分布式数据库在区块链中的应用

区块链技术下分布式账本数据库及其影响作者：周楠来源：《合作经济与科技》2020年第20期[提要] 随着新兴信息技术的发展，特别是其中的区块链技术的诞生，对会计领域具有重大影响，同时也引发会计领域相关问题的大讨论。

企业会计人员要通过分析和研究区块链技术对本行业带来的挑战和冲击，在其中寻求和探索区块链技术应用下分布式账本数据库，于企业会计而言所适用的途径和模式，从而提升企业经营管理效益。

关键词：区块链;分布式账本;数据库;会计;影响本文为铜陵学院2019年度省级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：s201910383012）中图分类号：F23 文献标识码：A收录日期：2020年7月10日一、引言区块链作为近些年随着科技产生发展而产生的一项新兴技术，尚处于发展且较不成熟的阶段，其在会计领域的应用——分布式账本数据库，也是一经提出便引起了广大学者的广泛关注。

对于区块链技术应用下的分布式账本数据库的研究，虽然应用时间不长，但近年来也形成了一定规模，并取得了一定的成果。

对于该分布式账本的相关研究主要集中在区块链技术与分布式账本的关系、其应用对于财会领域的影响、其在会计行业未来的发展前景以及对于其发展前景的展望等方面。

研究状况：对于区块链技术应用下的分布式账本的一些技术特征，管同伟2018年在《区块链在资产证券化风险控制中的应用研究》中明确的阐述了分布式账本数据库的一些基本特征：各个节点共享一个数据库，由会计账本、点对点技术、分布的数据存储、加密技术等多种技术要素组成。

简单来说是将数据库分拆成一个个小块，通过无法更改的加密链连接，使用者便可用高效、可靠的方式建立、传递和存储信息。

该文章在此基础上提出了分布式账本数据库与资产证券化相互结合的方式。

基于分布式账本自身的一些特征，表明其同样也适用于财务会计领域，已有学者将研究的目光投向分布式账本在财务会计的应用。

2019年4月乔鹏程、孙海荣在《中国科技论坛上》发表了一篇名为《分布式账本研发的创新驱动和实践路径》的文章中便对分布式账本数据库应用于财务会计领域的相关问题进行了探讨。

