廣東科技學院 廣東 東莞 523000）

0 引言

根據(jù)有關(guān)部門的推測，預計在2025年時全世界的數(shù)據(jù)生產(chǎn)量會是2016年的10倍，數(shù)據(jù)預計達到163 ZB。如此龐大的數(shù)據(jù)增長促使數(shù)據(jù)存儲行業(yè)進行改革發(fā)展，以指數(shù)形式增長的數(shù)據(jù)使得傳統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)不堪重負。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)幾乎均采取中心管理式的存儲方式，在如此大量的數(shù)據(jù)面前，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲方案的集中管理可靠性低、擴展性差、成本昂貴等缺點被不停放大，如此一來傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)也將逐漸退出歷史舞臺。

伴隨著云計算的橫空出世，分布式的數(shù)據(jù)存儲模式也隨之誕生。分布式的存儲服務(wù)器采用易于擴張的系統(tǒng)架構(gòu)，使用散布在各個位置的存儲服務(wù)器來共同存儲數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)的位置信息由特定的服務(wù)器進行記錄[1]。 然而分布式存儲環(huán)境的不穩(wěn)定以及高度集中化的管理，使得用戶的數(shù)據(jù)面臨泄露和被非法入侵的問題。為了在提供一定的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)能力的同時保障用戶隱私安全，基于區(qū)塊鏈的分布式存儲系統(tǒng)由此誕生。

比特幣的橫空出世使得其底層技術(shù)區(qū)塊鏈也首次踏入了21世紀，無中心服務(wù)器管理的分布式存儲系統(tǒng)最大的特性就是安全、無第三方機構(gòu)參與，同時利用點對點通信網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)性能高效、成本低廉等特性。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲方案相比，利用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的數(shù)據(jù)存儲方案可以有效地確保數(shù)據(jù)的完整性和有效性，同時區(qū)塊鏈也為全世界的數(shù)據(jù)存儲行業(yè)提供一個新的存儲方向從而緩解大量數(shù)據(jù)的存儲壓力[2]。

1 區(qū)塊鏈系統(tǒng)需求分析及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)是基于區(qū)塊鏈實現(xiàn)的簡易數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器，該系統(tǒng)可以較為良好地實現(xiàn)區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)特性。存儲于該服務(wù)器中的數(shù)據(jù)具有不可篡改的特性，同時本系統(tǒng)是去中心化管理的，沒有服務(wù)器會對系統(tǒng)進行維護，因此在系統(tǒng)運行時要確保應(yīng)用層的功能盡可能地簡便，而底層支持功能要盡可能地完善以保障系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)應(yīng)用層的功能是：數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)展示功能。系統(tǒng)的底層支持功能主要有：提交數(shù)據(jù)（挖礦）、注冊節(jié)點、沖突解決等。綜上所述，本系統(tǒng)可以分為應(yīng)用層與底層支持兩個模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 區(qū)塊鏈系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 點對點網(wǎng)絡(luò)通信

點對點網(wǎng)絡(luò)（peer-to-peer）又名對等式網(wǎng)絡(luò)，是一個無服務(wù)器管理的開放式節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)由各個節(jié)點共同維護。在點對點網(wǎng)絡(luò)中用戶可以作為節(jié)點參與整個服務(wù)器，節(jié)點可以同時作為前端與后端，前端為用戶提供相應(yīng)功能，后端則是在后臺作為服務(wù)器進行使用。在對等式網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與節(jié)點之間無法直接進行聯(lián)系，節(jié)點與節(jié)點之間的交互聯(lián)系必須依靠網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。在一個開放的點對點網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都可以擁有完整的數(shù)據(jù)，即便單點出現(xiàn)故障也很難影響整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全[3]。

1.2.2 數(shù)字加密技術(shù)

數(shù)字加密技術(shù)簡而言之就是將一段需要進行保護的文件數(shù)據(jù)通過特定的算法手段將其變成一段無意義的數(shù)據(jù)，文件接收者可以通過特定的算法對無意義的數(shù)據(jù)進行還原，數(shù)據(jù)內(nèi)容在還原后不會發(fā)生變化，在文件數(shù)據(jù)的加密過程中可以有效地保護數(shù)據(jù)的安全。加密技術(shù)根據(jù)使用方法不同可以分為：對稱加密和非對稱加密。

