基于區(qū)塊鏈的持久標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)①

孫善鵬,田 野,李 琢,王毅蒙,劉 佳,王 姝,郭志斌

1(中國(guó)科學(xué)院 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心,北京 100190)

2(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

3(中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院,北京 100102)

在包括科學(xué)數(shù)據(jù)、工業(yè)數(shù)據(jù)在內(nèi)的若干領(lǐng)域中,數(shù)據(jù)總量迅速增長(zhǎng),據(jù)IDC 預(yù)測(cè)[1],2025年全球數(shù)據(jù)存儲(chǔ)總量將達(dá)到175 ZB,其中大量?jī)r(jià)值數(shù)據(jù)需要被長(zhǎng)期保存并分享,這就需要為數(shù)據(jù)本身賦予某種名稱,使用戶可以通過(guò)名稱對(duì)數(shù)據(jù)本身進(jìn)行訪問(wèn).

對(duì)于在線數(shù)據(jù)而言,往往通過(guò)URL 對(duì)其進(jìn)行命名并藉由DNS 及相應(yīng)Web 服務(wù)向用戶提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)能力,在這種方式下可以通過(guò)人為管理URL 到數(shù)據(jù)的映射來(lái)保證用戶通過(guò)特定URL 訪問(wèn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性[2],但當(dāng)數(shù)據(jù)服務(wù)面臨遷移、合并時(shí),通過(guò)原URL進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)不可避免會(huì)遇到訪問(wèn)失敗問(wèn)題,這就需要為其賦予持久化標(biāo)識(shí)符將數(shù)據(jù)對(duì)象身份與其Web位置相分離以允許通過(guò)標(biāo)識(shí)符明確指代對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象,從而保證標(biāo)識(shí)符持久可解析,為了達(dá)成這一目的,出現(xiàn)了包括Handle、ARK、PRUL 在內(nèi)的超過(guò)10 種標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)嘗試為數(shù)據(jù)提供名稱及解析服務(wù),但隨著時(shí)間推移,其中部分系統(tǒng)不再提供服務(wù),造成這種情況的主要原因一方面是其標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)于依賴于中心化基礎(chǔ)設(shè)施[3],另一方面是標(biāo)識(shí)符服務(wù)提供者大多未找到合適的盈利模式以至于不可持續(xù)發(fā)展.因此需要加強(qiáng)現(xiàn)有標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)的解析服務(wù)長(zhǎng)期可用性與標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)完整性,最終保證標(biāo)識(shí)符解析持久性,同時(shí)由于現(xiàn)有標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)服務(wù)規(guī)模普遍較小,無(wú)法像DNS 系統(tǒng)一樣提供廣泛的緩存基礎(chǔ)設(shè)施,所以在標(biāo)識(shí)符解析流程中還需通過(guò)與客戶端物理位置接近的服務(wù)節(jié)點(diǎn)為客戶端提供解析服務(wù),以加速標(biāo)識(shí)符解析速度.

因此我們?cè)O(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的持久標(biāo)識(shí)符系統(tǒng),并兼容現(xiàn)有標(biāo)識(shí)符解析系統(tǒng)進(jìn)行了初步實(shí)現(xiàn):通過(guò)基于區(qū)塊鏈的存儲(chǔ)層使多節(jié)點(diǎn)間互相形成冗余,允許提供多節(jié)點(diǎn)解析服務(wù)以避免單點(diǎn)服務(wù)失效以保持解析服務(wù)的持久性,并通過(guò)多節(jié)點(diǎn)中的近地節(jié)點(diǎn)服務(wù)優(yōu)化標(biāo)識(shí)符解析速度,同時(shí)通過(guò)區(qū)塊鏈鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)及其共識(shí)機(jī)制保證標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)安全性.

本文余下章節(jié)中,第1 部分將介紹持久性標(biāo)識(shí)符和區(qū)塊鏈的相關(guān)研究工作,第2 部分將介紹基于區(qū)塊鏈的持久標(biāo)識(shí)符,第3 部分將對(duì)所提方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)并于第4 部分中進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,第5 部分對(duì)基于區(qū)塊鏈的持久性標(biāo)識(shí)符的下一步發(fā)展以及挑戰(zhàn)做了簡(jiǎn)要分析并總結(jié)全文.

