基于分层索引和分片技术的多属性交易可验证查询研究.pdf

摘要

随着区块链技术的不断发展，区块链逐渐被使用于管理时空相关数据。然而与区

块链管理的金融交易相关数据相比，时空相关数据的增长率更高，数据量更庞大，因

此区块链目前存在的问题也逐渐显露出来，主要体现在以下几个方面，其一，已知的

区块链系统在交易信息查询方面性能表现不佳，查询某一具体的交易信息需要逐块遍

历才能得到，在区块链管理的时空数据领域中查询十分耗时；其二，区块链能够处理

的交易查询类型太过单一，现有的区块链系统只支持对交易哈希、区块高度等相关查

询，很难满足用户的多种查询类型需求；其三，区块链节点中可能存在恶意节点，可

能会篡改查询结果并返回，导致用户得到的数据与原始数据不一致，因此对于查询结

果需要进行完整性验证；最后，由于交易数量日益增长，传统区块链的吞吐量难以满

足用户需求，需要提高区块链的可扩展性。为了解决上述问题，本文以区块链管理的

包含多种类型属性的时空关键字数据为背景，研究了基于分层索引技术和分片技术的

两种可验证查询处理方案，实现区块链系统支持多种类型的查询并提升查询性能。本

文的主要研究内容如下：

（1）为了保证当前区块链能够同时支持对时空属性和关键字属性数据的管理，对

区块块头做出改进；针对传统区块链吞吐量不高的问题，采用一种Block-DAG结构；

为了提高区块链系统的查询性能，提出了“两层过滤一层查询”的索引及其管理机制，

充分考虑分层索引结构，结合经典的可验证索引默克尔树，分别在“链间”、“块间”

和“块内”构建可验证索引，提高查询效率的同时确保查询结果的完整性；为了满足

用户多种查询类型的需求研究了范围查询以及KNN查询的查询算法，并通过真实的

墨尔本违规停车数据集做了一系列实验，验证了所提出的方法能够有效提高区块链系

统的查询性能。

（2）为了进一步丰富区块链中的查询类型，对多属性的交易做出了静态和动态的

区分以满足用户更多的查询需求；为了进一步增大区块链系统的吞吐量，采用了分片

技术，针对静态交易和动态交易构建了交易分片实现对前述“两层过滤一层查询”机

制在吞吐量方面的升级，进一步提高了区块链系统的可扩展性；在查询性能方面，对

交易分片构建了虚拟树索引来提高查询效率，并将虚拟树索引和树签名技术相结合来

降低分片间的通信代价。通过Foursquare登记数据集对所提出的方法在查询性能上进

行了验证，实验结果表明该方法能够进一步提高区块链系统的查询性能。

关键词：区块链；时空关键字属性；两层过滤一层查询；可验证索引；交易分片

I

II

ABSTRACT

Withthecontinuousdevelopmentofblockchaintechnology,blockchainisgradually

usedtomanagespatial-temporalrelateddata.However,comparedwiththefinancial

transaction-relateddataofblockchainmanagement,thegrowthrateofspatial-temporal

relateddataishigherandthevolumeofdataislarger.Therefore,thecurrentproblemsof

blockchainarealsograduallyrevealed,mainlyreflectedinthefollowingaspects.Oneisthat

theknownblockchainsystemperformspoorlyintransactioninformationquery,andthe

queryofaspecifictransactioninformationneedstobetraversedblockbyblock,whichisa

time-consumingwaytoqueryinthespatial-