基于编码区块链的文件存储方案研究与设计

作     者：于瑞泽 

作者单位：中原工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：杨昌霖;高继勋

授予年度：2023年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：文件存储 区块链 纠错编码 编码区块链 存储缩减 

摘      要：在信息时代,可靠和隐私保障的数据存储和分发是一个关键挑战,需确保数据在存储和传输期间不被篡改或窃听。利用区块链存储重要文件是一个非常有前景的解决方案。随着区块链技术的不断发展,区块链不在局限于加密货币这一金融领域,而是即将进入到智能化领域,即区块链3.0。区块链3.0将区块链技术应用到更广阔的领域,为各行各业以及个人提供真实的价值服务。区块链文件存储是区块链应用的研究热点之一。区块链所具备的去中心化、信息防篡改、高冗余存储的特点非常适合存储高价值数据。但基于传统区块链的文件系统存在扩展性问题,无法支持在链上存储大量数据,同时在常用设备上难以存储区块链。针对上述问题,本文提出了一个利用纠错码的编码区块链文件存储系统解决方案。本文的主要内容如下:(1)设计了一个基于编码实用拜占庭容错的安全服务器-客户端存储系统(Secure Server-client Storage System based on Coded Practical Byzantine Fault Tolerant,4SCPBFT)。4S-CPBFT系统中提出了文件编码存储方案(Coding File Storage,CFS)和编码共识协议(Coding PBFT,C-PBFT)。CFS方案使用纠错编码技术,由服务器节点将文件编码成为编码片段。4S-CPBFT系统存在两条链分别为:链一存储原始文件,区块链节点由服务器节点组成;链二存储编码片段,区块链节点由领导节点(在服务器节点中选举产生)与客户端节点组成。CFS方案还设计了编码默克尔树(Coding Merkel Tree,CMT)来验证编码片段的合法性,以及文件解码来实现文件恢复需求。此外,C-PBFT共识协议基于PBFT共识协议设计而来,被用于实现4S-CPBFT系统中数据的分发,是数据存储过程中最后部分,也是最重要部分。(2)针对4S-CPBFT系统的扩展性进行了研究,设计了动态调整的编码分配算法以及可扩展的CMT构造算法以满足系统扩展性需求。对于支持扩展的4S-CPBFT系统还优化了文件解码并进行了系统的安全性分析。(3)通过仿真实验对4S-CPBFT系统中的动态调整的编码分配算法的系统存储开销、C-PBFT共识中的通信开销以及RS纠错编码器进行了验证分析。结果表明,4S-CPBFT系统的存储开销相较于传统区块链由O(n)降低至O(1),这有效解决了使用区块链进行文件存储时的可扩展性问题。C-PBFT共识协议将数据分发时的通信开销最高降低至12.7倍。此外,设计的RS纠错编码器实现了文件的编码,并确保了编码数据的隐私性。