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  • 区块链分布式存储技术
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    2019-02-12 10:37:35
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    BAT垄断了互联网创业道路,DAPP成为创投界新趋势,区块链革命引领市场变天,“区块链+”创业当红,“互联网+“创业成为经典,Dapp(区块链+应用)将会如何改变我们的互联网世界。
    “区块链+”跃迁之年已过,2018开启区块链技术应用落地决胜之年。
    无论是即时通信、社交网络、媒体,还是银行、电商、公共服务、金融、网络安全、学术教育、物联网、供应链管理、版权、云存储、能源管理、档案管理等领域,都将被区块链思维重构,一个崭新的“区块链+”应用时代正在到来。

    目前,区块链技术已经变得众所周知,它已经成为自由,透明和公平的象征。有鉴于此,难怪我们看到利用区块链技术的项目作为工具来解决各种问题,其中许多问题都离不开区块链的原始目的。
    当涉及文件和数据存储时,这变得尤其明显。尽管比特币区块链基本上是一个交易,账户和余额的分散数据库,但由于容量问题,将这些信息保存在分散的分类账中已经证明是一个挑战。在此背景下,一些项目和公司坚以区块链为基础的存储解决方案 —— Filecoin 。
    当谈到分散账本技术(DLT)和数据存储之间的互惠关系时,区块链最常见的用方法就是激励。这意味着数据不会存储在区块链本身,但是手头的网络能够利用区块链作为自动支付和价值交换的分类帐本,使用户能够为存储或访问文件付费。
    在这种情况下,使用区块链优于其他技术的优势是显而易见的。这些包括更快的结算时间,更低的交易费用(实现微交易),更高的隐私性以及保持透明和不变的记录的能力。区块链没有被用于数据存储,它为构建分散网络提供了基础,使其无需任何中央管理机构。
    这里要提出的是 Filecoin ,一个由Protocol Labs开发的项目,InterPlanetary文件系统( IPFS )的创建者。如果你不熟悉 IPFS ,它是一个替代的p2p超媒体协议,允许文件以永久和分散的方式存储。这为文件提供了历史版本,删除重复,甚至允许用户节省带宽,因为文件是从多台计算机而不是从一台服务器下载的。
    虽然 IPFS 为文件的存储提供了基础,但是Protocol Labs随着 Filecoin 的发展进一步推进了这项工作,根据白皮书来看,“作为 IPFS 之上的激励层”,在Filecoin中,矿工支付存储和检索文件,同时也从他们的“有用的工作证明”中获得挖矿奖励。文件存储也没有设定价格,用户和矿工在分散存储中放置买卖订单交换,使 Filecoin 成为价格能够适应外部条件的竞争性市场。
    毫无疑问,过去一年对于加密货币和区块链技术而言是巨大的。无论将来Satoshi的智慧和未来如何,2017将永远在密码世界的事件时间线上占据独特的位置。

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  • 如何理解区块链分布式存储

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    区块链一个重要特征是分布式存储,那么什么是分布式存储?相对于传统存储,分布式存储的...而基于P2P网络的分布式存储区块链的核心技术,是将数据存储于区块上并通过开放节点的存储空间建立的一种分布式数据库,解决

    区块链一个重要特征是分布式存储,那么什么是分布式存储?相对于传统存储,分布式存储的特点如何?账本、节点又是什么?厘清这些概念,可以深刻理解区块链。

    分布式存储/Distributed Data Store/DDS

    传统上的分布式存储本质上是一个中心化的系统 ,是将数据分散存储在多台独立的设备上,采用可扩展的系统结构、利用多台存储服务器分担存储负荷、利用位置服务器定位存储信息。而基于P2P网络的分布式存储是区块链的核心技术,是将数据存储于区块上并通过开放节点的存储空间建立的一种分布式数据库,解决传统分布式存储的问题。 

