[论文解读] Dynamic Distributed Storage for Scaling Blockchains

Ravi Kiran Raman, Lav R. Varshney|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2017

Caching and Content Delivery被引用 9

一句话总结

本文提出一种基于秘密共享与加密技术的动态分布式存储方案，通过在节点间仅存储交易的片段，有效降低区块链存储成本，实现信息论安全。该方案将每个节点的存储量减少至原始大小的分数之一，通过消除计算密集型的挖矿过程显著降低能耗，并通过动态区域分配与一致性检查机制提升数据完整性。

ABSTRACT

Blockchain uses the idea of storing transaction data in the form of a distributed ledger wherein each node in the network stores a current copy of the sequence of transactions in the form of a hash chain. This requirement of storing the entire ledger incurs a high storage cost that grows undesirably large for high transaction rates and large networks. In this work we use the ideas of secret key sharing, private key encryption, and distributed storage to design a coding scheme such that each node stores only a part of the entire transaction thereby reducing the storage cost to a fraction of its original cost. When further using dynamic zone allocation, we show the coding scheme can also improve the integrity of the transaction data in the network over current schemes. Further, block validation (bitcoin mining) consumes a significant amount of energy as it is necessary to determine a hash value satisfying a specific set of constraints; we show that using dynamic distributed storage reduces these energy costs.

研究动机与目标

• 解决因每个节点需存储完整账本而导致的区块链存储成本不可持续增长问题。
• 降低比特币类区块链中与工作量证明（proof-of-work）相关的能耗。
• 在不依赖计算困难性假设的前提下，提升数据完整性和机密性。
• 设计一种可扩展的动态存储架构，在高交易负载下仍能保持安全与高效。
• 通过区域分配策略实现实际部署，优化覆盖范围与恢复效率。

提出的方法

• 采用信息论意义上的秘密共享机制，将交易数据分割为片段并分布存储于多个节点。
• 应用私钥加密技术，确保存储片段的机密性。
• 实施基于图分解（将完全图分解为匹配）的动态区域分配策略，以实现最优覆盖与完整性。
• 以轻量级哈希与一致性检查替代传统的工作量证明机制，降低计算开销。
• 采用无放回抽样方法建模有效哈希值的期望尝试次数，表明其成本显著低于比特币的暴力破解方法。
• 通过一致性检查与黑箱编码/解码机制确保安全性，防止节点获取其他节点的代码片段。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过秘密共享与加密技术将交易数据分布存储于节点，从而降低区块链存储成本？
• RQ2 在不依赖计算昂贵的工作量证明机制的前提下，如何在分布式存储模型中保持数据完整性？
• RQ3 何种动态区域分配策略可使分布式区块链存储系统在覆盖与恢复效率方面达到最优？
• RQ4 通过以编码方案替代工作量证明，可在多大程度上降低能耗？
• RQ5 在所提方案中，丢失数据片段的概率性恢复所需满足的必要与充分条件是什么？

主要发现

• 所提方案将单节点存储成本降低至原始值的分数之一，存储成本随 p/p' 的变化呈 O(p/p') 阶，其中 p 为总份额数，p' << p。
• 该方案实现信息论安全，不再依赖传统区块链中使用的计算困难性假设。
• 能耗显著降低，因该方案以轻量级哈希与一致性检查替代了工作量证明机制。
• 基于将完全图分解为匹配的动态区域分配策略，实现了阶最优的覆盖时间。
• 概率性恢复分析表明，该方案仅需阶最优的区域规模即可实现可靠的数据重建。
• 由于缺乏本地修复机制，该方案的恢复与修复成本高于传统系统，需对编码进行完整重新计算。