CN111723149A - 基于余数系统的区块链存储优化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于区块链技术领域，为实现在不损坏区块链可追溯、去中心化等核心特性的前提下，实现有效降低公共区块链系统中各节点数据存储量，本发明基于余数系统的区块链存储优化系统，包括：结合余数RNS模块：通过选定一组小于账户数据位宽的素数作为余数基，对账户数据进行“前向转换”，把账户数据映射为一组余数向量；节点数据更新模块：利用RNS对于线性操作具有并行性的特点，当转账交易执行完毕，账户内容需要变动时，在各个节点独立并行地更新本地余数进而实现数据的更新；数据恢复模块：通过“中国剩余定理”CRT，把分布式存储在各个节点的模数、余数加权组合在一块，进行数据的恢复。本发明主要应用于区块链数据存储场合。

Description

基于余数系统的区块链存储优化系统及方法

技术领域

本发明属于区块链技术领域，涉及在不损坏区块链可追溯、去中心化等核心特性的前提下，有效降低公共区块链系统(比特币、以太坊)中各节点数据存储量的方法。

背景技术

区块链是以比特币为代表的数字加密货币体系的核心支撑技术，其本质上是一个去中心化、去信任、自激励的分布式数据库，具有可追溯、不可篡改的特点，为解决现有中心化模式下存在的数据可靠性差、安全性低、信任成本高等问题提供了崭新的思路，在金融、医疗、教育、食品安全等领域得到广泛的关注和应用。与此同时，随着物联网和可穿戴设备的发展，数据存储、传输的安全性和可追溯性逐渐被提上日程，物联网、5G、人工智能与区块链技术的结合将迎来光明的前景。

截至2018年末，以太坊区块链数据规模超过110GB，比特币数据规模超过190GB。存储问题成为制约公共区块链发展的关键瓶颈。在这庞大的数据量中，一大部分是区块链系统的账户信息。账户信息一般具有固定的位宽(256bits)，同时账户信息的变化均为加、减等线性操作。以太坊中账户信息以“世界状态”的形式存储在节点的StateD(状态数据库)数据库中，比特币中，账户信息则保存在被称之为“未花费的交易输出(Unspent transactionoutput,UTXO)”的交易记录上。庞大的数据量限制了资源有限的轻节点(智能手机、平板电脑等)加入区块链的可能性。目前，众多学者、区块链社区和企业针对区块链的存储问题提出了许多优化思路。

“比特币之父”中本聪在比特币白皮书中，通过将节点根据硬件性能划分为“全节点”、“轻节点”和“矿工节点”的方式来降低硬件性能较差的终端加入区块链系统的门槛。其他的方法则通过划分节点角色，辅以“分片”的方式来降低参与节点的数据存储量。通过“分片”，可以实现部分节点校验部分区块链片段，避免了全部节点参与校验完整区块链带来的巨大开销。EOSIO(一种发布于2018年6月的模块化设计的区块链系统)则通过“代币赎买”并结合星际文件系统来分摊单个节点的存储压力。现行的优化思路虽然可以在一定程度上缓解区块链的存储问题，但普遍具有如下的缺点：

1)通过修改区块链架构来优化存储问题，会造成区块链核心特性的损害。如比特币“角色划分”，一个“全节点”支撑多个“轻钱包”，“轻节点”虽然可以独立发起交易并进行SPV(简易支付验证)，但交易的校验、转发、打包必须依托“全节点”进行，加重了对“全节点”的依赖，削弱了系统的去中心化，同时大大提高了系统遭遇“51％攻击”的风险。

2)优化方案复杂。如以太坊“分片”方法，进行交易验证、追溯时需要重新合并区块链。此外为了保证分片后有足够的安全性和一致性，往往要设计“片间通信”规则。

针对现有思路存在的不足，充分利用区块链底层P2P(Peer to peer)网络的去中心化特性，为了有效降低区块链各节点的数据存储量，本专利从数据压缩的角度出发，结合余数系统(Residual number system,RNS)，构建出新的区块链存储模型。本专利提出的区块链存储优化模型，可以大幅度减少区块链系统中单个节点的数据存储量，同时规则简单，操作高效，具有实用性。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在在不损坏区块链可追溯、去中心化等核心特性的前提下，实现有效降低公共区块链系统(比特币、以太坊)中各节点数据存储量。为此，本发明采取的技术方案是，基于余数系统的区块链存储优化系统，包括：

结合余数RNS模块：RNS由一组称为“余数基”的模数m_i组成，i＝1,2,3…L，模数间两两互质，

为全部模数的最小公倍数，称之为“动态范围”；小于动态范围的任意正整数X≤M-1都能够通过对余数基进行高斯求模运算，在RNS中表示成一个余数向量{x₁,x₂,x₃…x_L}，这种由原始数据到余数系统的映射称之为“前向转换”；本模块通过选定一组小于账户数据位宽的素数作为余数基，对账户数据进行“前向转换”，把账户数据映射为一组余数向量；