    P2P存储/Peer -to-Peer Storage/P2P Storage P2P

    存储是一一种不存在中心化控制机制的存储技术。P2P存储通过开放节点的存储空间,以提高网络的运作效率,解决传统分布式存储的服务器瓶颈、带宽而带来的访问不便等问题。 

    账本/Ledger

    账本是指包括区块链的数据结构、所有的交易信息和当前状态的数字记录。分布式账本/Distributed ledger Technology/DLT分布式账本是指一种在网络成员之间共享、 复制和同步的数据库,分布式账本在区块链中是一个通过共识机制建立的数字记录,区块链网络中的参与者可以获得-一个唯一、真实账本的副本 ,因此难以对分布式账本进行篡改。更改记录的方式非常困难,技术非常安全。 

    节点node

    节点是区块链分布式系统中的网络节点,是通过网络连接的服务器、计算机电话等,对不同性质的区块链,成为节点的方式也会有所不同。以比特币为例,参与交易或挖矿即构成一个节点,在全网记账的过程中,每个节点在里面起到的作用都至关重要。节点与节点间除了可以进行交易广播以外,节点还可以进行记账。简单来说,节点分为以下几种: 

    1. 全节点:这种节点会将历史上所有的区块数据(包含所有交易)都下载下来,因此,这种节点可以独立的进行比特币地址的余额验证、交易有效性验证、历史交易验证等工作。由于全节点需要保留比特币网络上所有的交易数据,因此它会根据网络上广播的新区块信息,不断的新增最新的数据,保证区块链数据处于最新的状态。由于上述原因,全节点对此特币交易的脸证是最安全的。我自己安装的就是这种节点类型的客户端。但是这种节点的缺点也很明显,由于需要下载历史上所有交易数据,这种节点显得特别笨重。根据我自己的经验, 2013年时全节点大小在几十个G,最近( 2017.8)全节点大小已经达到130G左右。
    2. SPV节点:由于移动设备的飞K速发展,在手机Pad等便携设备上进行比特币交易的需求越来越旺盛。显然在存储空间有限的便携设备上,无法安装“全节点”。因此比特币系统支持种轻量级的节点客户端。这种客户端只会下载区块的关键数据,比如区块的Hash值, Nonce数值等数据~通过这些数据就可以知道区块链概况。这些关键数据只有区块全量数据的1/1000,因此客户端会显得很轻便。但SPV节点的问题是,在进行交易验证时,必须通过网络从全节点处获取验证所需的信息,才可以进行验证。如果你身边有黑客建立的伪节点(如受到Sybil攻击) ,可能会干扰你的验证过程。因此,要保证万无一失的安全性,最可靠的方法还是建立一个“全节点”。C.矿工节点:前面讲到,部分节点要通过大量、不停歇的计算,去争取组装区块及发起全网记账的权利(上面提到过,这个过程叫工作量证明PoW).这样的工作不是每个节点都要做的,而只有矿工节点才会去做。为什么叫做”矿工”节点呢?因为每次这类节点算出谜题并争取到组包记账的权利时,比特币系统会给这个节点奖励一定数量的比特币。这个过程非常像是一一个矿工在很费力的挖矿,奖励的比特币就是这个矿工挖到的矿。这也是为什么,有的文章说“挖到1个block,就可以得到XXX个比特币” ,其实它的实际意思是:矿工节点通过不停运算,争取到组装1个新block并发起全网记账的权利后,可以得到XXX个比特币的奖励。讲到这里,你也该明白:实职要控制了51%的矿工节点就可能发起51%攻击。


    注:可能你会好奇,奖励的比特币怎么打入矿工的账户的呢?其实简单来讲,奖励的比特币也是一笔交易 ,但这笔特殊的交易没有输入( inputs ) , 只有输出( outputs )。outputs 里记录的就是矿工节点上登记的公钥地址,所以挖出的比特币只有矿工节点所有者用自己的私钥才可以解锁,这样就实现了对矿工的奖励。上面介绍的是最典型的几类节点,在比特币网络上还有矿池节点等其它一些节点 ,就不做过多介绍了。当然上面几类节点的功能完全可以搭建在同-个节点上,这取决于节点搭建者具体想用节点来做什么。

                          

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  • 随着区块链技术的发展和应用场景的逐步丰富,越来越多的人开始接触区块链。但在过程中,很多人提过这样的问题:“底层用区块链系统和用数据库有什么区别呢?”、“区块链系统是不是就是一个OLTP数据库系统?”… ...