1 相關(guān)工作

如何保證標(biāo)識(shí)符解析服務(wù)持久性及數(shù)據(jù)正確性一直是域名、身份隱私及數(shù)據(jù)領(lǐng)域研究者長(zhǎng)期關(guān)注的問(wèn)題.

Namecoin[4]基于區(qū)塊鏈提供了類似DNS 解析的功能,通過(guò)向類比特幣[5]系統(tǒng)的交易事務(wù)數(shù)據(jù)中添加額外信息來(lái)將.bit 域名映射到指定位置,借助于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的去中心化特性避免網(wǎng)絡(luò)審查以保證域名解析服務(wù)持久性從而允許信息自由發(fā)布,但由于Namecoin 易于遭受51%攻擊，Ali 等重新設(shè)計(jì)了可跨鏈的Blockstack系統(tǒng)[6],以保證域名解析數(shù)據(jù)源可靠性,雖然Namecoin及Blockstack 對(duì)DNS 解析服務(wù)持久性及數(shù)據(jù)源可靠性做出了初步嘗試,但其與現(xiàn)有域名系統(tǒng)相互獨(dú)立,需要用戶使用另外的解析系統(tǒng).HandShake[7]基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)通過(guò)鏈上具有根區(qū)數(shù)據(jù)的完全節(jié)點(diǎn)代替現(xiàn)有DNS根區(qū)文件與根區(qū)服務(wù)器,從而對(duì)DNS 頂級(jí)域進(jìn)行管理,同時(shí)使用輕量級(jí)節(jié)點(diǎn)用于資源證明,從而希望能與現(xiàn)有DNS 體系兼容形成完整的DNS 解析體系,但該系統(tǒng)僅為代替根區(qū)服務(wù).

此外,PPK 技術(shù)社區(qū)在2015年設(shè)計(jì)了基于比特幣的奧丁號(hào)(Open Data Index Name,ODIN)[8],它使用區(qū)塊號(hào)+塊內(nèi)序號(hào)作為標(biāo)識(shí)符來(lái)唯一確定一個(gè)區(qū)塊內(nèi)事務(wù),如600 000.100 表示將標(biāo)識(shí)符信息寫入第600 000塊內(nèi)第100 條事務(wù),從而使解析可以直接定位到區(qū)塊中具體的數(shù)據(jù).W3C 工作組也在2014年開(kāi)始進(jìn)行去中心化標(biāo)識(shí)符的討論[9],并在2019年成立了去中心化標(biāo)識(shí)符工作組發(fā)布了首個(gè)公開(kāi)工作草案[10],以期設(shè)計(jì)一種符合URI 規(guī)范的可驗(yàn)證的去中心化標(biāo)識(shí)符以獨(dú)立于任何中心化驗(yàn)證機(jī)構(gòu).

為了解決持久標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)單點(diǎn)故障問(wèn)題,Bolikowski等[11]提出了將標(biāo)識(shí)符及其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)與擁有者公鑰信息保存在區(qū)塊鏈中的持久標(biāo)識(shí)符生成和管理方案,試圖通過(guò)區(qū)塊鏈系統(tǒng)解決單點(diǎn)故障對(duì)標(biāo)識(shí)符壽命及長(zhǎng)期保存造成的影響,但在該方案中每個(gè)區(qū)塊僅存放單一用戶的標(biāo)識(shí)符,這將導(dǎo)致每區(qū)塊數(shù)據(jù)密度過(guò)低對(duì)存儲(chǔ)資源造成了浪費(fèi).Golodoniuc 等[12]設(shè)計(jì)了一種類似P2P文件共享網(wǎng)絡(luò)基于DHT 式結(jié)構(gòu)以Magnet Link 作為名稱的持久標(biāo)識(shí)符系統(tǒng),期望在所有級(jí)別上去中心化來(lái)增加系統(tǒng)容錯(cuò)能力從而保證其可靠性.Sicilia 等[13]對(duì)持久標(biāo)識(shí)符模型進(jìn)行建模并描述了如何將標(biāo)識(shí)符及其元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于IPFS[14]及以太坊[15]為標(biāo)識(shí)符提供持久化服務(wù).

