区块链查询技术优化

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1、区块链查询技术优化作者：李楠来源：电脑知识与技术2021年第11期创世区块前区块I.WTJBlfHSi豹亦1H肚口；曲趣调出需顽啦世尢小审同數后区块图1区块链结构/EIFRt节gflf图2 M-IT树的结构fcilx块图3节点1-5的M-1T树的区块存储结构*前区块创世区块图4基于M-IT树的区块链结构图5查询方法流程图图实验部署图O200o o O806040 倉典丘一)巨上卩.-_=图7数据查询时间(瓷叫注巨,.-a一创图J5利用区块号查询时间摘要：对区块链上数据查询功能单一且查询效率低等问题，提出一种查询技术的优化方案，该方案对区塊链的Merkle树进行了修改，结合了 B+树的结构，不仅

2、能够快速验证（基于 M-B+树根hash），还可以利用B+树的结构快速查找特定记录。并将交易的关键信息和对应的 区块号等数据存入到关系数据库MySQL中，从而支持关系查询。实验结果表明，基于M-B+ 树的区块链系统不仅查询速度效率提升而且具有丰富的查询手段。关键词：区块链;超级账本;关系查询；B+树中图分类号： TP3 文献标识码： A文章编号： 1009-3044（2021） 11-0213-031 引言区块链技术主要是解决在分布式、不可信的场景下进行安全、可靠、不可更改的交易问 题。目前研究内容涉及：系统性能分析、安全性能和共识算法研究、技术应用探索等方面，查 询技术和底层数据管理研究不多

3、，由于区块链采用链式结构，在查询的业务场景中，查询效率 低、方法有限，且时间复杂度高，使区块链技术应用价值被削弱。在查询领域的研究主要有两大方向：第一种，对结点进行区分，并且对查询的路径进行优 化，来提升查询效率，但是这种方法还是在区块链原有的查询方式上进行优化，对原有的区块 链查询功能没有提升;第二种，将区块链和现有的数据库连接，借助数据库丰富的查询功能， 但是这种方法存在数据库数据安全问题。第一种方法只是对现有的节点进行优化，在区块链原有的查询方式上进行优化，却没有从 区块链本身进行相应的提升改进，对原有的区块链查询功能应用场景和查询手段的改进不大; 第二种，将区块链和现有的数据库连接，使

4、用数据库丰富的查询功能，但是存在数据库数据的 安全问题，而且会使区块链系统的复杂性变大，使系统的运行效率变低。为了解决区块链查询效率低，丰富查询功能。本文提出一种新的区块链查询方法：结合 B+树和Merkle树的各自特点，建立基于M-B+树的区块存储结构，并将区块号同步到数据 库，在进行查询时先在数据库中查找到相应区块号后，然后到对应区块查询数据，因为数据库 只保留了区块号，数据都在链上，这样解决了数据库数据被篡改的风险。2 相关工作针对区块链查询，目前的研究如下：贾大宇等在ElasticChain模型基础上，提出一种新的高效查询方法：ElasticQM。该框架 主要在数据层建立B-M树的区块

5、链存储结构，提高局部查询效率。Trent等提出了 BigchainDB2区块链数据库，具有高吞吐量、低延迟、大容量、丰富的查 询功能和去中心化、不可篡改和能够进行数字资产创建、传输的特性。北京众享比特科技有限公司提出ChainSQL技术，该技术是将数据库的操作记录各个节 点共识之后记录到区块链上，如果共识执行失败或不通过，数据库执行回滚操作，这样就实现 了兼顾区块链和传统数据库的优点。余涛等提出FabricSQL方法，该方法将链上的有效交易同步至SQL数据库中，借助数 据库管理系统对区块链数据关系查询。本文所提出一种区块链数据关系查询解决方案，对区块链区块结构修改，结合Merkle树 和B+树

