基于時序索引的可編輯區(qū)塊鏈模型研究

龐俊，劉晨，郝琨，于明鶴，信俊昌，姜承揚

1.武漢科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢430070

2.智能信息處理與實時工業(yè)系統(tǒng)湖北省重點實驗室，武漢430070

3.東北大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110169

4.東北大學(xué) 軟件學(xué)院，沈陽110169

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€分布式共享的賬本數(shù)據(jù)庫。它可以在互不可信的環(huán)境中驗證并永久地記錄數(shù)據(jù)。這一特性為金融、政治和社會治理等領(lǐng)域提供了新的數(shù)據(jù)存儲模式[1]。區(qū)塊鏈中存在因人為操作失誤或惡意提交產(chǎn)生的非法交易，這些非法交易可借助區(qū)塊鏈的透明性和不可篡改性產(chǎn)生永久性的負(fù)面影響。例如：惡意節(jié)點將不實謠言信息上鏈，經(jīng)過共識等過程，這些信息最終永久存儲在區(qū)塊鏈上，所有節(jié)點都能訪問從而受到這些不良信息的危害[2]。區(qū)塊鏈的編輯操作是指在達(dá)成節(jié)點共識之后對歷史交易本身進(jìn)行修改或刪除，從而減少或消除非法信息的負(fù)面影響?，F(xiàn)有相關(guān)研究還包括把區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)遷移至外部數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析處理操作[3]，但并不會改變鏈上數(shù)據(jù)，因此不屬于區(qū)塊鏈可編輯的范疇。

可編輯區(qū)塊鏈相關(guān)研究很多，根據(jù)是否對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯分為兩大類：物理編輯和邏輯編輯。物理編輯一般采用密碼學(xué)工具，對區(qū)塊原始數(shù)據(jù)進(jìn)行替換并保證哈希鏈路完整，具有效率較高且不會產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)的優(yōu)點。但存在提高中心化程度與密鑰泄露的問題，并且直接替換會導(dǎo)致原有的非法交易無從考證，使得掌握密鑰的人可隨意抹除對其不利的存證。邏輯編輯不改變原始數(shù)據(jù)，一般采用追加交易等方法，通過改變追加交易后數(shù)據(jù)的訪問方式來實現(xiàn)“邏輯”編輯。該種方案保留了錯誤交易記錄以供考證，但沒有將錯誤交易與有效交易進(jìn)行隔離，因此缺乏安全訪問機(jī)制。此外，交易類型數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈中表現(xiàn)為上下文相關(guān)和高度依賴的交易鏈條，如果對其中某一個交易進(jìn)行編輯，可能導(dǎo)致以該交易為頂點的交易子樹中原本合法的交易無法正常執(zhí)行，最終導(dǎo)致交易失效。除文獻(xiàn)[4]針對UTXO（unspent transaction output）模型進(jìn)行了簡單探討之外，其余現(xiàn)有相關(guān)研究均假設(shè)數(shù)據(jù)編輯不涉及上下文相關(guān)的交易類型數(shù)據(jù)。因此，本文提出一種屬于邏輯編輯的可編輯區(qū)塊鏈模型。首先，以一般存證數(shù)據(jù)為例，為數(shù)據(jù)增加時序?qū)傩?，實現(xiàn)了安全的查詢接口以訪問合法交易，同時保留了錯誤數(shù)據(jù)存證。在此基礎(chǔ)上，針對交易類型數(shù)據(jù)的編輯，重構(gòu)以目標(biāo)交易為根節(jié)點的交易樹，保證了后續(xù)交易的一致性和有效性。

Hyperledger Fabric 是一個使用賬戶模型的聯(lián)盟鏈平臺。不同于使用UTXO 模型的比特幣[5]等公有鏈，F(xiàn)abric[6]不僅向用戶提供了豐富的查詢接口，而且支持智能合約，實現(xiàn)多種場景下的應(yīng)用。不失一般性，本文采用Fabric 作為底層平臺，提出可編輯區(qū)塊鏈模型，該模型的思想同樣適用于其他使用賬戶模型的區(qū)塊鏈。

本文的主要貢獻(xiàn)如下：

（1）對存證與交易類型的數(shù)據(jù)分別重新設(shè)計了新的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，增加了時序?qū)傩圆⒆鳛樗饕岢隽嘶跁r序索引的提交、編輯和查詢算法。在實現(xiàn)交易邏輯編輯的同時，保留了錯誤交易存證，并提供了安全的訪問接口以查詢有效交易。