上述工作初步闡述了如何通過(guò)去中心化系統(tǒng)增加系統(tǒng)可靠性從而保證標(biāo)識(shí)符解析持久性，但這些工作都對(duì)標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，無(wú)法在兼容現(xiàn)有系統(tǒng)的情況下，使客戶端直接遷移到去中心化的標(biāo)識(shí)符解析系統(tǒng).

2 基于區(qū)塊鏈的持久標(biāo)識(shí)符模型

傳統(tǒng)標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)解析服務(wù)在解析流程中依賴于系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)而具有一定的魯棒性,但最終解析行為往往依賴于單一數(shù)據(jù)源,這使得解析服務(wù)面臨著末端服務(wù)單點(diǎn)失效導(dǎo)致解析失敗的可能,現(xiàn)有系統(tǒng)主要依靠構(gòu)建冗余服務(wù)來(lái)解決這一問(wèn)題.同時(shí),雖然標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)協(xié)議可能在數(shù)據(jù)報(bào)文中定義了消息憑據(jù)通過(guò)類似DNSSEC的機(jī)制提供簽名驗(yàn)證能力來(lái)保證解析數(shù)據(jù)在其傳輸過(guò)程中的真實(shí)性與完整性,但當(dāng)數(shù)據(jù)源被攻擊后,無(wú)法保證數(shù)據(jù)本身的安全性從而解析錯(cuò)誤的標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù).

而基于區(qū)塊鏈作為標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)層為成員間數(shù)據(jù)一致性做出了保證,使系統(tǒng)參與節(jié)點(diǎn)間形成冗余,當(dāng)用戶發(fā)起解析請(qǐng)求時(shí),所有系統(tǒng)參與節(jié)點(diǎn)皆可完成對(duì)請(qǐng)求的響應(yīng),這樣就避免了單節(jié)點(diǎn)崩潰或不再服務(wù)所導(dǎo)致的該節(jié)點(diǎn)命名空間內(nèi)標(biāo)識(shí)符解析失效情況.同時(shí)當(dāng)單節(jié)點(diǎn)崩潰事故發(fā)生后,崩潰節(jié)點(diǎn)只需重新接入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),待區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)同步完成后掃描全部數(shù)據(jù)重建標(biāo)識(shí)符索引,即可再次提供服務(wù).在數(shù)據(jù)安全性上,區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)正確性驗(yàn)證流程,增加了攻擊者的數(shù)據(jù)篡改成本,同時(shí)結(jié)合具體系統(tǒng)所采用的共識(shí)機(jī)制保證正確數(shù)據(jù)的一致性同步,保障了存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)內(nèi)標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)的安全性.

2.1 模型概述

為了兼容現(xiàn)有標(biāo)識(shí)符系統(tǒng),圖1中基于區(qū)塊鏈的持久標(biāo)識(shí)符模型總體上分為標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)訪問(wèn)層、區(qū)塊鏈服務(wù)層兩層結(jié)構(gòu).現(xiàn)有標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)訪問(wèn)層繼續(xù)保持對(duì)外提供標(biāo)識(shí)符解析與管理服務(wù)的能力,區(qū)塊鏈服務(wù)層則基于智能合約為標(biāo)識(shí)系統(tǒng)訪問(wèn)層提供區(qū)塊鏈存儲(chǔ)服務(wù)及對(duì)塊內(nèi)標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的能力,同時(shí)基于共識(shí)算法為節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)一致性提供保障.

圖1 基于區(qū)塊鏈的持久標(biāo)識(shí)符模型

2.2 區(qū)塊概述

由于對(duì)現(xiàn)有標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)訪問(wèn)層進(jìn)行重用,所以將不會(huì)直接基于區(qū)塊鏈為用戶提供標(biāo)識(shí)符管理能力,因此不會(huì)將管理者密鑰等數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)至區(qū)塊結(jié)構(gòu)中,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 持久標(biāo)識(shí)符的區(qū)塊設(shè)計(jì)