1.2.3 共識機制

共識機制是區(qū)塊鏈技術(shù)關(guān)鍵的組件，在區(qū)塊鏈的分布式存儲管理中，由于缺乏中心服務(wù)器的管理，在新數(shù)據(jù)被寫入服務(wù)器后，節(jié)點之間更新數(shù)據(jù)的速度不一樣，共識機制的存在可以確保節(jié)點之間達成共識，可以確保節(jié)點之間存儲的數(shù)據(jù)具有一致性[4]。目前主流的共識機制有：工作量證明機制（POW）、權(quán)益證明機制（POS）、股份授權(quán)證明機制（DPOS）、驗證池（POOL）。

1.2.4 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈從原理上可以理解成是一個無中心服務(wù)器管理的分布式數(shù)據(jù)庫。區(qū)塊鏈由眾多合法的區(qū)塊共同連接而成，每個區(qū)塊都存儲著其自身的哈希值，區(qū)塊哈希值依據(jù)哈希算法不可逆地產(chǎn)生，因此每個區(qū)塊都有不同的特征值。同時每個區(qū)塊都存儲著上一個區(qū)塊的哈希值和區(qū)塊被創(chuàng)建時的時間戳，區(qū)塊鏈通過相鄰區(qū)塊的哈希值進行連接。因而如果想要修改某一個區(qū)塊上的數(shù)據(jù)，從理論上應(yīng)該修改3個及以上數(shù)量的區(qū)塊信息才可實現(xiàn)。但由于區(qū)塊鏈的分布式網(wǎng)絡(luò)的存在，數(shù)據(jù)篡改幾乎難以實現(xiàn)，如果擁有具有修改區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的算力，通過篡改數(shù)據(jù)獲得的收益遠不如在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中合法“挖礦”獲得的獎勵。公有鏈是完全開放的網(wǎng)絡(luò)，其特點是任何用戶均可注冊加入該網(wǎng)絡(luò)。完全開放的公有鏈中不存在任何服務(wù)器或組織對節(jié)點網(wǎng)絡(luò)進行管理，因此公有鏈的去中心化程度是三類區(qū)塊鏈中最高的。公有鏈的代表是出現(xiàn)時間最早，發(fā)展也最為成熟的比特幣交易系統(tǒng)[5]。

私有鏈是由某個機構(gòu)或個人控制的區(qū)塊鏈。用戶想要將數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊或者創(chuàng)建新區(qū)塊，需得到機構(gòu)或相關(guān)節(jié)點的授權(quán)。私有鏈與公有鏈對比，交易的周期花費的時間更短，交易的成本更為廉價。私有鏈在保護用戶數(shù)據(jù)這一方的性能也更加優(yōu)越，因為私有鏈的區(qū)塊鏈信息不會對全網(wǎng)公開。聯(lián)盟鏈，是在多方機構(gòu)共同監(jiān)督下運行的區(qū)塊鏈，由機構(gòu)控制網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，再利用節(jié)點來存儲區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)，多方組織機構(gòu)共同維護整條區(qū)塊鏈的利益。從本質(zhì)上而言，聯(lián)盟鏈算是一種特殊私有鏈，不過相對于普通的私有鏈，聯(lián)盟鏈的去中心化程度較高。聯(lián)盟鏈的代表為螞蟻金服于2020年推出的螞蟻聯(lián)盟鏈，其旨在通過一種更為簡便的方式來實現(xiàn)商業(yè)的聯(lián)盟鏈發(fā)展，幫助小微企業(yè)在不同的區(qū)塊鏈上開發(fā)更好的應(yīng)用以及智能合約。

2 區(qū)塊鏈系統(tǒng)設(shè)計

2.1 區(qū)塊鏈存儲系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)基于Python語言進行編碼開發(fā)，前端網(wǎng)頁使用Python的Flask框架。Flask與Python有很好的兼容性，可以較為出色地完成網(wǎng)頁的開發(fā)。