软件开发中的区块链应用随着区块链技术的不断发展，它在软件开发中的应用也越来越广泛。

本文将从区块链技术的基本原理，以及在软件开发中的应用领域和实际应用案例等方面进行探讨。

一、区块链技术的基本原理区块链技术是一种分布式数据库技术，其主要特点是去中心化、可追溯、不可篡改。

它的基本原理是将交易数据分散存储在整个网络中的多个节点上，并通过复杂的算法保证交易数据的安全性和一致性。

在区块链技术中，所有的交易数据都被打包成一个个区块，并通过加密算法和时间戳来确保数据的完整性和防篡改性。

每个节点都会保留一份这些交易数据的备份，并进行验证和认证，以确保交易的真实性和有效性。

只有在所有节点的认证通过后，交易才能被成功地写入区块链中。

此外，由于区块链技术自身所具有的去中心化特点，因此所有节点都处于同等的地位，各自独立运作，不存在中心化机构的控制和干扰。

二、区块链技术在软件开发中的应用领域1、数字货币数字货币是区块链技术最广泛的应用之一。

比特币就是基于区块链技术开发而来的原生数字货币，它解决了传统货币存在的中心化机构操控、可篡改等问题，成为了一种去中心化的交易媒介。

2、智能合约智能合约是一种基于区块链技术的自动化合约。

它可以通过编写程序代码自动执行和履行合约，不需要中心化机构的介入，节省了时间和费用。

智能合约在金融领域、物流领域等都有广泛的应用。

3、供应链管理利用区块链技术可以构建可追溯性的供应链管理系统。

通过将交易数据记录在区块链上，可以在供应链中实现物品追溯、交易跟踪等功能，提高供应链的效率和透明度。

4、数字身份认证区块链技术可以构建一个安全可信的数字身份认证系统。

由于区块链技术的去中心化和防篡改特点，可以有效防止数字身份被盗用和篡改，提高数字安全性和隐私保护。

三、实际应用案例1、Hyperledger FabricHyperledger Fabric是一种企业级的区块链平台，由Linux基金会推出。

它提供了可编程的智能合约框架，支持多种编程语言和底层数据可插拔性。

人的社交关系与经济合作的关系社交关系是每个人在社会中与他人建立的一种连接，而经济合作是人们为了共同的利益而进行的一种合作。

社交关系与经济合作之间存在着千丝万缕的联系，相互影响并推动着社会经济的发展。

首先，人的社交关系对于经济合作具有重要的影响。

在过去的几十年中，人们普遍认为“人脉”是成功的关键因素之一。

这是因为与他人建立起良好的社交关系可以使得人们更容易获取资源，包括财富、信息、机会等。

通过社交关系的渠道，人们可以结识到各行各业的人士，从而得到更多的合作机会。

一个社交圈子广阔的人，往往容易找到与自己意见相同的经济伙伴，减少合作中的风险，同时也能够获得更多的合作机会。

其次，经济合作对于社交关系的建立也起到了重要的促进作用。

经济活动是人们交流和交往的重要方式，通过经济合作，人们可以更加深入地了解对方，建立起更为紧密的社交关系。

在商业交易中，人们需要共同合作、互相信任和相互尊重。

当人们通过经济合作共同创造财富，并共享利益时，彼此之间的社交关系也会得到增强。

经济合作中的互助和互赢，推动了人们之间的交流和合作，进而促进了社交关系的发展。

另外，社交关系和经济合作之间的联系也在一定程度上影响着一个人的经济状况。

人们常常通过社交关系来获取更多的资源和机会，这有助于提高他们的经济地位。

一个拥有广泛社交关系的人，可以通过社交网络获取更多的创业机会，吸引更多的投资和合作伙伴。

通过这些合作和资源的积累，人们有机会获得更多的经济回报。

此外，社交关系还能够提供给个人更多的工作机会和职业发展的机遇，从而提高个人的收入和经济状况。

然而，社交关系和经济合作之间并非完全二者互利的关系，也存在着一些问题和挑战。

一方面，社交关系的狭隘性和局限性可能会限制人们的经济合作机会。

如果一个人的社交圈子过于狭窄，仅限于特定的群体或领域，那么他的合作机会将受限。

此外，社交关系的建立也可能受到个人兴趣和偏好的限制，导致与其他领域的经济合作机会被忽视。

区块链技术及其应用随着科技的飞速发展，区块链技术已经开始逐渐影响我们的生活和经济系统。

区块链技术作为一种分布式数据库技术，具有去中心化、可追溯、不可篡改等特点，这使得它在很多领域都得到了广泛应用。

一、区块链技术的发展历程区块链技术最早是在2008年由一位化名为中本聪的人提出的。

随后，在2009年，中本聪发布了世界上第一个加密货币比特币，并开源了比特币的底层技术——区块链技术。

自此之后，区块链技术在不断地发展和完善，目前已经成为了一种被广泛认可的技术。

二、区块链技术的基本原理区块链技术是一种基于密码学的、去中心化的分布式数据库技术。

它的特点是数据在网络中进行传输和存储，数据被分布在参与网络的各个节点中，每个节点都具有完整的数据副本，数据不属于任何一方所有，也不受任何一方的控制，从而实现了去中心化的特性。