6、的特点，建立M-B+区块结构，并设计相关模块结合数据库，实现高效、安全的数据 查询。3 区块链结构设计3.1 现有的区块链区块结构在现有的区块链系统中，区块主要包含区块头、区块体两大部分。区块头包含：版本号、 时间戳、难度系数、随机数、前区块hash、Merkle树根hash;区块体包含：魔法数、区块大 小、交易数量、交易详情大小。如图1 所示。区块结构说明。在区块头中，版本号是用来标记当前区块对应的系统版本，大小为4 byte; 时间戳是记录区块创建的时间，大小为4 byte;难度系数是记录区块链工作量证明的难度目标， 储存格式为难度系数的hash;随机数是记录区块链工作量的计算参数，大小为

7、4 byte，存储格式 为hash;前区块头的hash是当前区块的前一区块的区块头的hash，大小为32 byte;Merkle树 根hash是当前区块打包所有的交易记录都是以Merkle树的方式记录的，记录的是交易树根的 hash，当有新的信息存入时，该字段会重新计算更新。在区块体中，魔法数是客户端解析区块数据时的识别码，大小为4 byte，是不变常量;区块 大小为4 byte；交易数量，记录上一个区块创建之后到本区块创建完成之间所有的交易笔数交 易详情，记录所有交易详情，包括收支地址、比特币收支数量、Merkle节点值和数字签名等， 采用的数据结构是Merkle树。区块号，是区块的编号，也

8、称区块高度，从0开始计算，下一个区块的为1，区块号和区 块一一对应，可以根据区块号快速查询区块的信息。3.2物流信息平台中区块结构设计1) M-B+树的区块存储结构Merkle树的结构设计可以保证了数据安全不被篡改，还能快速验证数据的hash是否存在 于区块上，查找具体的信息时，根据区块号找到相应的区块，遍历区块查找相应的信息。随着 区块链上的数据变多，查询相关数据的效率越来越低。本节提出一种M-B+树的区块存储结 构，这种结构不仅结合了现有的Merkle树的特点，又提高了查询效率。基于B+树和Merkle树的优点，设计了 M-B+树的区块存储结构。节点结构如图2。数据结构如下：NodeNod

9、e left;Value value;Hash hash;Node right;节点1-5的M-B+树的区块存储结构如下：2）基于M-B+树的区块链结构基于M-B+樹的区块结构，利用该结构搭建的区块链，形成一种新的区块链。如图所示，每一个区块都存储着M-B+树根hash和M-B+树根，树的其余部分放在了区块 体中。在验证相关数据是否存在于该区块时只需要验证是否和M-B+树根hash相等就能快速得 到结果。4 区块链查询技术下面将开始分析传统的区块链查询方法，然后提出一种基于M-B+树结构的区块链查询方 法。4.1 现有的区块链查询方法在区块链中，除了创世区块，其他区块都记录了前一个区块的has

10、h，形成按时间顺序组成 的链在查找数据时，从区块号或区块哈希来确定所在的区块，然后找到相应的区块后，在交易 信息中找到想要的交易记录。在交易过程中，查询流程如下：一个SPV节点查询交易地址，节点间的通信链接上建立 起bloom过滤器，以Merkleblock消息的形式发送该区块。Merkleblock消息包含区块头和一条 连接目标交易与Merkle根的Merkle路径，验证交易的真实性。4.2基于M-B+树的区块链结构查询方法针对区块链查询方面的不足，本节会将基于M-B+树的区块链和关系型数据库MySQL结 合，将新生成的区块的区块号、M-B+树哈希、M-B+路径、交易信息同步到关系型数据库

11、MySQL 中。在关系型数据库MySQL中，会将同步过来的区块链的区块号、M-B+树哈希、M-B+路 径、交易信息进行判断、同步、提取后，处理成MySQL数据库要求的数据格式存储。查询方法主要分为三个主要部分：数据处理和同步模块、外部数据库、查询接口。在基于 M-B+树的区块链运行过程中，数据判断和提出模块会通过区块链的数据接口，将新生成的区 块的区块号、M-B+树哈希、M-B+路径、交易信息同步到关系型数据库MySQL中。5 实验与分析本章主要是对基于M-B+树的区块链结构查询方法进行试验并和传统的区块链系统进行比 较，并通过试验结果证明方案可行性。5.1 实验环境本文采用Hyperledg