节点数据更新模块：利用RNS对于线性操作具有并行性的特点，当转账交易执行完毕，账户内容需要变动时，在各个节点独立并行地更新本地余数进而实现数据的更新；

数据恢复模块：通过“中国剩余定理”CRT(Chinese remainder theorem)，把分布式存储在各个节点的模数、余数加权组合在一块，进行数据的恢复。

数据恢复模块中，在已知一组余数基{m₁,m₂,m₃…m_n}和RNS下对应的余数向量{x₁,x₂,x₃…x_n}时，压缩前的原始数据通过式子

唯一求得，其中

称之为M_i的“逆元”，满足

原始数据X一定满足X≤M-1，式子

被称之为中国剩余定理CRT，通过CRT，把分布式存储在各个节点的模数、余数加权组合在一块，实现数据的恢复。

基于余数系统的区块链存储优化方法，步骤如下：

前向转换步骤。RNS由一组称为“余数基”的模数m_i组成，i＝1,2,3…L，模数间两两互质，

为全部模数的最小公倍数，称之为“动态范围”；小于动态范围的任意正整数X≤M-1都能够通过对余数基进行高斯求模运算，在RNS中表示成一个余数向量{x₁,x₂,x₃…x_L}，这种由原始数据到余数系统的映射称之为“前向转换”；通过选定一组小于账户数据位宽的素数作为余数基，对账户数据进行“前向转换”，把账户数据映射为一组余数向量；

节点数据更新步骤。利用RNS对于线性操作具有并行性的特点，当转账交易执行完毕，账户内容需要变动时，在各个节点独立并行地更新本地余数进而实现数据的更新；

数据恢复步骤：通过CRT，可以把分布式存储在各个节点的模数、余数加权组合在一块，进行数据的恢复；具体步骤是，在已知一组余数基{m₁,m₂,m₃…m_n}和RNS下对应的余数向量{x₁,x₂,x₃…x_n}时，压缩前的原始数据通过式子

唯一求得，其中

称之为M_i的“逆元”，满足

原始数据X一定满足X≤M-1。

本发明的特点及有益效果是：

本发明提供了从数据压缩角度出发，结合RNS的区块链存储优化模型。针对区块链系统中的账户信息，通过RNS实现数据的压缩、快速更新，利用CRT实现了原始数据的恢复。最终，在不破坏区块链核心特性的前提下，大幅度减少了区块链中各节点存储的数据量，从而极大地提高了区块链的可扩展性。理论上，本专利提出的优化模型将节约区块链系统的空间，即压缩率可达

附图说明：

图1RNS基本架构。

图2RNS更新过程。

图3基于RNS的存储优化模型。

图4应用存储优化模型的区块链工作流程。

具体实施方式

区块链系统具有去中心化、分布式、开放性的特点。同时区块链的账户信息具有位宽固定、线性变化的特点。对于公共区块链(比特币、以太坊)，结合RNS，从数据压缩的角度着手，通过求模运算来实现数据位宽的截短,同时充分利用RNS执行线性运算时独立并行的特点，实现区块链数据的快速更新，构建实用的区块链存储优化模型，在不损害区块链核心特性的前提下，可以简单高效地大幅度减少区块链存储数据量。

1)结合RNS、求模运算、中国剩余定理相关理论，建立可以实现数据高效压缩、快速更新和恢复的区块链存储优化模型。

2)RNS由一组模数(称之为“余数基”)m_i(i＝1,2,3…L)组成，模数间两两互质，一般都取素数。

为全部模数的最小公倍数，称之为“动态范围”。小于动态范围的任意正整数X≤M-1都可以通过对余数基进行高斯求模运算，在RNS中表示成一个余数向量{x₁,x₂,x₃…x_L}。这种由原始数据到余数系统的映射称之为“前向转换”。通过选定一组具有合适位宽(小于账户数据位宽)的素数作为余数基，对账户数据进行“前向转换”，可以把账户数据映射为一组余数向量，截短数据位宽的同时，可以把选定的模数、求模所得的余数分布式地存储在各个节点，从而大幅减少单个节点的存储数据量。

3)区块链账户数据有一个非常重要的性质，就是对账户数据的操作一定是线性的(加或减)。RNS对于线性操作具有并行性。所以当转账交易执行完毕，账户内容需要变动时，各个节点只需要独立并行地更新本地余数就可以实现数据的更新，而无需先恢复出原始数据再执行加减操作，从而大大提高数据更新的速度。