三、区块链技术的应用场景1、数字货币作为区块链技术的第一个应用场景，数字货币在全球范围内得到了广泛的关注。

比特币是最早的数字货币，它的出现彻底颠覆了传统的货币体系，让人们可以进行点对点的交易，去除了传统货币系统的中心化垄断，实现了去中心化的自由交易。

2、供应链管理区块链技术可以用于供应链管理，保证供应链的透明度和可追溯性。

通过区块链技术，任何一方都可以对供应链进行监控，一旦发现问题，就可以第一时间进行处理。

3、版权保护区块链技术可以很好地实现版权保护。

在区块链技术中，数据是不可篡改的，一旦有人盗用了你的作品，你就可以通过区块链技术来证明自己的版权。

4、智能合约智能合约是一种基于区块链技术的自动化合约。

通过智能合约，可以让人们不受到传统合约的限制，使得交易变得更加简单、透明和自动化。

智能合约在金融领域得到了广泛的应用，如保险理赔、结算、借贷等方面。

四、区块链技术的发展前景区块链技术是一项非常前沿的技术，其前途不可估量。

目前，全球各地已经有很多企业开始利用区块链技术进行创新，相关的应用也在不断地扩大。

未来，随着技术的不断发展和完善，区块链技术将在更多领域得到广泛应用。

第４４卷　第１期２０２１年１月计 算 机 学 报ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＯＭＰＵＴＥＲＳＶｏｌ．４４Ｎｏ．１Ｊａｎ．２０２１收稿日期：２０１９ ０３ ２２；在线发布日期：２０１９ １０ ３１．本课题得到国家重点研发计划项目（２０１８ＹＦＢ１００３４０４）、国家自然科学基金（Ｕ１８１１２６１，６１６７２１４２）、辽宁省科学技术基金（２０１８０５５０３２１）资助．于　戈，博士，教授，中国计算机学会（ＣＣＦ）会员，主要研究领域为分布式数据库、分布与并行计算、区块链．Ｅ ｍａｉｌ：ｙｕｇｅ＠ｍａｉｌ．ｎｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．聂铁铮（通信作者），博士，副教授，中国计算机学会（ＣＣＦ）会员，主要研究方向为数据库、数据集成、区块链．Ｅ ｍａｉｌ：ｎｉｅｔｉｅｚｈｅｎｇ＠ｍａｉｌ．ｎｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．李晓华，博士，讲师，中国计算机学会（ＣＣＦ）会员，主要研究方向为信息安全、区块链．张岩峰，博士，教授，中国计算机学会（ＣＣＦ）高级会员，主要研究领域为分布式数据处理、云计算．申德荣，博士，教授，中国计算机学会（ＣＣＦ）高级会员，主要研究领域为分布式数据库、数据集成．鲍玉斌，博士，教授，中国计算机学会（ＣＣＦ）高级会员，主要研究领域为数据仓库、ＯＬＡＰ．区块链系统中的分布式数据管理技术———挑战与展望于　戈　聂铁铮　李晓华　张岩峰　申德荣　鲍玉斌（东北大学计算机科学与工程学院　沈阳　１１０１６９）摘　要　区块链是在数字加密货币的应用基础之上发展起来的一种分布式数据库技术．区块链系统具有去中心化、不可篡改、分布共识、可溯源和最终一致性等特点，这使其可以用于解决不可信环境下数据管理问题．区块链独特的数据管理功能已经成为各领域应用中发挥区块链价值的关键．本文基于对比特币、以太坊、超级账本等代表性区块链系统的研究分析，阐述区块链系统中分布式数据管理技术．首先，深入讨论区块链系统与传统分布式数据库系统之间的异同点，从分布式部署模式、节点角色、链拓扑结构等多个方面给出区块链的分类．然后，详细分析各类区块链系统所使用的数据存储结构、分布式查询处理与优化技术及其优缺点．最后，总结区块链系统的分布式数据管理技术在各专门领域应用中所面临的挑战和发展趋势．关键词　区块链；分布式数据管理；数据存储；查询处理中图法分类号ＴＰ３１１ 犇犗犐号１０．１１８９７／ＳＰ．Ｊ．１０１６．２０２１．０００２８犜犺犲犆犺犪犾犾犲狀犵犲犪狀犱犘狉狅狊狆犲犮狋狅犳犇犻狊狋狉犻犫狌狋犲犱犇犪狋犪犕犪狀犪犵犲犿犲狀狋犜犲犮犺狀犻狇狌犲狊犻狀犅犾狅犮犽犮犺犪犻狀犛狔狊狋犲犿狊ＹＵＧｅ　ＮＩＥＴｉｅ Ｚｈｅｎｇ　ＬＩＸｉａｏ Ｈｕａ　ＺＨＡＮＧＹａｎ Ｆｅｎｇ　ＳＨＥＮＤｅ Ｒｏｎｇ　ＢＡＯＹｕ Ｂｉｎ（犛犮犺狅狅犾狅犳犆狅犿狆狌狋犲狉犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犖狅狉狋犺犲犪狊狋犲狉狀犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犛犺犲狀狔犪狀犵　１１０１６９）犃犫狊狋狉犪犮狋　Ｂｌｏｃｋｃｈａｉｎｉｓａｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｄａｔａｂａｓｅｗｈｉｃｈｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｄｉｇｉｔａｌｅｎｃｒｙｐｔｅｄｃｕｒｒｅｎｃｙ．Ａｂｌｏｃｋｃｈａｉｎｓｙｓｔｅｍｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｅｃｅｎｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｎｏｎ 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ｓｐｅｃｉｆｉｃａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈａｓｆｉｎａｎｃｅ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ｎｅｔｗｏｒｋｓｔｏｒａｇｅ，ｃｒｅｄｉｔａｎｄｏｔｈｅｒｆｉｅｌｄｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊　ｂｌｏｃｋｃｈａｉｎ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｄａｔａｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ｄａｔａｓｔｏｒａｇｅ；ｑｕｅｒｙｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ１　引　言在“互联网＋”应用日益普及的大环境下，大量应用需要将发生的事件、行为、状态持久地记录在分布式环境中以用于日后的查询，即进行分布式记账．分布式记账已经逐渐成为互联网应用中的一项重要功能．以电子商务交易系统为例，客户需要执行提交订单、通过电子银行向商家支付货款、从物流公司收货等操作，商家需要执行接受订单、通过物流公司发货、通过电子银行收款等操作，电子银行方需要执行从客户收款、向商家付款等操作，物流公司需要执行从商家收货、收取物流款、向客户发货等操作．