（2）分析了上下文相關(guān)的交易級編輯對后續(xù)交易的影響，并針對交易類型數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相關(guān)算法的改進(jìn)，在編輯交易時重構(gòu)以該交易為根節(jié)點的交易子樹，保證了交易鏈條的一致性。

（3）通過對兩種類型的數(shù)據(jù)分別編寫智能合約進(jìn)行實驗，證明了本文提出的可編輯區(qū)塊鏈模型可實現(xiàn)對目前所有類型數(shù)據(jù)的編輯，同時保證了系統(tǒng)的基礎(chǔ)性能。

1 相關(guān)工作

本章首先介紹了可編輯區(qū)塊鏈研究現(xiàn)狀，然后概述了Fabric區(qū)塊鏈模型。

1.1 可編輯區(qū)塊鏈研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有可編輯區(qū)塊鏈相關(guān)研究可分為兩大類：物理編輯和邏輯編輯。

1.1.1 物理編輯

物理編輯的核心思想是：在不破壞區(qū)塊哈希鏈路完整性的前提下，直接替換區(qū)塊數(shù)據(jù)。Ateniese等人最先提出了利用變色龍哈希函數(shù)[7]替換區(qū)塊數(shù)據(jù)的方案[8]。在改變區(qū)塊內(nèi)容的同時保持區(qū)塊頭部哈希不變，從而維持哈希鏈路的完整性，實現(xiàn)對區(qū)塊鏈的編輯。此方案會導(dǎo)致一定程度的中心化，且陷門本身可能會泄露，造成安全隱患。李佩麗等人對其進(jìn)行了改進(jìn)，利用秘密共享方案[9]，將陷門拆分為多份并分發(fā)給指定的信任節(jié)點，一定程度上解決了上述中心化問題。任艷麗等人利用陷門單項函數(shù)，引入機(jī)動因子，重構(gòu)了區(qū)塊簽名子塊，在超過閾值節(jié)點數(shù)同意的情況下便可修改區(qū)塊數(shù)據(jù)[10]。不同于基于密碼學(xué)的方案，Deuber 等人提出了雙哈希鏈模型[11]，在改變區(qū)塊內(nèi)容的同時保留原區(qū)塊哈希，即同時存在兩條哈希鏈，保證至少一條哈希鏈路成立。

物理編輯方案雖然實現(xiàn)了對區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的編輯，但只支持區(qū)塊粒度的編輯，無法定位到區(qū)塊中的具體數(shù)據(jù)。并且錯誤數(shù)據(jù)一旦被修改，便無從考證。此外，物理編輯方案均沒有考慮對上下文強(qiáng)相關(guān)和高度依賴的交易類型數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。

1.1.2 邏輯編輯

邏輯編輯的相關(guān)研究較少。Marsalek 等人提出了雙區(qū)塊鏈模式（數(shù)據(jù)鏈中存儲原始的區(qū)塊數(shù)據(jù)，修正鏈存儲修正后的區(qū)塊數(shù)據(jù)）[12]，以兩條鏈互補(bǔ)的方式實現(xiàn)對區(qū)塊數(shù)據(jù)的編輯。該方案雖保留了錯誤數(shù)據(jù)存證，但同樣只以區(qū)塊為粒度進(jìn)行編輯，沒有考慮交易修改后對后續(xù)交易的影響。Puddu 等人提出了可變交易的概念（將原始標(biāo)準(zhǔn)交易結(jié)構(gòu)改為交易集合的形式）[4]，通過將后續(xù)追加交易進(jìn)入集合，并指定一個活躍交易作為有效交易，從而實現(xiàn)編輯操作。該方案雖然保留了錯誤存證，但所有錯誤歷史記錄與有效數(shù)據(jù)均包含在集合中，缺乏安全的訪問機(jī)制，難以隱藏不良信息。雖考慮了上下文強(qiáng)相關(guān)的交易類型數(shù)據(jù)的編輯，但僅通過設(shè)置約束規(guī)則，使交易接收方拒絕接收使用可變交易進(jìn)行的轉(zhuǎn)賬，從而在源頭杜絕后續(xù)交易可能出現(xiàn)的不一致性，并未從實際意義上實現(xiàn)對交易類型數(shù)據(jù)的編輯。本文提出的基于時序索引的可編輯區(qū)塊鏈模型，在保存錯誤交易存證的基礎(chǔ)上，不但為用戶提供了安全的訪問接口，還重構(gòu)交易子樹，保證了交易子樹中所交易的貨幣數(shù)量守恒，解決了后續(xù)交易失效的問題。