    【背景】
    随着区块链技术的发展和应用场景的逐步丰富,越来越多的人开始接触区块链。但在过程中,很多人提过这样的问题:“底层用区块链系统和用数据库有什么区别呢?”、“区块链系统是不是就是一个OLTP数据库系统?”…

    直观的角度来看,完整的区块链系统内部一定会包含一个「存储模块」,整体而言,区块链系统确实可以起到持久化数据的作用。

    但是如果从这个角度出发,直接将区块链系统看作是一个数据库,这样的观点也是有待商榷的。在作出最终比较之前,我们先来分析一下传统数据库系统的运行机制以及区块链系统内部存储模块的功能职责。

    【传统OLTP数据库VS区块链存储】
    ▲ 传统OLTP数据库存什么?
    现阶段的数据库系统、存储引擎的设计一般是面向某一通用场景的,比如sql型数据库、NoSQL型数据库(kv数据库、文档数据库等),而不是面向具体业务场景的,那一般的OLTP数据库内部的数据分为四大类:

    数据库内部的管理性质的元数据。这部分数据基本上对用户是透明的,负责数据库内部的管理与控制逻辑;

    用户自定义数据。这部分数据是用户通过API向数据库写入的数,数据库系统一般不关心这部分数据的具体内容,而是侧重于如何正确、完整的将这些数据保存到持久化设备;

    索引数据。索引数据一般是数据库设计中不可或缺的一个组成部分。为了保证数据库“读数据”功能的响应时间在用户可接受范围内,几乎所有数据库系统都需要或多或少的引入索引;

    日志数据。日志数据是一种数据库内部数据,其内容一般是记录数据变更行为,一般用于数据库宕机重启后的数据恢复。在不同的数据库中,日志数据的内容差距也非常大,比如:有的数据库使用日志来记录存储层的数据变更(磁盘上位置X开始,连续N个字节从Value1变成了Value2),有的数据库使用日志来记录用户的写入命令请求(比如插入操作,内容为key=1,value=“ABC”)等等。
    在这里插入图片描述
    ▲ 区块链存储模块有何不同?
    当我们站在区块链系统内部“数据存储”功能的角度看待“区块链系统”时,我们会发现,区块链系统具有确定性的系统架构、确定性的内部业务逻辑,以及一些通用的数据组织格式(比如:区块是一种append-only形式的数据、只有虚拟机执行指令的过程中会修改状态数据等)。区块链系统中的数据存储只需要满足这一套运转逻辑过程中的持久化需求即可,也就是说,区块链系统为其存储模块划定了比通用数据库更小的模块功能边界。

    ▲区块链存储存什么?——世界状态
    从使用者角度来看,一个最常规的区块链服务是由一个区块链网络提供的。区块链网络由多个节点构成,用户可以向区块链服务发送交易,区块链网络中的所有参与共识的节点会针对交易的内容、执行过程、执行结果达成一致的决议,并将执行结果返回给发起交易的用户。
    上述过程是一个最常规的区块链服务使用流程。但是,如果从区块链网络中的节点的角度出发,节点感知的过程或者变化有哪些呢?

    我们略去网络交互、共识、执行等等的细节说明,直接讨论我们关注的重点——“世界状态”:

    如果我们将区块链可以看为一个分布式的状态机:所有节点从同一个创世状态开始,依次执行相同顺序的交易,驱动各个节点的状态按照相同操作序列不断变化,实现所有节点在同一交易序列执行完成后,状态完全一致。而这个状态,就称为“世界状态”。
    在这里插入图片描述
    在区块链网路中,所有诚实节点本地维护的“世界状态”是一致的,这个“世界状态”就是区块链存储模块要重点关注的内容。