客户、商家、物流公司、电子银行共四方处于一个分布式环境中，在每一个环节都需要记录相关的操作和信息．由于各方之间并不存在完全信任关系，最终以哪一方记录的账目为确认信息是一个重要的问题．传统的方法采用由电子商务交易服务平台作为公正的第三方进行统一记账，所有的交易信息的查询操作全部在这个平台上进行处理，物流公司和银行的部分数据也以接入的方式添加至交易服务平台．在这种传统集中式记账方式里，主要的交易信息存储在单一的记账方，这是一种“逻辑”上的集中式存储模式，即交易数据存储在唯一的某业务参与方并由其负责管理．集中式记账方式存在的问题包括：（１）记账方为了保证可靠性需要存储数据的多个副本，从而造成了数据存储的性能瓶颈；（２）交易数据可能被记账方篡改且无法验证，因此各参与方需要完全信任记账方；（３）记账方受到攻击后数据难以恢复．因此，传统集中式记账方式存在着存储效率低、可信性差、易受攻击等弊端．为了解决以上难题，采用分布式记账方式的比９２１期于　戈等：区块链系统中的分布式数据管理技术———挑战与展望特币系统（Ｂｉｔｃｏｉｎ）［１］在２００８年被首次提出，并受到广泛关注．随后，区块链技术作为比特币系统所采用的底层技术逐渐引起工业界与学术界的重视，比特币系统所具有的分布共享性、共识性、不可篡改性、可溯源性和最终一致性等特点均来源于区块链技术．在基于区块链技术的分布式记账方式中，所有参与方都可以保存一份相同的完全账本，新加入的参与方可以下载完全账本并验证账本的正确性．这种方式降低了传统集中式记账方式中记账方的多副本数据维护成本，同时参与方也可以通过访问本地数据提高访问效率．此外，在区块链系统中，交易的账目采用数字签名和加密算法处理，从而提高了系统中数据的安全性，而区块之间通过哈希值串联的数据关联方式和基于共识算法确认区块的数据写入机制也使得区块链上的数据极难被篡改．起初，区块链技术所支撑的比特币系统仅是一个专用的交易系统，并不支持虚拟货币交易以外的其他功能，这严重限制了区块链技术在分布式数据管理上的应用．随着区块链技术的发展，产生了大量新型区块链系统．２０１４年由Ｂｕｔｅｒｉｎ基于区块链技术推出了以太坊（Ｅｔｈｅｒｕｍ）平台［２］．以太坊提供了基于智能合约的编程功能，支持区块链应用的二次开发，这标志着区块链２．０时代的诞生．超级账本（ＨｙｐｅｒｌｅｄｇｅｒＦａｂｒｉｃ）［３］则是基于ＩＢＭ早期贡献出的ＯｐｅｎＢｌｏｃｋｃｈａｉｎ为主体搭建而成的Ｌｉｎｕｘ基金会的区块链项目，其主要目的是发展跨行业的商用区块链平台技术．在超级账本框架中，包括了ＨｙｐｅｒｌｅｄｇｅｒＦａｂｒｉｃ①、ＨｙｐｅｒｌｅｄｇｅｒＢｕｒｒｏｗ②、ＨｙｐｅｒｌｅｄｇｅｒＳａｗｔｏｏｔｈ③和ＨｙｐｅｒｌｅｄｇｅｒＩｒｏｈａ等多个项目，构成了完整的生态环境．区块链３．０时代［４］则是将区块链技术的应用范围扩展到各类应用之中，服务领域除金融、经济之外，还包括政府、健康、科学、文化等领域．区块链技术将支持各类资产交易与登记的去中心化可信处理，并与物联网等技术融合．未来，区块链技术将会与其他新兴技术相结合用于各类应用之中，诸如区块链＋科学、区块链＋医疗、区块链＋教育、区块链＋能源等应用将会迅速发展．目前，区块链技术已应用于多个领域之中．在数字货币服务领域，支持支付、兑换、汇款、交易功能；在金融服务领域，支持清算、结算、安全监管、反洗钱等功能；在Ｂ２Ｃ服务领域，支持无人管理的商亭等新业务；在Ｐ２Ｐ租赁管理领域，支持无需中介的货物交换、租赁等共享经济新业务；在供应链管理领域，支持物理资产签名、物流跟踪和交付等功能；在知识产权保护领域，用于建立不可篡改的权利和拥有权；在征信管理领域，支持身份认证、日志审计和监管等；在溯源管理领域，支持数据鉴别与存证、防伪溯源等功能．区块链技术是一种建立在多种技术之上的分布式共享账本技术，而区块链本质上是一种多方参与共同维护的分布式数据库．相对于集中式数据库管理系统，区块链系统采用去中心化或者弱中心化的数据管理模式，没有中心节点，所有参与节点均可以存储数据，而事务的持久性则依靠参与节点共同维护的不断增长的数据链和非集中式的共识机制予以实现，保证了数据在基于验证基础上的可信性．此外，相比于传统的分布式数据库和分布式数据存储系统，区块链系统的参与节点可以获得完整的数据副本，而非部分数据的副本．区块链系统的特殊数据存储机制和一致性共识机制是其不同于传统分布式数据库系统的主要原因．区块链的数据存储结构和数据组织方式不同于其他数据存储系统．区块链将数据记录组织成区块（Ｂｌｏｃｋ），并在每个区块的区块头中通过记录前一区块的哈希值将区块组织成链式结构．这种结构使区块链的数据存储具有不易篡改性、可溯源性和可验证性．然而，区块链的存储结构和基于密码学算法的共识机制也为数据管理带来了交易确认效率低和查询不便等诸多弊端．例如在记录交易的吞吐量方面，使用区块链技术的比特币系统仅支持每秒处理７笔交易数，并且还需要经过１小时以上时间才可以确认写到区块（相关研究表明４３％的比特币交易未能在一小时内得到处理④）．此外，区块链的数据记录按时间顺序存储在区块中，这为交易数据的查询处理带来了挑战，当前很多数字货币系统的查询处理都要依赖于某种键值数据库系统．其次，区块链的共识机制也不同于分布式数据库系统．区块链系统为了在Ｐ２Ｐ网络环境下保证交易操作符合事务特性，需要维护数据一致性，并避免“双重支付”（ＤｏｕｂｌｅＳｐｅｎｄｓ）的发生，这是区块链共０３计 算 机 学 报２０２１年①②③④ＨｙｐｅｒｌｅｄｇｅｒＦａｂｒｉｃ．ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｈｙｐｅｒｌｅｄｇｅｒ．ｏｒｇ／ｐｒｏｊｅｃｔｓ／ｆａｂｒｉｃＨｙｐｅｒｌｅｄｇｅｒＢｕｒｒｏｗ．ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｈｙｐｅｒｌｅｄｇｅｒ．ｏｒｇ／ｐｒｏｊｅｃｔｓ／ｈｙｐｅｒｌｅｄｇｅｒ ｂｕｒｒｏｗＨｙｐｅｒｌｅｄｇｅｒＳａｗｔｏｏｔｈ．ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｈｙｐｅｒｌｅｄｇｅｒ．ｏｒｇ／ｐｒｏｊｅｃｔｓ／ｓａｗｔｏｏｔｈＳｔｕｄｙ：４３％ｏｆＢｉｔｃｏｉｎＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＡｒｅｎ’ｔＰｒｏｃｅｓｓｅｄａｆｔｅｒＦｉｒｓｔＨｏｕｒ．２０１７．ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｃｃｎ．ｃｏｍ／４３ ｂｉｔｃｏｉｎ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｎｏｔ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｏｎｅ ｈｏｕｒ ｓｔｕｄｙ ｓａｙｓ识机制的主要考虑的问题．