圖2中每個(gè)區(qū)塊將存儲(chǔ)多個(gè)操作符事務(wù)數(shù)據(jù)以增加區(qū)塊利用率,并存儲(chǔ)基于事務(wù)數(shù)據(jù)形成的Merkle Tree 根節(jié)點(diǎn)值作為當(dāng)前區(qū)塊Hash 值,該值是基于當(dāng)前區(qū)塊內(nèi)所有事務(wù)數(shù)據(jù)的Hash 值構(gòu)造而成(如圖2右側(cè)所示),同時(shí)每一區(qū)塊將存儲(chǔ)前一區(qū)塊Hash 值以形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),從而允許對(duì)數(shù)據(jù)完整性與正確性進(jìn)行驗(yàn)證,若某事務(wù)數(shù)據(jù)被攻擊者修改后,將影響包括被篡改數(shù)據(jù)所在區(qū)塊Hash 值及其后的所有區(qū)塊中的前繼Hash值,若當(dāng)前區(qū)塊鏈鏈長(zhǎng)度為L(zhǎng),被攻擊區(qū)塊號(hào)為X,X塊內(nèi)事務(wù)數(shù)據(jù)量為M,則攻擊者篡改單節(jié)點(diǎn)內(nèi)某一標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)的時(shí)間復(fù)雜度T為l og2M+1+L?X.

針對(duì)區(qū)塊事務(wù)內(nèi)的標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)而言,在其生命周期內(nèi)將經(jīng)歷如圖3所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,主要會(huì)涉及3 種狀態(tài),包括標(biāo)識(shí)符發(fā)布、標(biāo)識(shí)符修改、標(biāo)識(shí)符刪除.

圖3 標(biāo)識(shí)符生命周期狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

具體地講,3 種狀態(tài)總共涉及5 種操作:創(chuàng)建標(biāo)識(shí)符、新增值、更改值、刪除值、刪除標(biāo)識(shí)符.為了緩解區(qū)塊鏈存儲(chǔ)壓力,不應(yīng)在鏈上存儲(chǔ)每次標(biāo)識(shí)符操作后完整標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù),而是存儲(chǔ)當(dāng)前操作造成的數(shù)據(jù)變化,即進(jìn)行增量式的存儲(chǔ),因此當(dāng)標(biāo)識(shí)符被創(chuàng)建時(shí),存儲(chǔ)其初始數(shù)據(jù),而當(dāng)進(jìn)行后續(xù)操作時(shí),并不完全重新存儲(chǔ)全部標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù),而僅需存儲(chǔ)變更數(shù)據(jù)同時(shí)附帶指向上一版本標(biāo)識(shí)符的指針即可.

上述標(biāo)識(shí)符操作中,標(biāo)識(shí)符創(chuàng)建和刪除僅會(huì)被執(zhí)行一次或0 次,其余標(biāo)識(shí)符值相關(guān)操作次數(shù)雖然與值數(shù)據(jù)變更頻度有關(guān),但對(duì)于單個(gè)標(biāo)識(shí)符而言,其不同類型的操作次數(shù)有限且較少的,這為增量存儲(chǔ)但快速組合成完整標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)提供了有利條件,因此一條事務(wù)數(shù)據(jù)具體包括:

(1)標(biāo)識(shí)符;

(2)前繼標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)位置;

(3)標(biāo)識(shí)符值.

基于增量式標(biāo)識(shí)符存儲(chǔ)使對(duì)標(biāo)識(shí)符修改記錄進(jìn)行內(nèi)容追溯成為可能,當(dāng)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符使用者將元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)中時(shí),即可根據(jù)歷史元數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)描述變化信息,允許數(shù)據(jù)科學(xué)家從數(shù)據(jù)關(guān)系等角度對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析.

但通常情況下單個(gè)標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)量較少,若將每次操作都封裝成單個(gè)事務(wù)寫入?yún)^(qū)塊則會(huì)面臨事務(wù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(事務(wù)頭、簽名等)比事務(wù)內(nèi)有效負(fù)載數(shù)據(jù)更大的情況,因此應(yīng)設(shè)計(jì)某種策略將符合策略的標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)批量封裝至同一事務(wù)內(nèi)以節(jié)省頻繁存儲(chǔ)事務(wù)結(jié)構(gòu)信息帶來(lái)的存儲(chǔ)空間浪費(fèi),本文中事務(wù)封裝策略通過(guò)事務(wù)結(jié)構(gòu)大小ST與事務(wù)負(fù)載大小SP確定,當(dāng)SP/ST>1 時(shí)將會(huì)封裝當(dāng)前所有等待數(shù)據(jù)至同一事務(wù)中寫入?yún)^(qū)塊.