    解释了 “世界状态” 的定义,我们还是要关注 “世界状态” 到底包括什么内容:首先,一个区块链系统中的数据状态的更迭,一定是由 “用户交易” 驱动的,那么我们只需要保证 ‘世界状态’ 能够涵盖交易的“请求内容、执行过程和执行结果” 三部分内容,就可以满足上述 “分布式状态机” 中的一致性要求。

    接下来,我们将从三个角度分别分析“世界状态”中要存储的具体内容。

    区块链系统通用的存储内容——块链结构
    区块链系统中,区块通过保存前序区块的标识(一般都是用区块哈希)来形成逻辑上的一条链。这样做的目的和意义本文不再赘述,这里重点关注的是这个“区块”的数据组织和存储形式。
    区块里面会存储哪些内容呢?一般的区块链系统中,区块会被分为区块头和区块体两个部分。
    “区块体” 部分相对简单,这个部分负责将交易内容按照一个确定的顺序存储下来;存储交易内容是很好理解的,但“一个确定的顺序”是指什么呢?回顾上文,“世界状态”是由交易驱动的,不同的交易执行顺序可能会导致数据变更操作的顺序不同,进而很可能导致世界状态的不同。因此“区块体”的内容,即体现了完整的交易内容,还同时体现了确定的交易顺序。

    “区块头”部分会包含很多的元素,区块头中一般会包含一个最重要的区块哈希字段,这个区块哈希一般会用于表示当前系统的世界状态。这就要求区块哈希的计算来源至少包含:前一区块的区块哈希(代表了前序的世界状体)、当前区块对世界状态造成的变更影响(当前区块包含的所有交易的内容、执行结果和执行过程中对账本数据的修改)。但是,区块哈希的具体计算方式可以由执行层来决定,不同系统间计算方式不尽相同[1][2]。
    在这里插入图片描述
    注:目前也存在一些新型的区块链系统采用了DAG模型[3]组织交易,甚至形成区块结构,这种情况本文暂时不做分析。

    账本数据——UTXO模型账本VS账户模型账本
    区块数据内部包含了交易内容,但是交易的内容一般只定义了对区块链上数据的修改请求,“执行过程” 和 “执行结果” 这两部分数据可能并不包含于交易内容中。本节将首先讨论交易 “执行过程” 对 “世界状态” 的影响。为此,我们引入了 “账本数据” 的概念。
    目前比较通用的账本数据组织形式包括:UTXO模型和账户模型。
    UTXO模型相对比较简单,系统中仅支持一种运行模式:“UTXO” 在不同的账户间流通。在这种运作模式下,一笔交易代表了一次流通行为,具体的流通过程为:输入的UTXO被销毁,输出的UTXO被创建,输入总额需要大于或等于输出总额[4]。
    在UTXO模型下的账本数据定义较为直观:当前链上全量的未消费的UTXO(包括UTXO上的绑定的脚本)。因为在这种模式下,如果交易执行成功,则输出有效,如果交易执行失败,则输出无效。而执行过程中的锁定、解锁等脚本的验证过程不会产生额外的账本数据修改。因此交易执行过程不涉及账本数据的更改。
    在这里插入图片描述
    但是账户模型的账本组织方式会略微复杂一些。一般账户模型的账本都是可以支持 “智能合约” 的,账户模型下的区块链系统会建立一个 “账户空间” 。

    “账户空间” 是由很多个账户组成的,其中的账户可能分为多种类型。以以太坊为例,系统中以一个通用的数据结构定义了普通账户、合约账户两种类型。普通账户的行为包括:发起交易、互相转账、创建账户等等;而合约账户则对应了一份部署在链上的智能合约,相应的,合约账户会管理所有在这份智能合约中定义的、需要存储到区块链账本中的key-value数据对,我们称之为 “状态数据” 。

    在交易执行的过程中,可能涉及到 “账户数据” 和 “状态数据” 的变更,这些改变可能既不会体现在合约内容本身中,也不会体现在交易执行结果中。因此,为了保证 “世界状态” 的完整性,经过交易执行修改后的整个 “账户空间” 的数据状态,需要被纳入“世界状态”的范畴。

