基于休眠机制的区块链数据存储验证方法的研究与应用

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自5G概念提出以来,区块链的发展日益成熟,特别是在区块链数据验证效率方面。对于传统的区块链用户,验证一个事务需要将区块链上的所有事务从原始区块下载至最新区块。该种方案存在验证开销大,验证效率低,易被攻击等问题。因此本篇论文根据区块链数据存储验证方案在数据安全、验证效率以及激励机制等多方面的需求,利用最前沿的技术工具,同时与其他验证方案多方对比分析,旨在提出一种基于休眠机制的区块链数据验证方案,在保证验证效率的前提下利用休眠证明来保证数据安全性,并针对该方案设计相应的激励机制,有效使得该方案稳定安全的运行。本文的主要工作如下:(1)提出基于休眠机制的区块链数据验证方案。目前大多基于区块链数据验证方案中都从状态承诺入手,通过只要下载简短承诺并提供存在性证明即可达到验证数据完整性的目的,但是在存在性证明的构造上存在巨大的计算开销问题。基于此,本文针对降低证明开销提高验证效率需求,引入RSA累加器和MMR(Merkle Mountain Range—默克尔山脉)技术,设计以18个月为一个Epoch(周期)对区块链中的UTXO(Unspent Transaction Outputs—未花费交易输出)分类,分为休眠和活跃状态来设计不同区块头信息,只需要提供MMR技术构造的活跃默克尔证明即可达到验证目的,降低计算开销提高验证效率。另外,针对证明数据安全问题,设计提供休眠证明,参数包括活跃默克尔证明、休眠时间和状态承诺。其中活跃默克尔证明来保证数据完整性,休眠时间作为数据状态凭证,状态承诺维持最新状态便于后期验证。最后,为有效评估方案性能,对数据验证效率及证明安全问题做多方面的分析对比,结果表明该方案能在提供较低证明开销的前提下保证数据验证效率。(2)提出基于声誉的激励机制。以基于休眠机制的区块链数据验证方案为基础,针对证明提供积极性低等问题,设计相应的激励机制。该机制主要围绕用户,领导者,矿工三种角色进行具体设计。声誉分数作为评选条件由此获得代币奖励。此外,针对数据传输过程中安全性问题,设计用户和领导者节点在发送证明数据的过程中,需要用发送者的私钥和接收者的公钥对数据进行签名,来保证数据的安全性。最后,由于在激励过程中因不公平而带来的攻击问题,设计以用户节点的信任度、算力、声誉分数为权重值来选举领导者节点和矿工节点,从而保证激励方案的公平性。同时,为防止节点合谋串通,设计相应的惩罚机制。实验结果表明所提出的激励方案能够在有效保证数据安全的前提下,提高节点积极性。(3)设计并实现基于休眠机制的区块链数据验证系统。采用模块化编程设计的模式,基于Web3.py函数库,算法逻辑由Python语言编写,在Postman中利用GET或者POST请求,通过HTTP协议与区块链进行交互。该系统依据方案设计规则主要分为休眠和激活两个模块,并展示部分系统功能页面。针对目前所流行的基于区块链的数据验证方案来看,存在开销大和可扩展性等问题,同时缺乏有效的激励机制,影响自身的良性发展。调研发现,从2008年至今有22%的比特币大于5年处于休眠状态,而用户在验证过程中这些休眠数据仍然需要存储并验证,这给用户带来很多不必要的计算开销。因此,基于休眠机制的区块链验证方案的课题具有研究意义与使用价值。
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