12、er Fabric开源框架，基于M-B+树的区块结构搭建区块链系统。实验的 硬件配置为：Intel Core I5-7300HQ 2.50 GHZ CPU和 16GB 内存的 PC，操作系统为 WindowslO 专业版。使用 VMware Workstation 12.5 建立虚拟机，在虚拟机上模拟实验的真实节点，节点 的内存为1GB，硬盘为25GB的Ubuntu16.04系统。数据来自脱敏的电子交易数据集和账户数 据集。图6所示的实验部署图，为了构成P2P网络，首先选择一个普通结点作为初始节点，然后 选择一个超级节点和初始节点进行链接。普通节点只同步区块头，超级节点同步整个区块的整 体信息

13、。当普通用户获取不在本节点的信息时，可以在超级节点上同步信息，减少普通用户本 地存储。5.2 实验分析实验 1：在两个系统中分别录入相同的原始数据，然后进行一笔交易信息的查询，利用区 块链上的查询的接口，控制变量，进行多组对照实验。观察两个系统的查询时间。查询时间如图所示，由于单个查询时间较短，采用1000笔重复查询实验然后取平均值。 图中的横坐标是上链的数据量规模，分别是300M, 600M和900M，纵坐标是时间值，通过实 验结果可以看出，基于M-B+树的区块链系统的查询时间较传统的区块链系统查询响应时间有 着明显的提升。实验2 :在两个系统中分别录入相同的原始数据，然后利用外接数据库My

14、SQL提供的查 询接口，根据相同的区块号进行信息查询，取区块号10、100、150、200、250、300进行查 询，观察查询时间。如图所示，利用外接数据库提供的查询接口，利用区块号进行查询实验，通过对实验结果 进行分析，外接数据库查询时间相较于传统查询时间缩短。有些数据会缓存在服务器上，所以 整体查询时间比直接利用区块链的查询接口要快。6 结束语本文研究当前的区块链系统的查询技术，发现查询功能不完善，效率低，对区块链查询方 法进行了研究和改善。传统Fabric区块链系统的查询功能是通过文件系统和Key-value数据库实现的，随着区块 链技术的普及和广泛应用在各行各业，系统对存储数据的访问方

15、法支持不足，而且查询功能单 、效率不高。本文针对在物流中区块链查询方面的不足，提出一种解决方案：基于M-B+树 的区块链系统，该方案对区块链的Merkle树进行了修改，结合了 B+树的结构，能够使区块链 系统在进行交易查询时不仅能够快速验证（基于M-B+树根hash），而且可以利用B+树的结 构快速查找特定记录。而且基于M-B+树的区块链系统外接了 MySQL数据库，将新生成的区 块的区块号、M-B+树hash、M-B+路径、交易信息同步到关系型数据库MySQL中。利用 MySQL数据库丰富的查询功能，能够快速验证和得到需要查询的信息的区块号，然后到区块 链中查找特定信息。参考文献：1 贾大宇

16、，信俊昌，王之琼，等存储容量可扩展区块链系统的高效查询模型J.软件学 报， 2019， 30（9）： 2655-2670.2 McConaghy T， Marques R， Muller A， et al. BigchainDB : a scalable blockchaindatabaseJ. white paper， BigChainDB，2016.3 Beijing PeerSafe Technology Limited Company. White paper for blockchain database application platform EB/OL. 2017-01-22. http：/4 余涛，牛保宁，樊星.FabricSQL：区块链数据的关系查询J.计算机工程与设计， 2020， 41（10）： 2988-2995.【通联编辑：代影】