[发明专利]基于余数系统的区块链存储优化系统及方法

说明书

本发明属于区块链技术领域，为实现在不损坏区块链可追溯、去中心化等核心特性的前提下，实现有效降低公共区块链系统中各节点数据存储量，本发明基于余数系统的区块链存储优化系统，包括：结合余数RNS模块：通过选定一组小于账户数据位宽的素数作为余数基，对账户数据进行“前向转换”，把账户数据映射为一组余数向量；节点数据更新模块：利用RNS对于线性操作具有并行性的特点，当转账交易执行完毕，账户内容需要变动时，在各个节点独立并行地更新本地余数进而实现数据的更新；数据恢复模块：通过“中国剩余定理”CRT，把分布式存储在各个节点的模数、余数加权组合在一块，进行数据的恢复。本发明主要应用于区块链数据存储场合。

技术领域

本发明属于区块链技术领域，涉及在不损坏区块链可追溯、去中心化等核心特性的前提下，有效降低公共区块链系统(比特币、以太坊)中各节点数据存储量的方法。

背景技术

区块链是以比特币为代表的数字加密货币体系的核心支撑技术，其本质上是一个去中心化、去信任、自激励的分布式数据库，具有可追溯、不可篡改的特点，为解决现有中心化模式下存在的数据可靠性差、安全性低、信任成本高等问题提供了崭新的思路，在金融、医疗、教育、食品安全等领域得到广泛的关注和应用。与此同时，随着物联网和可穿戴设备的发展，数据存储、传输的安全性和可追溯性逐渐被提上日程，物联网、5G、人工智能与区块链技术的结合将迎来光明的前景。

截至2018年末，以太坊区块链数据规模超过110GB，比特币数据规模超过190GB。存储问题成为制约公共区块链发展的关键瓶颈。在这庞大的数据量中，一大部分是区块链系统的账户信息。账户信息一般具有固定的位宽(256bits)，同时账户信息的变化均为加、减等线性操作。以太坊中账户信息以“世界状态”的形式存储在节点的StateD(状态数据库)数据库中，比特币中，账户信息则保存在被称之为“未花费的交易输出(Unspent transactionoutput,UTXO)”的交易记录上。庞大的数据量限制了资源有限的轻节点(智能手机、平板电脑等)加入区块链的可能性。目前，众多学者、区块链社区和企业针对区块链的存储问题提出了许多优化思路。

“比特币之父”中本聪在比特币白皮书中，通过将节点根据硬件性能划分为“全节点”、“轻节点”和“矿工节点”的方式来降低硬件性能较差的终端加入区块链系统的门槛。其他的方法则通过划分节点角色，辅以“分片”的方式来降低参与节点的数据存储量。通过“分片”，可以实现部分节点校验部分区块链片段，避免了全部节点参与校验完整区块链带来的巨大开销。EOSIO(一种发布于2018年6月的模块化设计的区块链系统)则通过“代币赎买”并结合星际文件系统来分摊单个节点的存储压力。现行的优化思路虽然可以在一定程度上缓解区块链的存储问题，但普遍具有如下的缺点：

1)通过修改区块链架构来优化存储问题，会造成区块链核心特性的损害。如比特币“角色划分”，一个“全节点”支撑多个“轻钱包”，“轻节点”虽然可以独立发起交易并进行SPV(简易支付验证)，但交易的校验、转发、打包必须依托“全节点”进行，加重了对“全节点”的依赖，削弱了系统的去中心化，同时大大提高了系统遭遇“51％攻击”的风险。

2)优化方案复杂。如以太坊“分片”方法，进行交易验证、追溯时需要重新合并区块链。此外为了保证分片后有足够的安全性和一致性，往往要设计“片间通信”规则。

针对现有思路存在的不足，充分利用区块链底层P2P(Peer to peer)网络的去中心化特性，为了有效降低区块链各节点的数据存储量，本专利从数据压缩的角度出发，结合余数系统(Residual number system,RNS)，构建出新的区块链存储模型。本专利提出的区块链存储优化模型，可以大幅度减少区块链系统中单个节点的数据存储量，同时规则简单，操作高效，具有实用性。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在在不损坏区块链可追溯、去中心化等核心特性的前提下，实现有效降低公共区块链系统(比特币、以太坊)中各节点数据存储量。为此，本发明采取的技术方案是，基于余数系统的区块链存储优化系统，包括：