4)在已知一组余数基{m₁,m₂,m₃…m_n}和RNS下对应的余数向量{x₁,x₂,x₃…x_n}时，压缩前的原始数据可通过式子

唯一求得。其中

称之为M_i的“逆元”，满足

原始数据X一定满足X≤M-1。通过CRT，可以把分布式存储在各个节点的模数、余数加权组合在一块，进行数据的恢复。

下面结合具体实例进一步详细说明本发明。

步骤1：选定参数

区块链中账户数据的位宽一般为256位。本专利选定一组32个位宽为16的余数基m₁～m₃₂进行数据压缩操作。m₁～m₃₂显示如下：

步骤2：构建基于RNS的区块链存储优化模型

1)各节点从m₁～m₃₂中独立随机地选择本地模数m_i。各节点模数一旦确定，就不可更改；

2)各个节点处，账户信息并行对节点选择的m_i执行求模运算，余数分布式地存储在各个节点上，从而在区块链网络建立余数系统；

步骤3：规划基于新存储模型的区块链工作流程

依据实现功能的不同，把区块链中的节点划分为转账节点、共识节点和存储节点。在本专利设计的区块链存储优化模型中，转账节点用来发起一笔新的转账交易，共识节点用来进行交易的验证、转发、执行。存储节点则专门负责数据的分布式存储。相对于传统的区块链存储模型，在新模型下，转账节点、共识节点的基本功能保持不变，共识节点还必须负责实现原始数据的恢复，存储节点则要实现数据的压缩和快速更新。

1)新节点作为存储节点加入区块链，首先同步区块链数据，压缩原始数据后存入本地。

2)转账节点发起转账交易。

3)共识节点接收存储节点发送的模数和相应的余数，恢复原始数据并验证账户余额。

4)共识节点对操作数(转账金额)进行共识。达成共识后，把操作数广播至存储节点。

5)存储节点根据操作数进行数据更新。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于余数系统的区块链存储优化系统，其特征是，包括：

结合余数RNS模块：RNS由一组称为“余数基”的模数m_i组成，i＝1,2,3…L，模数间两两互质，

为全部模数的最小公倍数，称之为“动态范围”；小于动态范围的任意正整数X≤M-1都能够通过对余数基进行高斯求模运算，在RNS中表示成一个余数向量{x₁,x₂,x₃…x_L}，这种由原始数据到余数系统的映射称之为“前向转换”；本模块通过选定一组小于账户数据位宽的素数作为余数基，对账户数据进行“前向转换”，把账户数据映射为一组余数向量；

节点数据更新模块：利用RNS对于线性操作具有并行性的特点，当转账交易执行完毕，账户内容需要变动时，在各个节点独立并行地更新本地余数进而实现数据的更新；

数据恢复模块：通过“中国剩余定理”CRT(Chinese remainder theorem)，把分布式存储在各个节点的模数、余数加权组合在一块，进行数据的恢复。

2.如权利要求1所述的基于余数系统的区块链存储优化系统，其特征是，数据恢复模块中，在已知一组余数基{m₁,m₂,m₃…m_n}和RNS下对应的余数向量{x₁,x₂,x₃…x_n}时，压缩前的原始数据通过式子

唯一求得，其中

称之为M_i的“逆元”，满足

原始数据X一定满足X≤M-1，式子

被称之为中国剩余定理CRT，通过CRT，把分布式存储在各个节点的模数、余数加权组合在一块，实现数据的恢复。

3.一种基于余数系统的区块链存储优化方法，其特征是，步骤如下：前向转换步骤：RNS由一组称为“余数基”的模数m_i组成，i＝1,2,3…L，模数间两两互质，

为全部模数的最小公倍数，称之为“动态范围”；小于动态范围的任意正整数X≤M-1都能够通过对余数基进行高斯求模运算，在RNS中表示成一个余数向量{x₁,x₂,x₃…x_L}，这种由原始数据到余数系统的映射称之为“前向转换”；通过选定一组小于账户数据位宽的素数作为余数基，对账户数据进行“前向转换”，把账户数据映射为一组余数向量；

节点数据更新步骤。利用RNS对于线性操作具有并行性的特点，当转账交易执行完毕，账户内容需要变动时，在各个节点独立并行地更新本地余数进而实现数据的更新；

数据恢复步骤：通过CRT，可以把分布式存储在各个节点的模数、余数加权组合在一块，进行数据的恢复；具体步骤是，在已知一组余数基{m₁,m₂,m₃…m_n}和RNS下对应的余数向量{x₁,x₂,x₃…x_n}时，压缩前的原始数据通过式子

唯一求得，其中

称之为M_i的“逆元”，满足

原始数据X一定满足X≤M-1。

Images