同时，由于区块链网络本身是一个去中心化的网络，参与节点完全自治，并没有统一的节点负责管理和维护，为此区块链节点之间需要使用Ｐ２Ｐ技术实现数据广播以更新节点的状态信息和账本信息．区块链系统公认的基础架构模型［５］主要分为６层，本文在其基础上增加了查询层，以便对区块链系统的查询处理机制进行分析．这样，区块链系统架构扩展为７层，如图１所示，主要包括：（１）应用层．基于区块链的各类应用，如数字货币、区块链金融、区块链征信等；（２）查询层．实现对交易账本数据的访问和验证，以及对账号状态的查询；（３）合约层．由脚本、算法机制和智能合约所构成的可编程基础框架；（４）激励层．负责为奖励记帐工作而进行货币发行、交易费用分配任务；（５）共识层．封装网络节点的ＰｏＷ、ＰｏＳ、ＤＰｏＳ和ＰＢＦＴ等各类共识算法，实现分布式共识机制；（６）网络层．封装Ｐ２Ｐ组网机制，数据传播机制和数据验证机制；（７）数据层．封装底层数据区块的数据结构和加密机制．当前的区块链系统大多基于该系统架构进行实现，其中数据层、网络层、共识层和查询层是区块链系统的必要元素．现有相关工作针对区块链系统不同层次的技术和区块链在各领域上的应用进行了大量研究与综述．对于区块链系统所包含的关键技术和研究现状，以及未来的发展趋势，袁勇等人［５］在区块链的基础架构模型方面对比特币的原理和技术进行了系统的阐述，何蒲等人［６］结合比特币系统介绍了区块链的概念和技术，并对前景进行了展望，邵奇峰等人［７］对比特币、以太坊和超级账本等多个区块链平台进行分析，总结了区块链的优势、劣势和发展趋势．在应用层方面，文献［８］对区块链在数字货币上的应用进行了全面的综述，刘敖迪等人［９］介绍了区块链技术在信息安全领域的研究现状和进展．由于区块链具有健壮的数据存储能力，因此相关研究工作在数据存储系统上进行区块链技术的应用［１０ １１］．对于合约层，贺海武等人［１２］结合多个领域应用场景对智能合约技术的概念、关键技术和面临的问题进行了阐述．此外，对于共识层、网络层和数据层，已有研究分别对区块链系统的共识机制［１３ １４］、安全机制［１５ １６］、网络协议［１７］、可信数据管理［１８］和查询处理［１９］进行了整理和综述．区块链在设计之初就是以进行防篡改的数据存储和管理为目的，分布式数据管理是区块链系统的主要功能之一．区块链技术中涉及分布式数据管理的部分主要集中在区块链架构的查询层、合约层、网络层和数据层，其中查询层和合约层在区块链系统中负责实现对数据的处理操作，如图１所示．本文主要以分布式数据管理为视角，基于对当前主流的区块链系统分析，对比不同区块链系统在数据管理上的差异，对其中分布式数据管理所涉及的数据存储技术、查询处理机制和算法进行阐述和分析，并对区块链研究中涉及分布式数据管理的挑战进行探讨，对各领域的应用进行展望．本文第２节对区块链系统的分布式数据管理机制进行分析，对比区块链系统和传统分布式数据管１３１期于　戈等：区块链系统中的分布式数据管理技术———挑战与展望理系统的异同；第３节介绍区块链系统的分类；第４节介绍区块链系统中的数据存储技术，包括物理存储结构，对比不同区块链系统在物理存储机制上的差异，以及区块链系统所采用的数据存储优化技术；第５节介绍区块链系统的数据查询处理技术；第６节探讨区块链系统在分布式数据管理方面所面临的研究挑战和发展方向；第７节展望区块链所支持领域应用的场景和待解决的问题；第８节总结全文．２　区块链系统的分布式数据管理区块链系统作为一种分布式数据库管理系统，主要以解决数字货币的货币转移、兑换和支付功能而被提出．区块链的特征主要体现在数据的公开透明、不可篡改和网络结构的去中心化等几个方面．由于区块链主要面向的是不可信数据存储环境下的记账应用，因此在数据存储上采用了去中心化、全副本的分布式方式，即所有参与方均通过Ｐ２Ｐ网络结构连接，并可以存储完整的共享账本．由此可见，区块链系统在管理交易记账上虽然使用了分布式数据管理方式，但与传统的集中式数据管理和分布式数据库系统管理数据的方式均有所差别．本节主要将区块链系统与传统数据管理方式进行对比和分析，并阐述彼此间的共同点和差异性．图２　记账业务流程对比２ １　区块链与传统分布式数据库的共同点区块链技术主要是针对现有金融机构的集中式记账系统的信任问题而被提出的，其本身是由分布式存储、Ｐ２Ｐ网络、加密算法、共识机制等多种技术所构成的．中本聪基于区块链技术设计并发行了数字货币“比特币”，用以解决美国次贷危机中所展现的金融机构信任问题．相比于金融机构的集中式记账系统，基于区块链技术的交易记账系统具有公开透明、去中心化、可溯源查询和不可篡改等诸多的优势，从而避免了集中式记账方式中账本的真实性高度依赖于对记账方信任的弊端．这里以电子商务的交易记账应用为例，对传统基于清算中心的集中式记账方式和基于区块链的分布式记账方式的记账业务流程进行对比．传统集中式记账方式如图２（ａ）所示，交易相关的账目数据集中存储在清算中心的数据库中，交易的参与各方如果需要调用完整的交易信息需要访问清算中心，其弊端主要体现在完全依赖于对清算中心记账方的信任，一旦记账方失信或遭受攻击，其保存的数据也随之失去可信性．区块链的分布式记账方式如图２（ｂ）所示，其中账本数据是整体共享的，以区块为单位通过密码学算法链接在一起，且网络中任何一个参与方均可以存储完整的共享账本副本，而数据的安全性则也是基于密码学算法予以保证．由于所有参与方均保存有共识后的共享账本，因此任何一个参与方进行双重支付或篡改账本数据的难度变得极大，从而保证账本数据在不可信环境中的可信性．区块链系统的分布式记账方式使其在数据存储管理的方式上与分布式数据库相同，即存储结构化的数据集合，这些数据逻辑上属于同一系统，物理上分布在计算机网络的各个不同场地上［１７］．区块链系统同样具有分布式数据库所具有的诸多特性：（１）分布性区块链系统与分布式数据库系统在数据的存储方面都是物理上分散、逻辑上统一的系统．区块链系统中具有全局统一的数据模式，数据以副本形式存储在参与节点中，每个参与节点存储的是数据模式相同且数据一致的共享账本．（２）透明性区块链系统在数据访问上具有透明性，用户看到的共享账本是全局数据模型的描述，就如同使用集中式数据库一样，在记录交易数据时也不需要考虑共享账本的存储场地和操作的执行场地．在数据复制方面，区块链系统的共享账本存储在各个参与节点上，并通过共识机制自动维护数据的一致性．２３计 算 机 学 报２０２１年（３）自治性区块链系统的参与节点具有高度的自治性．在通信方面，参与节点可以独立地决定如何与其他参与者进行通信；在查询方面，参与节点本地就保存了完整的共享账本，可以在本地执行对账本数据的访问．（４）可伸缩性区块链系统支持参与节点规模的任意扩展．区块链系统允许参与节点在任意时刻加入和退出系统．而且，由于区块链的参与节点保存的是完整共享账本，因此对于参与节点重新加入区块链系统后，仅需要从其他节点更新缺失的区块数据即可完成数据的重新分布，不会影响整体的系统性能．２ ２　区块链与传统分布式数据库的差异区块链系统原始的设计目的之一是解决非信任环境下数据的可信性问题．