1.2 Fabric區(qū)塊鏈模型

Fabric 網(wǎng)絡(luò)中的參與者都共同保留和維護(hù)一條完整的區(qū)塊鏈，包括賬本文件和多個數(shù)據(jù)庫。本節(jié)只介紹與本文工作密切相關(guān)的賬本文件和狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。下文以車管所為車輛設(shè)置牌照為例進(jìn)行解釋。如在時間t時將品牌為Benz所有者有Tom的車輛設(shè)置牌照為CX8789，交易

圖1 提交成功后的相應(yīng)更新Fig.1 Update after submission

提交成功后，客戶端可通過智能合約訪問狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中唯一鍵K的最新狀態(tài)。但狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中僅保存鍵值數(shù)據(jù)，若想查詢完整的交易信息（如查詢交易發(fā)起方和具體參數(shù)），則需根據(jù)歷史索引查詢到唯一鍵K相關(guān)歷史交易所在的區(qū)塊，并反序列化區(qū)塊，從中提取出具體的完整交易內(nèi)容[13]。

區(qū)塊中所有交易共同進(jìn)行哈希運算得到“Merkle根”字段以此來驗證區(qū)塊體中的交易是否被篡改，而區(qū)塊頭中的“前一區(qū)塊哈?！弊侄巫寘^(qū)塊與區(qū)塊之間環(huán)環(huán)相扣，任何歷史區(qū)塊內(nèi)容的改變都引發(fā)后續(xù)所有區(qū)塊哈希值的連鎖改變[14]。因此，區(qū)塊鏈不可篡改的特性是指交易數(shù)據(jù)本身一旦上鏈則不可更改以及唯一鍵K對應(yīng)數(shù)據(jù)的更改歷史不可改，但是支持通過提交交易的方式使數(shù)據(jù)從舊版本更新到新的版本。但這種記錄數(shù)據(jù)的方式在某些場景下會造成一定的危害。因此，需要在保證區(qū)塊鏈“不可篡改”的前提下，實現(xiàn)對歷史記錄的編輯。

2 存證數(shù)據(jù)的可編輯區(qū)塊鏈模型

本章針對存證類型數(shù)據(jù)，提出了一種基于時序索引的可編輯區(qū)塊鏈模型，其流程如圖2所示?？蛻舳税l(fā)送提交交易或編輯交易的請求給背書節(jié)點進(jìn)行模擬執(zhí)行，然后把模擬執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給排序節(jié)點進(jìn)行排序，根據(jù)排序結(jié)果為每個交易設(shè)置時序?qū)傩訹15]。然后將打包后的區(qū)塊發(fā)送給提交節(jié)點進(jìn)行驗證并提交，獲得最新的帶有時序索引的區(qū)塊賬本。最后根據(jù)時序索引查詢歷史有效交易。下文分別介紹本文提出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、交易提交、交易編輯和歷史查詢算法。

圖2 可編輯區(qū)塊鏈模型流程圖Fig.2 Process of editable blockchain model

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

新數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在原有交易結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，為每個交易新增一個時序?qū)傩?，即?fù)合字段：Start{S.blockid,S.txid}。S.blockid 和S.txid 分別表示該交易的前置交易所在區(qū)塊號與交易在區(qū)塊內(nèi)的序號。前置交易是指與該交易擁有相同唯一鍵的上一個歷史交易。此外，還為狀態(tài)數(shù)據(jù)庫在原有key-value結(jié)構(gòu)的value域中同樣增添兩個字段From{F.blockid，F(xiàn).txid}和To{T.blockid，T.txid}。F.blockid、F.txid、T.blockid 和T.txid分別表示最新狀態(tài)值所在交易對應(yīng)的區(qū)塊號和交易序號以及該唯一鍵在第T.blockid 號區(qū)塊的第T.txid個交易被刪除。