3 基于區(qū)塊鏈的標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)有持久標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)大多基于Handle 系統(tǒng)[16–18]提供服務(wù),雖然該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為半中心化結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)中某單節(jié)點(diǎn)臨時(shí)失效或完全不可用的情況下不會(huì)影響到系統(tǒng)整體解析流程的平穩(wěn)、不間斷運(yùn)行,但這種單點(diǎn)失效情況依然影響了該節(jié)點(diǎn)所負(fù)責(zé)的命名空間內(nèi)標(biāo)識(shí)符的可解析性,本節(jié)將在接下來(lái)闡述如何將Handle 系統(tǒng)移植到基于Hyperledger Fabric[19]的區(qū)塊鏈之上以使其成為在存儲(chǔ)層面可去中心化的系統(tǒng).

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了兼容現(xiàn)有Handle 系統(tǒng),首先需要使其保持現(xiàn)有的GHR、LHS 式層級(jí)結(jié)構(gòu),以保證用戶進(jìn)行標(biāo)識(shí)符解析時(shí)解析流程不被改變.其次對(duì)于傳統(tǒng)Handle 服務(wù)提供者而言,依賴于Key-Value 數(shù)據(jù)庫(kù)或關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)提供對(duì)Handle 及其值的單節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)服務(wù),這種單節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)及訪問(wèn)服務(wù)存在的不可靠性帶來(lái)了使解析服務(wù)崩潰風(fēng)險(xiǎn),而當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層遷移至區(qū)塊鏈之上后,區(qū)塊鏈參與節(jié)點(diǎn)將得益于全局一致性賬本互為冗余,同時(shí)可以提供多節(jié)點(diǎn)全量標(biāo)識(shí)符解析服務(wù).從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看,考慮到現(xiàn)有Handle 節(jié)點(diǎn)間服務(wù)的互相獨(dú)立,應(yīng)允許原有的Primary 節(jié)點(diǎn)、Multi-Primary 節(jié)點(diǎn)、Mirror節(jié)點(diǎn)都可以與基于區(qū)塊鏈的Handle 節(jié)點(diǎn)同時(shí)共存于整個(gè)體系之中,最終系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示.

以Hyperledger Fabric 作為區(qū)塊鏈服務(wù)為例,持久化標(biāo)識(shí)符聯(lián)盟中的每個(gè)參與成員都將在各自的Handle服務(wù)中集成Fabric Peer 節(jié)點(diǎn)以代替原有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng),將各自身份注冊(cè)至MSP 之中,以確保對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的操作權(quán)限,并基于Raft 協(xié)議使參與成員提供排序服務(wù),其區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示.

3.2 存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)

對(duì)于一個(gè)具體的標(biāo)識(shí)符服務(wù)節(jié)點(diǎn)而言,其標(biāo)識(shí)符注冊(cè)數(shù)量通常處于較大的數(shù)量級(jí),所以對(duì)于每個(gè)標(biāo)識(shí)符服務(wù)都需要具有類似標(biāo)識(shí)符目錄的機(jī)制對(duì)當(dāng)前服務(wù)節(jié)點(diǎn)管理的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行索引從而允許解析服務(wù)快速的定位標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)所在區(qū)塊以讀取數(shù)據(jù),因此將索引數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于Hyperledger Fabric 世界狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中,使其與具體區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)文件分離,如圖6所示.

圖4 包含基于區(qū)塊鏈服務(wù)的Handle 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖6 存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)

為了不影響Handle 系統(tǒng)用戶的現(xiàn)有信息系統(tǒng),基于區(qū)塊鏈的標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)將繼續(xù)遵循Handle 協(xié)議規(guī)范規(guī)定的Handle 標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以提供完整的Handle 數(shù)據(jù)存儲(chǔ),基于2.2 節(jié)中所描述的方案進(jìn)行標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)存儲(chǔ),其中Handle 號(hào)及最新數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在世界狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)之中,因此事務(wù)內(nèi)有效數(shù)據(jù)僅包括:

(1)前繼標(biāo)識(shí)符信息位置(除創(chuàng)建標(biāo)識(shí)符操作外),包括事務(wù)ID與在該事務(wù)中的寫集下標(biāo);

(2)Handle 值列表,包括Index、Type、Value、TTL、Timestamp、Reference、admin_read、admin_write、pub_read、pub_write.