    那么作为世界状态的一部分,系统会规定一种特定的方式(以太坊的MPT树、Fabric的bucketTree等等)计算出一个能反应账户空间整体状态的、易于比较的结果值,这个结果值会参与到上一节提到的“区块哈希”的计算中。(某些计算过程中的数据可能也会被持久化,比如MPT会将计算树根过程中的路径上的节点数据也存储在账本数据中)
    在这里插入图片描述
    交易执行结果/回执数据
    “UTXO模型” 的系统交易执行结果比较直接,所有的合法交易的执行结果就是成功标识+ “交易输出” 内容;所有非法交易的执行结果就是失败标识,而交易的输入部分保持原状。

    但是 “账户模型” 的区块链系统中,一般会包含转账交易和智能合约调用交易。交易的执行结果一般要经过虚拟机执行得到,考虑合约调用的场景,交易的执行结果很可能并不体现在交易内容和账户空间变更结果中;因此,交易的回执数据需要独立存储,为了统一账户创建、账户间转账、智能合约调用等多种交易的执行结果,系统一般会设计统一的回执数据组织格式。

    至此,交易数据+账户空间+交易执行结果三者一同构成了账户模型下的系统的最基本的世界状态。相应的,这类系统中的存储模块,需要提供这三类数据的存储功能。在具体设计和实现存储模块时,可以结合区块链系统的运作模式,综合考虑吞吐量和延迟等指标,根据不同数据的业务特点设计和使用不同的底层存储引擎。

    索引数据
    一个完整的区块链系统除了提供上述写入功能外,还需要提供历史数据的查询功能。如果系统中只存储了上述世界状态数据,那么用户对历史数据的查询只能通过遍历所有区块实现,这样的代价和延迟很显然是无法接受的。

    因此,一般的区块链系统都会考虑设置一种基本的索引——交易索引。借由这种索引,系统能够快速的确认交易所在的区块,甚至可以更细粒度的直接定位到交易存储于这个区块内的哪个位置。索引的内容一般就是“交易哈希(交易标识)”到“交易所在位置”的映射。

    这样的索引设计会给系统持久化区块的过程带来一定的 “写放大” ,单无论从数据量还是从必要性角度出发,一般的区块链系统都会选择接受这种代价。

    【区块链存储相关的 “一致性”】
    至此,一个简单通用的区块链系统必要的存储内容已经介绍完毕。但是这还不是区块链系统的存储模块需要考虑的全部内容。在区块链网络中,所有诚实节点在相同的区块执行完毕后,需要拥有完全一致的世界状态。这个世界状态可以由区块确认后的 “区块哈希”表示。

    但是,区块链系统一般会运行在一个拜占庭网络环境中;那么,区块链系统随时存在着数据落后的情况,整个网络也存在着随时新增和删除节点的情况。无论是落后的诚实节点,还是新增进入网络的诚实节点,都需要尽快追赶上网络中的其他诚实节点。

    那么落后的节点如何 “追赶” 其他的诚实节点呢?这里我们再重新审视一下 “交易” 这个角色。前文提到:“区块链系统的整体数据状态是依赖交易的执行而不断向后演进的”,那么交易就可以看作是区块链系统世界状态变更的 “日志” 。

    基于这样的理解角度,落后节点 “追赶” 其他诚实节点可以通过同步诚实节点的区块来实现,因为区块中的区块体包括了全量的交易内容,那么落后节点可以通过重放其缺少交易,最终达到与其他节点一致的世界状态。这个恢复的过程,落后节点不需要参与共识,而是借由一系列校验协议来确保数据的完整性和正确性。

    进一步分析上述交易重放流程,如果是UTXO模型的系统,交易的内容和执行过程比较简单;但是对于账户模型的系统,则交易可能是合约执行请求,那么执行这笔交易的过程就不可避免的会涉及执行环境的创建,使用虚拟机执行完整的合约指令等等步骤。那么,对于节点间网络环境较好的场景,是不是有进一步提高落后节点“追赶”速度的策略呢?