若交易包含的唯一鍵是第一次出現(xiàn)，則將Start置為?，因為區(qū)塊鏈賬本中沒有唯一鍵相同的歷史交易。屬性To設(shè)置為∞，表示該狀態(tài)依然有效，尚未刪除。繼續(xù)以上一章車輛牌照存證為例，假設(shè)CX8789 作為唯一鍵在區(qū)塊鏈中第一次出現(xiàn)，且該信息被正確存儲在區(qū)塊鏈中第5 個區(qū)塊的第10 個交易中。K與V對應(yīng)的含義與上文相同。區(qū)塊賬本和狀態(tài)數(shù)據(jù)庫如圖3所示（方便起見圖中省略了交易序號）。

圖3 可編輯模型數(shù)據(jù)插入Fig.3 Insert of editable model data

當(dāng)該車牌在時間t1時更換為品牌為BMW 的車輛，鍵值對

圖4 可編輯模型數(shù)據(jù)更新Fig.4 Update of editable model data

當(dāng)車輛報廢，車牌需要注銷時，需要刪除唯一鍵CX8789。該操作與更新操作類似，以提交交易的形式進(jìn)行：唯一鍵K不變，相應(yīng)的V賦予空值，即該鍵對應(yīng)的最新狀態(tài)被刪除；Start 的設(shè)置與更新操作相同。狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的To設(shè)置為與From相同的值，即若查詢到狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中某個唯一鍵的復(fù)合字段To含有具體的數(shù)值而非∞時，認(rèn)為該唯一鍵被刪除，但仍可以查詢到所有的歷史狀態(tài)。

2.2 交易操作與查詢算法

2.2.1 交易提交

交易提交指采用提交交易的方式為賬本添加新的唯一鍵或?qū)σ汛嬖诘奈ㄒ绘I進(jìn)行狀態(tài)更新或“刪除”。由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)新增了時序?qū)傩裕灰滋峤凰惴ㄐ柚匦略O(shè)計。算法偽代碼如算法1所示。

算法1交易提交

輸入：客戶端提供的唯一鍵key，對應(yīng)狀態(tài)的值value，方法method。

算法1 第1～4 行判斷狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中是否存在對應(yīng)唯一鍵key，如沒有則將Start 置為?；否則，按要求設(shè)置相應(yīng)值。第5～6行創(chuàng)建寫集并賦值，然后提交排序。第7～12行根據(jù)交易排序設(shè)置寫集中的時序?qū)傩?。?3 行根據(jù)寫集更新世界狀態(tài)，提交交易并更新賬本。

2.2.2 交易編輯

交易編輯是對已經(jīng)上鏈的歷史交易進(jìn)行編輯。交易編輯與交易提交一樣遵循區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的共識，即得到足夠數(shù)量節(jié)點的驗證并背書后才會被正確執(zhí)行。此處不考慮再次惡意和錯誤提交的情況。編輯操作包括對歷史交易本身進(jìn)行修改或刪除，其中“刪除”操作可看作將目標(biāo)歷史交易的內(nèi)容修改為空。交易編輯算法偽代碼如算法2所示。

算法2交易編輯

輸入：歷史交易的輸入?yún)?shù)historyinput，修改交易的唯一鍵key，數(shù)據(jù)值value。

算法2第1～3行獲取key對應(yīng)最新狀態(tài)所在的交易；第4～6行判斷該交易包含的輸入與待修改交易的輸入是否匹配，如不匹配則不斷地根據(jù)交易中的Start 字段獲取前一個有效交易，并把索引路徑中的交易加入交易池；第7～9行表示當(dāng)匹配到被修改交易后，獲取前置交易的時序?qū)傩宰鳛樾陆灰椎腟tart，并依次執(zhí)行算法1交易提交步驟，將修改后的交易與目標(biāo)前置交易鏈接起來；第10～11行按順序提交交易池中的交易，保證正確的歷史交易順序。

2.2.3 歷史交易查詢

原始Fabric 歷史交易查詢返回與唯一鍵相關(guān)的所有交易，并不區(qū)分錯誤交易與合法交易。使用狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的時序?qū)傩訤rom與交易結(jié)構(gòu)中的時序?qū)傩許tart把區(qū)塊鏈中每個唯一鍵對應(yīng)的歷史交易鏈接成一條倒置鏈表，可跳過錯誤交易和無效交易，返回合法交易集合，實現(xiàn)有效的歷史查詢。該查詢的邏輯與算法2 中索引目標(biāo)交易類似。不同之處：通過Start 是否為?來判斷是否完成歷史查詢，并返回交易集合。限于篇幅不再重復(fù)解釋。仍保留Fabric 原有歷史查詢接口，用于查詢錯誤交易存證。