3.3 標(biāo)識(shí)符事務(wù)

以12346/abc為例,其具體事務(wù)存儲(chǔ)示例如圖7.

圖7(a)代表handle 號(hào)為12346/abc的handle 被創(chuàng)建,其handle 值包括一條Index為1的URL 類型的值http://hdl.handle.net,其TTL為24 小時(shí),創(chuàng)建時(shí)間為927314334000,引用為空,管理員可讀且可寫,公眾可讀但不可寫.

圖7(b)代表對(duì)標(biāo)識(shí)符12346/abc 添加一條新值,它的前繼操作存儲(chǔ)在事務(wù)ID為100的事務(wù)內(nèi)寫集下標(biāo)為1的位置,值內(nèi)容是Index為2的DES 類型的值“Handle resolver”,其TTL為24 小時(shí),創(chuàng)建時(shí)間為927314335000,引用為空,管理員可讀且可寫,公眾可讀但不可寫.

圖7(c)代表是對(duì)標(biāo)識(shí)符12346/abc 中Index為2的值進(jìn)行修改,其前繼操作存儲(chǔ)在事務(wù)ID為101的事務(wù)內(nèi)寫集下標(biāo)為1的位置,具體值被修改為“A Handle resolver”.

圖7(d)為刪除12346/abc 中Index為2的值,其前繼操作存儲(chǔ)在事務(wù)ID為102的事務(wù)內(nèi)寫集下標(biāo)為1的位置.

圖7 標(biāo)識(shí)符操作事務(wù)

3.4 標(biāo)識(shí)符解析與操作

Handle 系統(tǒng)具有GHR/LHS 兩層結(jié)構(gòu),并且基于Handle 協(xié)議規(guī)范具有詳細(xì)的數(shù)據(jù)交互流程設(shè)計(jì),因此不論在解析還是操作流程上都應(yīng)遵循基本的Handle交互模式.

(1)標(biāo)識(shí)符解析流程

解析基本流程如圖8所示.

當(dāng)用戶通過(guò)解析器向系統(tǒng)發(fā)起標(biāo)識(shí)符解析請(qǐng)求時(shí):①首先會(huì)通過(guò)解析器向GHR 請(qǐng)求LHS 服務(wù)地址;②接著GHR 將返回負(fù)責(zé)用戶欲解析的標(biāo)識(shí)符前綴信息,其中包含了所有參與區(qū)塊鏈的成員節(jié)點(diǎn)信息,③接下來(lái)解析器將向獲取到的LHS 發(fā)送具體解析請(qǐng)求;④LHS 接收到解析請(qǐng)求后首先檢索緩存,若命中則直接返回標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù);⑤若不命中則調(diào)用存儲(chǔ)層;⑥觸發(fā)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)集成的Fabric 服務(wù)的標(biāo)識(shí)符檢索智能合約;⑦合約將檢索世界狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)得到最新標(biāo)識(shí)符狀態(tài)數(shù)據(jù),若該數(shù)據(jù)標(biāo)志位非新建標(biāo)志或刪除標(biāo)志則說(shuō)明檢索到的僅為最新增量數(shù)據(jù);⑧于是需要依據(jù)最新增量數(shù)據(jù)的前繼數(shù)據(jù)索引字段去區(qū)塊鏈存儲(chǔ)中相應(yīng)的區(qū)塊檢索歷史數(shù)據(jù)繼而組合出完整標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù);⑨之后將其寫入緩存并返回給訪問(wèn)層,其后訪問(wèn)層基于用戶是否具有相應(yīng)值條目的讀取權(quán)限篩選出最終數(shù)據(jù),以響應(yīng)解析器的請(qǐng)求.