所谓的非信任环境是指负责数据存储的节点可能随意篡改数据而其他参与节点又无法识别，这将造成参与节点之间的互不信任问题．对于传统分布式数据库管理系统而言，系统建立在信任环境，其中参与节点采用统一管理的方式，节点之间具备完全相互信任的关系．因此区块链与传统的分布式数据库在数据管理方式上又具有显著的差异，如图３所示，具体体现在以下几个方面：（１）去中心化拓扑结构在参与节点的网络拓扑结构方面，区块链系统的去中心化结构采用了基于Ｐ２Ｐ的分布式模式，这种结构与基于Ｐ２Ｐ网络结构［２０］的数据库系统（Ｐ２ＰＤＢＳ）［２１ ２２］相似．如图３（ｂ）所示，区块链节点通过通信控制器（ＣＭ）仅基于邻居地址进行通信，其加入和退出都是随意和动态的．传统分布式数据库虽然数据分布在不同的场地，但是通常采用中心化的主从结构，由全局的网络管理层存储各个局部数据库节点的地址和局部数据的模式信息，以用于查询处理时进行全局优化和调度，如图３（ａ）所示．（２）数据分布方式分布式数据管理的数据存储方式，通常分为两类［２３］：①分割式．数据被划分成若干个不相交的分片，分别保存在不同的节点上，数据的划分方法分为水平分片和垂直分片；②复制式．同一个数据分片保存在一个以上的节点上，复制方式分为部分复制和全复制．分割式能够节省数据的存储空间，查询时需要在节点间传输数据，虽然使用半连接等算法可进行优化，但效率依然较低．复制式通过多节点的数据冗余存储可提高查询效率，但耗费存储空间且需要维护数据一致性．区块链系统的数据分布采用的是全复制式，即每个参与节点都在本地复制了具有全局模式的全部数据．因此，数据在区块链系统中是全局共享的，如图３（ｂ）所示．相比于区块链系统，传统分布式数据库的分布方式主要基于在全局模式创建局部模式，再对数据进行垂直分片和水平分片，如图３（ａ）所示，每个节点存储的是全局数据分片的副本，再通过数据分片的元信息管理实现全局数据的访问和查询处理．当前很多基于分布式数据库技术的大数据存储系统，如ＨＢａｓｅ①等，均采用集中式的元信息管理节点管理数据副本的分布信息．图３　区块链系统与传统分布式数据库系统对比（３）数据查询处理区块链系统中对账本信息的查询处理通常在存３３１期于　戈等：区块链系统中的分布式数据管理技术———挑战与展望①ＡｐａｃｈｅＨＢａｓｅＲｅｆｅｒｅｎｃｅＧｕｉｄｅ．ｈｔｔｐ：／／ｈｂａｓｅ．ａｐａｃｈｅ．ｏｒｇ／ｂｏｏｋ．ｈｔｍｌ储了完整共享数据的参与节点本地执行．由于区块数据采用基于文件的存储方式且本身缺少索引结构，因此在区块链上直接执行对账本查询只能使用顺序扫描的方式访问所有区块数据．目前区块链系统常用的查询优化方式是将账本记录存储在Ｋｅｙ Ｖａｌｕｅ数据库中，以提高数据的访问效率．当前，比特币和以太坊等系统都使用了ＬｅｖｅｌＤＢ①存储和检索数据．需要说明的是，在以太坊这类支持智能合约的第二代区块链系统中，智能合约代码的执行处理是嵌入在区块链记账功能中的．因此，对智能合约代码的调用是在所有参与进行共识验证的节点上执行．传统分布式数据库的查询处理主要基于数据副本的大小和分布场地进行优化［２４］，而在面向大数据的分布式数据库上则采用基于并行计算思想的查询优化方法［２５］．（４）数据一致性维护数据一致性是保证数据正确性和可信性的关键，区块链系统采用共识机制来保证各节点上数据的一致性．在数字货币的应用中通常采用工作量证明机制（ＰｏＷ）通过算力竞争保证分布式的一致性［２６］，如解决基于ＳＨＡ２５６、Ｅｔｈａｓｈ②等算法的数学难题，而从节约能耗的角度，则会采用权益证明机制（Ｐｒｏｏｆ ｏｆ Ｓｔａｋｅ，ＰｏＳ）和授权权益证明机制（ＤｅｌｅｇａｔｅｄＰｒｏｏｆ ｏｆ Ｓｔａｋｅ，ＤＰｏＳ）等③方法．其中，使用工作量证明机制进行一致性维护的最大问题在于共识的效率过低，一个区块的一致性需要在其后生成一定长度的后续区块之后才能够被确认．分布式数据库系统通常采用包括实用拜占庭容错ＰＢＦＴ［２７］、Ｐａｘｏｓ［２８］、Ｇｏｓｓｉｐ［２９］、ＲＡＦＴ［３０］等高效的算法维护数据的一致性，而这些算法也被一些面向联盟链应用的区块链系统所采用．（５）数据安全性机制区块链系统在安全性方面主要为用户提供了数据篡改验证、数据溯源和加密安全机制．数据的篡改可以通过校验前后区块的哈希值进行验证，因此要篡改数据并被所有参与者认可就需要在算力上付出高昂代价以重新生成区块，其难度相比传统的集中式和分布式数据库都要大很多．但是在数据的可访问性上，由于区块链的共享性，所有用户均可访问完整数据，而传统数据库管理系统则基于用户身份验证方式控制数据的访问．为了解决共享数据上的隐私安全性问题，区块链采用了基于非对称加密的交易方式实现匿名交易，其优点是很好地保护了用户隐私，缺点是一旦密钥丢失，用户的账号信息将无法恢复．综上所述，区块链系统相比传统分布式数据库系统，在记账方式上提供了更好的分布性、透明性和可信性，在功能上提供了防篡改验证机制和智能合约机制，因此更加适合在非可信环境下的匿名使用．另一方面，相比传统的分布式数据库系统，区块链系统在网络结构、数据存储和访问方式上也具有显著的差异．３　区块链系统的分类３ １　区块链系统部署方式的分类区块链系统根据其分布式部署方式和开放对象被划分为三种：“公有链”（ＰｕｂｌｉｃＢｌｏｃｋｃｈａｉｎ）、“联盟链”（ＣｏｎｓｏｒｔｉｕｍＢｌｏｃｋｃｈａｉｎ）和“私有链”（ＰｒｉｖａｔｅＢｌｏｃｋｃｈａｉｎ）．三类区块链系统的对比如表１所示．表１　各区块链系统类型对比公有链联盟链私有链网络结构完全去中心化部分去中心化（多）可信中心节点规模无控制可控有限加入机制随时可以参加特定群体或有限第三方机构内部节点记账方任意参与节点预选节点机构内部节点数据读取任意读取受限读取受限读取共识机制容错性高、交易效率低（ＰｏＷ或ＰｏＳ等）容错性和交易效率适中（ＰＢＦＴ，ＲＡＦＴ）容错性低、交易效率高（Ｐａｘｏｓ，ＲＡＦＴ）激励机制有代币激励无代币激励无代币激励代码开放完全开源部分开源或定向开源不开源（１）公有链公有链是对所有人开放的，任何互联网用户都能够随时加入并任意读取数据，能够发送交易和参与区块的共识过程．比特币和以太坊等虚拟货币系统就是典型的公有链系统．公有链是完全去中心化的结构，其共识机制主要采用ＰｏＷ、ＰｏＳ或ＤＰｏＳ等方式，将经济奖励和加密算法验证相结合，以保证经济奖励和共识过程贡献成正比．此外，公有链中程序开发者对系统的代码是完全开源的，而且开发者无权干涉用户．在分布式数据管理方面，公有链系统的优势和缺陷主要包括以下几个方面：４３计 算 机 学 报２０２１年①②③ＬｅｖｅｌＤＢ．ｈｔｔｐ：／／ｌｅｖｅｌｄｂ．ｏｒｇ／ＲａｙＪ．Ｅｔｈａｓｈ．ｈｔｔｐｓ：／／ｇｉｔｈｕｂ．ｃｏｍ／ｅｔｈｅｒｅｕｍ／ｗｉｋｉ／ｗｉｋｉ／ＥｔｈａｓｈＢｉｔｓｈａｒｅｓ．ＤｅｌｅｇａｔｅｄＰｒｏｏｆｏｆＳｔａｋｅ．ｈｔｔｐ：／／ｄｏｃｓ．ｂｉｔｓ ｈａｒｅｓ．ｏｒｇ／ｂｉｔｓｈａｒｅｓ／ｄｐｏｓ．ｈｔｍｌ。