3 交易數(shù)據(jù)的可編輯區(qū)塊鏈模型

與存證類型數(shù)據(jù)不同，交易類型數(shù)據(jù)具有強(qiáng)上下文相關(guān)性和高度依賴性，修改歷史交易可能會導(dǎo)致后續(xù)交易失效。

3.1 問題與解決方案

3.1.1 不適用的交易結(jié)構(gòu)

針對存證數(shù)據(jù)設(shè)計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不適用于交易轉(zhuǎn)賬場景。存證數(shù)據(jù)的一條交易中只涉及一個唯一鍵狀態(tài)的改動，交易轉(zhuǎn)賬的場景下，由于存在發(fā)送方和接收方兩個賬戶，一條交易對應(yīng)兩個唯一鍵狀態(tài)的改變。此外，交易轉(zhuǎn)賬中的賬戶一旦建立則被認(rèn)為持久存在。因此，可編輯區(qū)塊鏈模型中用于判斷唯一鍵是否被刪除的字段To 失去了作用，相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計。

解決方案：區(qū)塊賬本中每個交易新增兩個復(fù)合字段SAI{S.blockid，S.txid}和RAI{R.blockid，R.txid}，SAI（RAI）記錄交易發(fā)送方（接收方）對應(yīng)前置交易所在區(qū)塊與交易序號，賬戶首次交易則對應(yīng)設(shè)置為?。此外，狀態(tài)數(shù)據(jù)庫value 域添加一個字段AI，記錄該唯一鍵對應(yīng)賬戶的最新一筆轉(zhuǎn)賬交易所在的區(qū)塊號和交易序號。

3.1.2 余額不足導(dǎo)致的無效交易

不同于比特幣使用UTXO 模型隱式地計算賬戶余額，F(xiàn)abric每次轉(zhuǎn)賬交易的提交都會直接更新賬戶余額。因此，修改某個歷史交易可能導(dǎo)致后續(xù)多個交易失效。例如，已知順序發(fā)生并寫入?yún)^(qū)塊鏈的3筆交易：（1）(A→B,50)；（2）(B→C,100)；（3）(C→D,150)，假設(shè)交易（1）為錯誤交易，修改為(A→B,0)，則原本可正確執(zhí)行的交易（2）因賬戶B余額不足執(zhí)行失敗。交易（3）同理執(zhí)行失敗，賬戶C、D同樣面臨無法執(zhí)行后續(xù)交易的危險。最壞的情況下，區(qū)塊鏈中全部交易都受影響。因此，必須要保證交易修改后不會導(dǎo)致后續(xù)交易的失效。

解決方案：如果每次轉(zhuǎn)賬均同時遵循下述的3個約束條件，即可保證修改目標(biāo)交易不會影響后續(xù)交易的正確執(zhí)行：（1）發(fā)送方在交易時只能花費固定余額進(jìn)行轉(zhuǎn)賬；（2）接收方基于轉(zhuǎn)賬得到的貨幣將被存放進(jìn)臨時余額，在時間Δt之后，臨時余額被轉(zhuǎn)換成為固定余額；（3）只有在提交交易后的Δt時間段內(nèi)，才可以對該交易進(jìn)行修改。緩沖時間Δt的取值根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)置。

因此，將余額改為{balance,temporaryset}的形式。balance為固定余額，temporaryset={b1,b2,…,bn}為臨時余額集合。bi=(temporaryunits,t),temporaryunits和t分別代表著臨時交易的貨幣數(shù)額與交易執(zhí)行的時間戳。交易合法性被驗證通過后，在執(zhí)行轉(zhuǎn)賬操作前會將發(fā)送方與接收方的臨時余額集合temporaryset里所有滿足時間要求t+Δt≤time.now的temporaryunits更新至固定余額中，以保證實時正確的賬戶余額狀態(tài)完成交易。

3.2 操作與查詢算法

3.2.1 交易提交

針對交易類型數(shù)據(jù)的提交算法偽代碼如算法3所示。

算法3交易提交

輸入：發(fā)送方A，接收方B，金額units。

算法3 第1～6 行首先根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫求出本條交易執(zhí)行前發(fā)送方與接收方的固定余額與臨時余額集合；第7～8 行計算出交易執(zhí)行后賬戶的寫集狀態(tài)；第9～12 行判斷是否是賬戶的第一次交易，如果是則將對應(yīng)賬戶的時序?qū)傩灾脼?，否則根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫設(shè)置為前置交易的時序索引；第13 行對交易進(jìn)行排序并打包入塊；第14～15行根據(jù)本交易所在區(qū)塊以及交易序號設(shè)置狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的AI并根據(jù)寫集更新狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，提交交易到區(qū)塊鏈賬本。