(2)標(biāo)識(shí)符操作流程

當(dāng)解析器發(fā)起標(biāo)識(shí)符操作請(qǐng)求時(shí),整體流程與解析請(qǐng)求流程類似,但首先需經(jīng)歷操作權(quán)限驗(yàn)證,其中標(biāo)識(shí)符創(chuàng)建與標(biāo)識(shí)符值修改/刪除流程略有不同:

①標(biāo)識(shí)符創(chuàng)建:當(dāng)請(qǐng)求到達(dá)Handle 系統(tǒng)后,若請(qǐng)求為標(biāo)識(shí)符創(chuàng)建請(qǐng)求則首先根據(jù)Handle 規(guī)范驗(yàn)證其權(quán)限.

②標(biāo)識(shí)符值修改/刪除:首先進(jìn)行標(biāo)識(shí)符檢索,其后根據(jù)標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證.

圖8 解析請(qǐng)求流程示意圖

權(quán)限驗(yàn)證通過(guò)后將觸發(fā)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)智能合約,節(jié)點(diǎn)成功背書后,即可將數(shù)據(jù)寫入緩存提供服務(wù),以保證服務(wù)時(shí)效性.其后當(dāng)前節(jié)點(diǎn)Orderer 服務(wù)將數(shù)據(jù)發(fā)送至當(dāng)前的Raft Leader 處,Leader 將該請(qǐng)求包含的Handle 數(shù)據(jù)依照前文第3 節(jié)所述格式打包成事務(wù),同步至其它LHS的對(duì)等節(jié)點(diǎn)中.

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與方案

實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要采用一臺(tái)CPU 規(guī)格為AMD R5 3500U,內(nèi)存規(guī)格為DDR4 2133 MHz,硬盤規(guī)格為WDC SN520的主機(jī)作為宿主機(jī),使用VirtualBox 6.0 進(jìn)行虛擬化提供運(yùn)行環(huán)境,基于Handle Software v9.2與Hyperledger Fabric v1.4 進(jìn)行基于區(qū)塊鏈的標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)開(kāi)發(fā),對(duì)照組為基于BerkeleyDB 及MySQL的Handle 系統(tǒng).

上述基于Hyperledger Fabric的系統(tǒng)中包含由5 個(gè)LHS 節(jié)點(diǎn)以組成持久標(biāo)識(shí)符區(qū)塊鏈系統(tǒng),在進(jìn)行測(cè)試時(shí),使用單客戶端10 線程,每個(gè)線程發(fā)送基于TCP發(fā)送2000 次請(qǐng)求,每個(gè)請(qǐng)求之間有10 毫秒的延遲以避免客戶端主機(jī)端口耗盡,同時(shí)停用標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)緩存.測(cè)試項(xiàng)目主要包括標(biāo)識(shí)符解析性能測(cè)試、標(biāo)識(shí)符操作性能測(cè)試、標(biāo)識(shí)符服務(wù)單點(diǎn)失效測(cè)試、標(biāo)識(shí)符服務(wù)內(nèi)存消耗測(cè)試、標(biāo)識(shí)符存儲(chǔ)資源消耗測(cè)試.

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

4.2.1 標(biāo)識(shí)符解析性能測(cè)試

在標(biāo)識(shí)符解析性能實(shí)驗(yàn)中,測(cè)試腳本通過(guò)向系統(tǒng)解析預(yù)先創(chuàng)建的標(biāo)識(shí)符來(lái)進(jìn)行解析性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 解析性能測(cè)試

從表1中可見(jiàn)基于Hyperledger Fabric的Handle系統(tǒng)標(biāo)識(shí)符解析吞吐量略低,其平均解析響應(yīng)時(shí)間慢于基于其他存儲(chǔ)層的Handle 系統(tǒng),這意味著對(duì)于需要高性能的標(biāo)識(shí)符解析場(chǎng)景而言,仍需進(jìn)一步優(yōu)化標(biāo)識(shí)符解析流程同時(shí)需提供高效的緩存服務(wù)以減少標(biāo)識(shí)符解析時(shí)的區(qū)塊鏈區(qū)塊文件的查詢次數(shù).

4.2.2 標(biāo)識(shí)符操作性能測(cè)試

在標(biāo)識(shí)符操作性能實(shí)驗(yàn)中,測(cè)試腳本通過(guò)向系統(tǒng)批量創(chuàng)建標(biāo)識(shí)符來(lái)進(jìn)行操作性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表2所示.