区块链技术的实现与应用第一章：区块链技术的基础理论区块链技术是一种分布式数据库技术，是一种去中心化的账本技术，是一种基于密码学技术的独特创新。

它的核心技术包括共识算法、密码学算法等。

1.1 共识算法共识算法是区块链技术的核心之一，是保证数据一致性和完整性的关键技术。

在区块链网络中，存在多个节点，每个节点都需要对同一个区块链上的数据进行验证和共识，以保证数据的一致性和完整性。

常用的共识算法包括工作量证明算法（PoW）、权益证明算法（PoS）、拜占庭容错算法（BFT）等。

1.2 密码学算法密码学算法是保证区块链网络安全的关键技术。

在区块链网络中，数据的隐私和安全非常重要。

常用的密码学算法包括哈希算法、公钥密码学算法等。

第二章：区块链技术的实现技术区块链技术的实现技术有很多种，包括以太坊、比特币、超级账本等。

不同的区块链实现方案有着不同的特点和应用场景。

2.1 以太坊以太坊是一种基于智能合约的区块链技术，是目前应用最广泛的一种区块链实现方案。

以太坊具有高可扩展性、程序化合约、智能代币等特点。

2.2 比特币比特币是一种最早的区块链实现方案，是一种去中心化的数字货币。

比特币具有匿名性、去中心化、无需第三方信任等特点。

2.3 超级账本超级账本是一种基于联盟链的区块链实现方案，主要应用于企业级应用。

超级账本具有高度安全性、高吞吐量、可编程智能合约等特点。

第三章：区块链技术的应用场景区块链技术可以应用于金融、物流、医疗、版权保护等多个领域，具有广泛的应用前景。

3.1 金融在金融领域，区块链技术可以实现跨境支付、证券交易、借贷等业务，具有降低成本、提高效率、增强透明度等优势。

3.2 物流在物流领域，区块链技术可以实现物流跟踪、货物溯源、数据共享等业务，具有提高效率、减少依赖信任、增加安全性等优势。

3.3 医疗在医疗领域，区块链技术可以实现电子病历、医疗数据共享、药品溯源等业务，具有保障数据隐私性、提高数据可靠性、扩大医疗服务范围等优势。

分布式存储与区块链的关系展开全文我们常常说区块链是分布式数据库，但在这前面要加上“特殊的”这三个字。

因为区块链与传统的分布式数据库还是有区别的。

分布式数据库是将数据分割开来，存储在不同的数据库服务器中，数据多了就多用个服务器。

当然，实际当中并不是这么简单的，我们还要考虑服务器之间的链接，怎样快速查找数据等等。

在分布式数据库中，负责存储的服务器节点只存储一部分数据，节点之间是彼此信任的，这些节点组合成一个完整的数据库。

公有链运用了分布式存储的技术，它提高了每个节点的权限，每个节点都是个独立的个体。

与传统分布式数据库最大的区别是：公有链的节点是彼此制约的。

公有链的节点他们各自就是一个完整的数据库，可以存储公有链上所有的区块数据。

由于各节点相互独立，区块链才被称为一个去中心化的分布式数据库。

公有链相对于传统的分布式数据库，有着明晰的优势，由于数据确认需要一半以上的节点共识，使得数据具有不可篡改的特点，而且由于数据存在于多个节点，使得数据理论上是永远不会丢失的。

然而，为了这些优势，公有链存在一些短板。

首先，由于每个模块的生成需要多方确认，使得数据生成的效率降低。

再一个，虽然区块链采用加密技术来保障用户隐私，然而，由于每个节点都能获得完整的数据，数据是公开的，使得一旦用户泄露了自己的地址，别人就能很容易地知晓其交易记录。

传统的云存储方式使用中心化服务器存储数据。

自2006年亚马逊推出AWS并获得成功后，各大云服务平台如雨后春笋般相继诞生。

短短数年间，大多数数据都存储在了少数几个云平台中，这就导致数据存储出现严重的中心化，由此产生了各种各样的隐患，目前主要表现在4个方面：1.成本较高：固定成本不变甚至逐渐增加，使中心化云服务价格较高。