3.2.2 交易編輯

交易類型數(shù)據(jù)的編輯涉及的后繼交易包括所有狀態(tài)受影響的交易。對歷史交易的“刪除”可看作將交易金額修改為0。算法偽代碼如算法4所示。

算法4交易編輯

輸入：編輯的目標(biāo)歷史交易中包含的發(fā)送方A，接收方B，金額units以及要修改的金額units1。

算法4 第1～6 行根據(jù)輸入?yún)?shù)定位目標(biāo)歷史交易；第7 行判斷是否滿足交易修改條件；第8 行創(chuàng)建新交易trans并設(shè)置SAI 與RAI；第9～13 行從目標(biāo)交易所在區(qū)塊的下一區(qū)塊開始遍歷至最新區(qū)塊，將受影響的交易放入交易池；第14～16行表示更新關(guān)聯(lián)賬戶集合，并將賬戶恢復(fù)至前置交易對應(yīng)的狀態(tài)；第17行表示將trans根據(jù)輸入的units1更新寫集并提交交易更新狀態(tài)數(shù)據(jù)庫；第18～19行將交易池中的交易按順序重新提交，重構(gòu)交易樹。

3.2.3 歷史交易查詢

除以下區(qū)別之外，交易類型數(shù)據(jù)的歷史交易查詢思想與存證類型數(shù)據(jù)基本相同：存證類型數(shù)據(jù)由交易中的Start與狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的From進(jìn)行索引；交易類型數(shù)據(jù)由賬戶對應(yīng)的SAI 或RAI 以及狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的AI進(jìn)行索引。因此交易類型數(shù)據(jù)的歷史交易查詢算法不再贅述。同樣保留Fabric 原有的歷史查詢接口，用于查詢錯誤交易存證。

4 性能分析

本章在模擬數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了大量實驗，對比了本文提出的可編輯區(qū)塊鏈模型和Fabric的吞吐量、存儲空間開銷和歷史查詢效率，驗證了其可以在保證系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的編輯。

4.1 數(shù)據(jù)集和實驗環(huán)境

采用Fabric SDK 循環(huán)生成模擬數(shù)據(jù)集，每個區(qū)塊中交易數(shù)量設(shè)置為100。（1）在存證數(shù)據(jù)場景下，每個交易對應(yīng)的唯一鍵key分別從0到99，對應(yīng)的值域為key+區(qū)塊號。（2）在交易數(shù)據(jù)場景下，建立200個賬戶，使用隨機(jī)轉(zhuǎn)賬的形式構(gòu)建模擬交易進(jìn)行實驗。

在CPU3.2 GHz、64 GB RAM、2 TB磁盤空間的服務(wù)器上，使用虛擬機(jī)搭建了4個操作系統(tǒng)為Ubuntu16.04的普通節(jié)點和1個排序節(jié)點。Fabric 版本為1.1，底層數(shù)據(jù)庫使用LevelDB。baseline 方法為Fabric 原始提交與歷史查詢算法。本文主要研究區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的可編輯和歷史交易的回溯查詢，因此實驗均使用Fabric默認(rèn)共識，并報道10次實驗的平均結(jié)果。

4.2 實驗結(jié)果及分析

本節(jié)對比本文提出的可編輯區(qū)塊鏈模型與Fabric的系統(tǒng)性能。

（1）交易吞吐量測試

分別在存證和交易數(shù)據(jù)上比較了改進(jìn)后的可編輯區(qū)塊鏈模型與原始區(qū)塊鏈的交易吞吐量，其實驗結(jié)果如圖5 所示。使用4 個節(jié)點同時發(fā)送10 000 條交易進(jìn)行排序出塊，記錄數(shù)據(jù)從被創(chuàng)建到打包區(qū)塊被持久化存儲到賬本文件的總用時，從而計算出每秒的有效交易數(shù)[16]。