    由此,在特定的场景下,比如 “联盟链+账户模型” 的系统中,数据同步的过程可以引入另一种策略:如果在交易执行的过程中,系统将所有的账本数据(也就是账户空间)修改相关的操作都记录下来,形成一份账本操作日志数据(可以类比MySQL中Binlog的row模式思路);那么在做数据同步时,落后节点可以直接拉取区块数据、账本操作日志数据和交易回执数据,完成后并将拉取账本操作日志数据按序应用到本地账本数据上,完成应用日志的过程后,落后节点便完成了与其他诚实节点一致的“世界状态”的构建。
    在这里插入图片描述

    基于上述思路,存储模块可以引入另一种与世界状态有关的数据——操作日志数据,这些数据与交易的执行过程强相关。在某些网络带宽充裕、智能合约计算逻辑复杂但账本数据修改不频繁的场景下,上述思路是一种有效加速节点间数据同步的解决方案。

    【小结与思考】
    至此,本文第一个引入的 “区块链存储模块是不是数据库” 的问题,可以做一个简单的总结:笔者认为,数据库和区块链存储是可以区分开来看待的概念,区块链存储模块无论从功能边界、服务对象还是自身的拓展优化思路上,都是和 “区块链系统” 这个场景强相关的。本系列后续的文章会针对区块链系统的内部逻辑和场景,分别讨论各种数据的存储模式和存储设计思路。但是OLTP数据库系统,其考虑的场景则是一个更宽广、更通用的层面。

    最后,可能部分读者会思考这样一个问题:本文一直在强调 “区块链存储系统的专用性和为区块链场景定制” 的思路,那在现实业务场景使用区块链底层平台时,平时常听到的 “通用型平台” 这个概念又该如何理解呢?

    其实,“为区块链系统的内部运作机理提供定制化的存储模块功能” ,与 “区块链系统整体对外提供通用的业务支持” ,是两个层面的问题,两者并不矛盾。本文讨论的存储模块的定制化,专用性,是针对区块链系统的内部运行逻辑定制化的设计存储功能,但是区块链系统中账本组织模型的设计和智能合约功能的存在,则允许用户为多种业务场景自定义合约逻辑、自定义账本 “状态数据” 。

    作者简介
    郭威
    趣链科技基础平台部 区块链存储研究小组
    参考文献
    [1] https://github.com/ethereum/go-ethereum
    [2] https://github.com/hyperledger/hyperledger
    [3] https://developer.confluxnetwork.org/
    [4] 《精通比特币 第二版》

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    分布式存储系统特点

    1、大容量:系统节点可采用通用的X86架构存储服务器作为构建单元,可根据用户需要横向无限扩展存储节点,并且形成一个统一的共享存储池。

    2、高性能:相比传统存储而言,分布式存储系统能提供高出数倍的聚合IOPS和吞吐量,另外可以随着存储节点的扩容而线性增长,专用的元数据模块可以提供非常快速精准的数据检索和定位,满足前端业务快速响应的需求。

    3、更可靠:整个系统无任何的单点故障,数据安全和业务连续性能够得到保障。每个节点可看成是一块硬盘,节点设备之间有专门的数据保护策略,可实现系统的设备级冗余,并且可在线更换损坏的硬盘或者节点设备。

    4、易扩展:系统可以支持在线无缝动态横向扩展。在采用冗余策略的情况下,任何一个存储节点的上线和下线对前端业务没有任何影响,完全是透明的。并且系统在扩充新的存储节点后,可以选择自动负载均衡,所有数据压力会均匀分配在各存储节点上。

    5、易整合:兼容任何品牌的X86架构通用存储服务器,在标准的IP/IB网络环境下即可轻松实施,无须改变原有网络架构。

    6、易管理:通过一个简单的Web界面就可以对整个系统进行配置管理,运维简便,极低的管理成本,一个管理员就可以轻松管理PB级别的存储系统。【.本文​由qkljys123整理发布.】

     

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