Flask框架誕生于2010年，是一個用Python語言基于werkzeug工具箱編寫的輕量級Web開發(fā)框架。它主要面向內(nèi)容較少、周期較短的小項目。依賴其簡易的使用特性可以較為出色地完成本系統(tǒng)的框架搭建。

下面將對Flask中使用到的路由協(xié)議和Http常用的請求方法進行簡單的描述。

2.1.1 路由（Route）

當用戶在使用網(wǎng)頁發(fā)送數(shù)據(jù)時，網(wǎng)頁會將用戶的請求轉(zhuǎn)交發(fā)送給程序?qū)嵗诔绦驅(qū)嵗杏涊d了接收到不同請求時應(yīng)返回的數(shù)據(jù)內(nèi)容。由于程序?qū)嵗袩o法直接處理多種類型的請求，需要一個中介進行信息的轉(zhuǎn)換，可以使得程序?qū)嵗诮邮盏骄W(wǎng)頁發(fā)送的請求時，可以直接返回相應(yīng)的內(nèi)容。這個進行信息轉(zhuǎn)換的中介便是路由，在路由中存儲了各種請求與對應(yīng)的特定函數(shù)的關(guān)系表，在FLASK中使用route()來將用戶的請求轉(zhuǎn)換成程序?qū)嵗械暮瘮?shù)。

2.1.2 Http的常用請求方法

Http協(xié)議是一個使用范圍最大的Internet協(xié)議，目前主流的請求方式有8種，分別是GET、POST、HEAD、PUT、DELETE、OPTIONS、TRACE、CONNECT。

下面將對GET、POST、PUT方法進行簡單的介紹。

GET方法是利用特定的URI在特定的服務(wù)器中發(fā)出請求信息，可以簡單理解為GET方法是用于請求獲取指定的資源。GET請求是可以被瀏覽器進行記錄保存的，當發(fā)生遺漏時，用戶可以在瀏覽器的歷史訪問記錄中找回GET請求。GET請求只能用于向指定資源請求獲取數(shù)據(jù)，請求長度也存成一定的限制。

POST方法可以將數(shù)據(jù)發(fā)送至指定的資源中，使得服務(wù)器創(chuàng)建新的資源或者修改已有的資源。與上述的GET請求不同，瀏覽器無法記錄POST請求，請求的內(nèi)容也不存在限制。

PUT方法，PUT請求的功能也是向服務(wù)器進行信息的發(fā)送。PUT方法與POST方法的不同之處在于，POST請求每次都會讓服務(wù)器創(chuàng)建一個文件，而PUT請求只是請求服務(wù)器將資源進行更新。可以簡單理解為，PUT請求用于更新資源，POST請求用于創(chuàng)建資源。

2.2 創(chuàng)建區(qū)塊

區(qū)塊鏈中任何一個區(qū)塊都需包含上一個區(qū)塊的哈希值、本區(qū)塊的哈希值、數(shù)據(jù)內(nèi)容、時間戳這四項最為基礎(chǔ)的信息。區(qū)塊如圖2所示。

圖2 區(qū)塊框圖

初始區(qū)塊（祖先區(qū)塊）：祖先區(qū)塊是區(qū)塊鏈最初始的一環(huán)，它后面連接著眾多區(qū)塊。祖先區(qū)塊的區(qū)塊信息中不含上一區(qū)塊的哈希值，這是最為關(guān)鍵的不同之處。區(qū)塊連接圖如3所示。

圖3 區(qū)塊連接圖

2.3 工作量證明機制（POW）

本系統(tǒng)采用簡單的工作量證明機制，系統(tǒng)需計算出一段滿足系統(tǒng)需求的數(shù)字。計算難度設(shè)置在計算出一段特殊數(shù)字中開頭數(shù)字為0的數(shù)量，程序思想采用窮舉法實現(xiàn)。程序如下所示：

計算出一串特殊的數(shù)字后，需對該數(shù)字再次進行驗證，驗證通過后才能確認這一段特殊數(shù)字的有效性。驗證的方法是直接驗證特殊數(shù)字是否滿足設(shè)置的難度要求，驗證規(guī)則是判斷數(shù)字0的數(shù)量是否大于或等于難度要求的數(shù)量。