表2 操作性能測(cè)試

可見(jiàn)基于Hyperledger Fabric的Handle 系統(tǒng)對(duì)的標(biāo)識(shí)符操作響應(yīng)時(shí)間慢于基于其他存儲(chǔ)層的Handle系統(tǒng),需要進(jìn)一步優(yōu)化標(biāo)識(shí)符存儲(chǔ)流程以提供多級(jí)數(shù)據(jù)寫入策略來(lái)保證系統(tǒng)對(duì)標(biāo)識(shí)符操作的及時(shí)響應(yīng).

4.2.3 標(biāo)識(shí)符單點(diǎn)失效測(cè)試

為了進(jìn)行單點(diǎn)失效測(cè)試,在實(shí)驗(yàn)中將設(shè)置5 個(gè)持久標(biāo)識(shí)符服務(wù)參與節(jié)點(diǎn),分別編號(hào)A～E,在節(jié)點(diǎn)運(yùn)行過(guò)程中,對(duì)標(biāo)識(shí)符服務(wù)進(jìn)行持續(xù)解析請(qǐng)求,在此過(guò)程中隨機(jī)反復(fù)停止并恢復(fù)節(jié)點(diǎn)的服務(wù),行為示例如表3所示,解析客戶端持續(xù)統(tǒng)計(jì)解析成功率,結(jié)果如表4所示.測(cè)試結(jié)果表明基于區(qū)塊鏈的標(biāo)識(shí)符解析系統(tǒng)通過(guò)互冗余為任一參與方LHS 所管理的前綴命名空間內(nèi)標(biāo)識(shí)符提供多節(jié)點(diǎn)的解析服務(wù)可以有效避免單一LHS的解析服務(wù)單點(diǎn)失效所帶來(lái)的解析失敗問(wèn)題.

表3 單點(diǎn)失效測(cè)試行為示例

表4 單點(diǎn)失效解析測(cè)試

4.2.4 標(biāo)識(shí)符存儲(chǔ)資源消耗測(cè)試

基于區(qū)塊鏈的標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)存儲(chǔ)了所有標(biāo)識(shí)符歷史數(shù)據(jù),同時(shí)每條數(shù)據(jù)都被打包成事務(wù)以組成區(qū)塊,這將存儲(chǔ)更多的事務(wù)及區(qū)塊結(jié)構(gòu)信息,所以會(huì)比傳統(tǒng)Handle系統(tǒng)消耗更多的存儲(chǔ)資源,存儲(chǔ)資源消耗對(duì)比如圖9所示,標(biāo)識(shí)符存儲(chǔ)受事務(wù)及區(qū)塊結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)影響較大,可按需進(jìn)一步考量存儲(chǔ)策略及數(shù)據(jù)壓縮策略以節(jié)省存儲(chǔ)資源.

圖9 存儲(chǔ)資源消耗對(duì)比圖

5 結(jié)論與展望

本文闡述了一種基于區(qū)塊鏈的持久標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)并基于Handle 系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了初步實(shí)現(xiàn).通過(guò)對(duì)已有標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)訪問(wèn)層的兼容,使現(xiàn)有系統(tǒng)從技術(shù)上獲得了延續(xù)性,同時(shí)通過(guò)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的分布式一致性賬本優(yōu)勢(shì)使原有系統(tǒng)獲得更多的數(shù)據(jù)完整性與解析服務(wù)長(zhǎng)期可用性,從而保障標(biāo)識(shí)符解析持久性.然而,基于區(qū)塊鏈的持久標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)具有大量的標(biāo)識(shí)符服務(wù)參與成員,且參與成員的標(biāo)識(shí)符注冊(cè)量較多,這將對(duì)其成員服務(wù)節(jié)點(diǎn)造成過(guò)多的存儲(chǔ)壓力,在接下來(lái)研究中我們將繼續(xù)探究如何對(duì)壓縮標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)同時(shí)改善事務(wù)打包策略或基于鏈外存儲(chǔ)方式,以期節(jié)省存儲(chǔ)資源,同時(shí)優(yōu)化解析流程從而保持高性能的解析能力.