[论文解读] A Blockchain Database Application Platform

Muhammad Muzammal, Qiang Qu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2018

Big Data and Business Intelligence参考文献 23被引用 12

一句话总结

ChainSQL 提出了一种创新的区块链-数据库混合平台，结合了区块链的防篡改性和去中心化特性，以及分布式数据库的快速查询处理能力和结构化数据模型。通过在基于 Ripple 的区块链上存储交易日志，并在各节点维护一个同步的多主数据库以支持读操作，ChainSQL 实现了安全、一致且低延迟的数据访问，灾难恢复时间低于 10 秒，展示了其在金融和企业工作负载中的实际可行性。

ABSTRACT

A blockchain is a decentralised linked data structure that is characterised by its inherent resistance to data modification, but it is deficient in search queries, primarily due to its inferior data formatting. A distributed database is also a decentralised data structure which features quick query processing and well-designed data formatting but suffers from data reliability. In this demonstration, we showcase a blockchain database application platform developed by integrating the blockchain with the database, i.e. we demonstrate a system that has the decentralised, distributed and audibility features of the blockchain and quick query processing and well-designed data structure of the distributed databases. The system features a tamper-resistant, consistent and cost-effective multi-active database and an effective and reliable data-level disaster recovery backup. The system is demonstrated in practice as a multi-active database along with the data-level disaster recovery backup feature.

研究动机与目标

• 解决区块链在查询性能方面的局限性，以及传统数据库在数据完整性和一致性方面的不足。
• 将区块链的不可篡改性和可审计性与分布式数据库的处理速度和数据结构相结合。
• 实现一种多主数据库架构，确保在地理分布的节点之间保持高可用性和数据一致性。
• 实施一种数据级灾难恢复系统，实现近乎即时的故障切换和一致状态恢复。
• 提供一种实用的中间件解决方案，支持与现有企业应用和标准 SQL 数据库无缝集成。

提出的方法

• ChainSQL 使用基于 Ripple 的区块链网络实现安全、快速的交易最终性（4 秒内完成）和通过唯一节点列表（UNL）达成共识。
• 在每个区块链节点上维护一个同步的多主数据库，支持通过标准 SQL 接口实现快速读操作。
• 系统采用中间件架构，将应用逻辑与底层数据层解耦，支持直接写入区块链和读取数据库。
• 对于灾难恢复，生产环境中的交易日志（如 binlog、redo log）被捕获，并通过区块链共识机制复制到备份节点。
• 灾难恢复中间件确保在节点故障后 10 秒内可将备份节点提升为生产状态，实现恢复点目标。
• 系统支持对称和非对称加密以保障数据传输安全，并支持与 MySQL、Oracle 和 DB2 等标准数据库集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将区块链的不可篡改性和可审计性与传统数据库的性能和结构相结合？
• RQ2 混合区块链-数据库系统是否能在保持跨分布式节点数据一致性的前提下，实现低于 10 秒的灾难恢复？
• RQ3 如何利用区块链作为数据日志的可信来源，实现多主数据库架构？
• RQ4 在支持快速 SQL 查询处理的同时，维护基于区块链的交易日志会带来多大的性能开销？
• RQ5 如何在不修改应用层代码的前提下，将现有企业应用与区块链-数据库中间件集成？

主要发现

• ChainSQL 通过将交易日志存储在基于 Ripple 的区块链上，实现了数据一致性和防篡改性，确保所有节点保持相同的数据状态。
• 系统通过同步的多主数据库层支持快速查询处理，实现低延迟读操作。
• 在节点故障后 10 秒内完成灾难恢复，备份节点可自动同步并立即接管服务。
• 系统通过标准化 API 接口支持与 MySQL、Oracle 和 IBM DB2 等标准 SQL 数据库的无缝集成。
• 中间件架构使企业应用能够使用熟悉的数据库协议与系统交互，同时受益于区块链级别的数据完整性和可审计性。
• 该平台在银行和供应链管理等应用场景中展现出实际可行性，这些场景对数据完整性和高可用性有严格要求。