程序示例：guessHash[:4]=='0000'，這段程序中數(shù)字0的數(shù)量可以進行改變，比特幣系統(tǒng)也同樣使用這類最為簡便直接有效的驗證方法。但比特幣的難度是處于動態(tài)的自我調(diào)節(jié)中，由系統(tǒng)進行自動調(diào)整計算難度。比特幣系統(tǒng)會根據(jù)在目前算力環(huán)境下所花費的時間進行調(diào)整。截至今天計算難度已經(jīng)達到21.87T，需計算出前17位數(shù)字為0的特殊數(shù)字（哈希值）。具體實現(xiàn)流程圖如圖4所示。

圖4 POW模塊程序流程框圖

3 區(qū)塊鏈系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用Python的Flask框架來實現(xiàn)添加API接口，API接口是后端負責接收請求、響應(yīng)純數(shù)據(jù)的端口。對于區(qū)塊鏈系統(tǒng)而言，實現(xiàn)新交易數(shù)據(jù)、查詢顯示數(shù)據(jù)、注冊節(jié)點模塊、解決沖突模塊都是非常關(guān)鍵。在所實現(xiàn)的技術(shù)領(lǐng)域上應(yīng)當將區(qū)塊鏈的整體設(shè)計與模塊化的實現(xiàn)關(guān)聯(lián)起來，讓系統(tǒng)表現(xiàn)得更加充分。

3.1 提交新交易模塊

創(chuàng)建一個接口供于提交新數(shù)據(jù)，提交的數(shù)據(jù)包括作者及其數(shù)據(jù)。首先獲取信息數(shù)據(jù)，將獲取的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成JSON格式。再確認接收的數(shù)據(jù)是否滿足“作者+內(nèi)容”的數(shù)據(jù)格式，若滿足則將其添加至新數(shù)據(jù)，不滿足則返回提交數(shù)據(jù)不符合規(guī)則的提示。

3.2 查詢顯示數(shù)據(jù)

創(chuàng)建一個API，該API的功能用于返回區(qū)塊鏈中的交易內(nèi)容。這個接口可以獲取完整的區(qū)塊鏈內(nèi)容，并將其按照時間順序進行顯示。

3.3 注冊節(jié)點模塊

注冊節(jié)點不同于上述的提交交易模塊和顯示數(shù)據(jù)模塊，注冊節(jié)點是POST請求，不是GET請求。用戶需使用Postman軟件或者curl來實現(xiàn)注冊節(jié)點。注冊節(jié)點需要注意注冊節(jié)點的格式，其格式需滿足要求。

3.4 解決沖突模塊

服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)處于一個動態(tài)的變化之中，不斷有新區(qū)塊的產(chǎn)生，當網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點確認的區(qū)塊數(shù)量發(fā)生分歧時，需要一個解決沖突的方案。方案采用最為簡便有效的方法，最長鏈唯一有效制。模塊思想是尋求最長的鏈，并將出現(xiàn)問題節(jié)點的鏈的長度二者進行比較，鏈的長度較長的一方有效，將取代另一方。由此，沖突模塊能夠讓區(qū)塊鏈系統(tǒng)形成協(xié)調(diào)作用。

4 總結(jié)

系統(tǒng)基于一個單機網(wǎng)絡(luò)，無法實現(xiàn)其他設(shè)備對系統(tǒng)的訪問，在后續(xù)可以考慮設(shè)計局域網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)接入同一個網(wǎng)絡(luò)均可訪問的功能；系統(tǒng)處于一個開放的輸入環(huán)境，用戶輸入的昵稱是操作者個人進行輸入的，無法有效地驗證其身份。由于用戶的不確定性身份，無法在系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)字簽名的功能；新注冊的節(jié)點無法實現(xiàn)單獨挖礦的功能，故新注冊的節(jié)點只能進行查看區(qū)塊鏈的操作，在后續(xù)的改善中希望可以實現(xiàn)新注冊節(jié)點實現(xiàn)“挖礦”的操作。