圖5 交易吞吐量對比Fig.5 Comparison of throughput

圖5表明在兩種數(shù)據(jù)類型下，可編輯區(qū)塊鏈模型均與原始Fabric 具有相近的吞吐量。在存證類型數(shù)據(jù)下，可編輯模型的吞吐量比原始Fabric低約4%，而在交易數(shù)據(jù)下則約為8%。因為可編輯區(qū)塊鏈在交易提交過程中增加了設(shè)置時序?qū)傩缘牟僮?；對于交易類型?shù)據(jù)，還需遍歷臨時余額集合，實時計算固定余額，因此花費了更多時間，從而降低了交易吞吐量。雖然改進(jìn)的區(qū)塊鏈模型吞吐量略低，但屬于可接受的范圍。

（2）存儲空間開銷對比

分別比較了搭載存證和交易類型數(shù)據(jù)時，可編輯區(qū)塊鏈模型與原始Fabric 在不同數(shù)據(jù)量下所需的存儲空間大小。實驗結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 表明本文提出的可編輯區(qū)塊鏈模型在存儲存證數(shù)據(jù)的條件下所需存儲空間與原始Fabric 幾乎相同，這是由于交易本身與狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中額外的時序數(shù)據(jù)對整體影響較小。

圖6 存證數(shù)據(jù)存儲對比Fig.6 Comparison of depository data storage

圖7顯示當(dāng)交易數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量后，可編輯區(qū)塊鏈模型所需的存儲空間稍大。因為隨著交易數(shù)據(jù)的進(jìn)一步增加，可編輯區(qū)塊鏈模型的交易與狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中臨時余額集合持續(xù)增大，需要更多的存儲空間。綜上，可編輯區(qū)塊鏈模型對存儲空間的影響較小。

圖7 交易數(shù)據(jù)存儲對比Fig.7 Comparison of trade data storage

（3）歷史溯源查詢時間對比

雖然本文對兩種不同的數(shù)據(jù)類型提出了歷史交易編輯算法，但對于歷史數(shù)據(jù)溯源效率而言，兩種數(shù)據(jù)類型并無差異，都是基于時序?qū)傩赃M(jìn)行鏈?zhǔn)剿饕?。因此以存證數(shù)據(jù)為例，對比改進(jìn)后的可編輯區(qū)塊鏈模型與原始Fabric 的溯源時間。即從最新版本的數(shù)據(jù)溯源查詢到最初版本的數(shù)據(jù)所花費的時間。

實驗結(jié)果如圖8所示，通過時序?qū)傩皂憫?yīng)歷史溯源查詢的時間比原始Fabric 通過歷史索引數(shù)據(jù)庫的查詢響應(yīng)時間更短，并且隨著唯一鍵更新次數(shù)的增加，該優(yōu)勢愈發(fā)明顯。這是由于可編輯模型可以在解析歷史數(shù)據(jù)的同時獲取到索引信息，而原始方法需要遍歷historyDB進(jìn)行索引并解析。

圖8 歷史查詢時間對比Fig.8 Comparison of historical query time

（4）更新次數(shù)對歷史交易查詢時間的影響

本實驗測試了歷史交易更新次數(shù)對歷史交易查詢時間的影響。因為修改歷史交易前需先定位目標(biāo)歷史交易，定位所花費的時間受目標(biāo)歷史交易到最新交易之間更新次數(shù)的影響。實驗結(jié)果如圖9所示：隨著更新次數(shù)的增加，查詢時間呈線性增長趨勢；查詢所需時間較少，處于毫秒級。綜上，本文提出的可編輯區(qū)塊鏈模型在進(jìn)行歷史交易查詢時能較好地適應(yīng)交易更新次數(shù)的變化。

圖9 更新次數(shù)對查詢時間的影響Fig.9 Impact of update number on query time

5 結(jié)束語

本文針對存證與交易類型數(shù)據(jù)分別重新設(shè)計了底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提出了新的提交、編輯和查詢算法，在保留錯誤交易存證的基礎(chǔ)上，提供了安全的訪問接口以查詢有效交易。同時，針對交易類型數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)，解決了后續(xù)交易失效的問題，實現(xiàn)了對交易類型數(shù)據(jù)的編輯操作。模擬數(shù)據(jù)集上的大量實驗結(jié)果表明，本文提出的區(qū)塊鏈可編輯模型在交易吞吐量和存儲空間開銷方面具有與原始模型相近的表現(xiàn)，并具有更高的歷史溯源查詢效率。針對交易編輯時會產(chǎn)生重復(fù)交易的缺陷，下一步擬挑選合適的刪除策略將其剪枝，只保留交易數(shù)據(jù)的哈希值用于驗證，節(jié)約存儲空間。