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基于余数系统的区块链存储优化模型

梅昊娟  
【摘要】:区块链目前发展的最大瓶颈是存储问题,优化存储已成为加速区块链发展的必由之路。现有的解决方案大多会改变区块链的框架,削弱了区块链去中心化的特点。本文将区块链账户数据作为研究对象,提一种基于余数系统的区块链存储优化模型,并针对模型中存在恶意节点篡改本地数据的情况提出基于CRT Ⅱ(扩展的中国剩余定理,Chinese remainder theorem Ⅱ)和Raft算法的检纠错方案,使得提出的存储模型具有较强的容错能力。主要工作可以概况为以下几个部分:第一部分根据余数系统和区块链的特性提出基于余数系统的区块链存储优化模型。在该方案中,使用余数系统对区块链的账户数据进行压缩,在每个节点中存储一个余数基和所有账户数据对余数基取模的余数。通过将账户数据的余数存储在一个更小的模块上,每个节点上的容量可以节省90%以上。余数系统在进行线性数据操作上具有可以并行处理的余数更新特点,它允许独立处理和更新不同节点上的余数,极大的降低和节省了系统的大量网络资源开销和强大的计算力。第二部分针对恶意节点篡改本地存储的余数问题提出了基于CRT Ⅱ和Raft算法的混合检纠错方案。在检纠错方案中,使用Raft算法确认两个可信数据作为冗余基,并构造迷你冗余余数系统。在CRT Ⅱ恢复账户数据信息过程中,根据溢出判定定理判断是否存在恶意数据,若是发现恶意数据则寻找余数基相同但余数不同的数据进行替换,直至用于恢复的数据全部正确。第三部分根据数据分析选择合适的参数设定情景,通过具体的情况对该方案的可行性进行分析。首先通过实验选取余数基的位宽与个数,然后对一次性能获得多个正确数据和单个恶意数据能替换为正确数据的概率进行分析。其次使用python程序模拟区块链的核心功能,通过实验对比分析普通区块链存储空间与基于余数系统的区块链存储空间。经过对实验研究结果分析可得,本文所提的基于余数系统的区块链存储模型能节省每个节点90%以上的存储空间,有效地降低了系统的存储开销,并对提出的基于CRT Ⅱ和Raft算法的混合检纠错方案进行容错性分析,实验结果验证了该模型在实际应用中的可行性。


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