另外，在不同中心化云存储平台之间的数据迁移成本也居高不下。

2.数据传输速度慢：中心化云服务器机房通常位于偏远地区，距离实际用户很远，使其数据传输速度较慢。

3.安全性低：在物理位置上，中心化云服务器集中在一处或几处，一旦发生停电等故障，往往会导致大量相关业务瘫痪。

区块链技术实际应用案例及优势
区块链技术作为一种去中心化、分布式的数据库技术，具有创新、高效、安全等特点，在各行各业都有着广泛的应用。

以下是一些区块链技术的实际应用案例及优势:
1. 金融服务：区块链技术可以用于金融领域的去中心化交易、智能合约等应用，从而提高交易效率和安全性。

例如，迪拜金融市场管理局已经采用了区块链技术来管理债券发行。

2. 物联网：区块链技术可以用于物联网设备之间的去中心化通信和数据共享，从而提高设备之间的协作效率和安全性。

例如，德国物联网公司 RWE 已经采用了区块链技术来管理能源交易。

3. 公共服务：区块链技术可以用于公共服务领域，例如公共图书馆、医疗保健等。

通过区块链技术，可以提高公共服务的效率、降低成本、提升安全性。

例如，爱尔兰公共服务委员会已经采用了区块链技术来管理公共服务。

4. 社会公益：区块链技术可以用于社会公益事业，例如慈善机构、公益事业等。

通过区块链技术，可以提高公益事业的透明度、降低成本、提升安全性。

例如，新加坡红十字会已经采用了区块链技术来管理捐赠资金。

5. 供应链管理：区块链技术可以用于供应链管理，例如商品溯源、智能合约等应用，从而提高供应链的透明度、降低成本、提升安全性。

例如，IBM 已经推出了供应链管理解决方案。

总的来说，区块链技术具有去中心化、不可篡改、可追溯、安全
性高等特点，可以帮助企业在业务流程、运营成本、协同效率等方面提高效率和降低成本，提高企业的竞争力。

区块链的特点与应用场景随着信息时代的发展，新兴技术层出不穷。

其中，区块链技术作为近年来的一种重要技术，备受关注。

那么，什么是区块链？它有什么特点？如何应用呢？下面，我将从这三个方面来探讨。

一、区块链的特点区块链是一种分布式数据库技术，它采用去中心化的方式管理数据，实现了信息的去中心化、去信任化、去中介化等。

比传统的集中式数据库技术更加安全可靠，更加透明和公正，不易被篡改和出现单点故障。

其核心技术就是不断链式地将区块按时间顺序串联起来，形成一个不可篡改、不可逆转的数据库。

每个区块包含一些数据，以及对上一个区块的指向，形成了一个分布式的账本系统。

它采用加密算法对数据进行保护，只有正确的密码才能对数据进行更改，从而确保了账本的安全。

二、区块链的应用场景（一）数字货币领域区块链最著名的应用场景就是数字货币，比特币就是其中之一。

它实现了去中心化，没有了中央银行的干预，变成了一种去信任、去中介的电子支付系统，使得支付更加方便和安全。

（二）物联网领域物联网的出现让各种设备互相连接，使得数据传输更加高效和智能化，但同时也带来了安全风险。

区块链作为一种安全稳定的数据库技术，可以提供可靠的数据存储和传输方式，从而弥补了传统的中心化方案的不足。

（三）数字版权领域数字版权的保护一直是个难题，因为互联网上很多内容的来源都不可知。

而区块链技术可以保证每个数字版权的来源都被记录在区块链上，从而防止版权的侵犯和未授权转载。

（四）供应链管理领域供应链管理是企业中非常重要的一个环节，它关系到企业整个生产和运营的效率，以及产品质量的保证。

而采用区块链技术，可以实现信息的透明化和安全性的保证，防止不法分子对供应链进行篡改。

三、未来区块链的发展与应用区块链技术还在不断地创新和开发。

未来，人们可以利用区块链技术来实现更多的应用场景，包括医疗卫生领域、智能合约、金融交易等。

同时，也要深挖它的潜力，从中发掘更多的价值。

总之，区块链技术以其独特的特点和应用场景，成为数字时代中的重要工具，其应用范围还将不断扩大。

区块链技术介绍与应用区块链技术，又称区块链，是一种分布式数据库技术，通过加密并链接在一起的数据块，实现了去中心化和防篡改的特性。

它的核心思想是把数据分布在整个网络中，每个节点都有一份完整的数据备份，并且通过密码学的方式保证数据的准确性和安全性。

区块链技术是区块链数字货币（比特币、莱特币等）的基础，也被广泛应用于金融、医疗、物流等领域。

一、区块链技术的特点1、去中心化。

区块链技术的最大特点是去中心化，即不需要中心化的服务器或管理系统，而是分布在整个网络中的众多节点管理和维护数据。

这样做可以避免单点故障，并且实现数据的高可靠性和高可用性。

2、分布式数据库。

区块链技术使用分布式数据库，所有数据都被复制在网络中的每个节点，每个数据块都有唯一的编码，可以通过区块链的搜索引擎进行查询。

3、安全性。

区块链技术是一种密码学技术，通过公钥私钥和哈希算法，保证了数据的安全性，防止数据被篡改、删除、冒充等。

4、不可篡改性。

区块链技术的数据是永久可追溯的，一旦写入区块链之后，就无法修改或删除。

这保证了数据的完整性和可信性，并且可以避免数据的篡改、造假、丢失等问题。

二、区块链技术的应用1、数字货币。

区块链技术的最早应用是比特币，它是一种去中心化的数字货币，使用区块链技术对交易数据进行安全和透明记录，来保证交易的可信度和安全性。

2、物流。

在物流领域，区块链技术可以通过智能合约，实现协同运输、货物追踪、温度监控等功能，对物流作业流程进行优化，提高配送效率和降低成本。

3、医疗。

在医疗领域，区块链技术可以通过数字身份验证、隐私保护等技术，实现医疗数据管理和共享，为医疗服务提供更安全、可靠、高效的数据支持。

4、金融。

区块链技术在金融领域的应用较为广泛，可以实现身份认证、交易清算、资产管理等功能。

比如在区块链上进行股权融资、债券交易等，可以实现资产的流转和交易的透明化。

5、知识产权。

区块链技术也可以应用于知识产权领域，可以通过智能合约、加密技术、时间戳等手段保护知识产权，实现知识产权的溯源和保护。