UTXO类型区块链增强型轻量级节点模型

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区块链采用类似日志形式的链式追加模式,不能中断、修改或删除,仅可以增加数据。随着时间的积累,区块链数据量会线性的增长。节点的存储空间是有限的,区块链系统的存储可扩展性是一个不能回避的问题。区块链系统采用完全冗余的存储方式(每个节点保存一份数据),对整个系统的存储空间造成极大的浪费。为了让区块链节点可以运行在存储空间较少的通用设备上,比特币白皮书中提出SPV(simplified payment verification)节点模型。SPV节点只需保存区块头中的数据,大大减少节点对存储空间的需求,随着SPV节点的流行,全节点的数量减少,网络中的单个全节点的网络请求压力将增大,导致整个区块链系统的去中心化程度减弱。由于SPV节点没有存储区块体数据,不能验证交易,仅可以进行支付验证,存在女巫攻击、拒绝服务攻击等安全隐患。针对上述问题,本文在对统计分析比特币区块和网络节点数据的基础上,提出一种适用于UTXO(unspent transaction output)类型的功能完整的区块链增强型轻量级节点模型ESPV(Enhanced SPV)。从数据管理的角度,ESPV把系统中的区块标记为新区块和旧区块,采用不同的存储管理方式。新区块以完全冗余的方式存储,用于构建UTXO库,支持交易验证,用少量的存储空间代价,使得ESPV节点具有验证交易(挖矿)的功能。旧区块以分片存储的方式,随机存储在网络的节点中,通过本文提出的分级区块分区路由表进行访问,在保障数据可用性和可靠性的前提下,尽可能地减少分片的存储数量,降低系统的冗余度,减少系统对存储资源的浪费。ESPV节点具有全节点的全部功能,增加节点之间的对等性,维护区块链去中心化的重要特性,增强系统的安全性和稳定性。本文使用比特币现有的区块和节点信息作为数据集,在16GB内存的Linux系统中进行处理分析。实验结果表明ESPV适用于区块链系统现有的整个生命周期,交易的验证率可以维持在80%以上,而系统的数据量和年增长量约为全节点的十分之一,同时保证系统数据的可用性和可靠性。
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