面向区块链系统的可验证查询优化研究

作     者：孙文鹏 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李京

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)] 

主      题：区块链 可验证查询 Merkle树 布隆过滤器 向量承诺 

摘      要：近年来,随着区块链技术的快速发展,各种应用场景下对链上数据的查询需求不断增加。在当前主流的公有区块链中,由于存储和计算资源有限,多数用户会作为轻节点参与网络,该种节点只存储区块头中的数据,在有查询需求时会向存有全部数据的全节点发起查询。由于区块链网络中的节点互不信任,区块链系统需要为轻节点提供可验证查询服务,以保证查询结果的完整性。然而,因为轻节点持有的信息有限,现有的可验证查询方案往往需要进行额外的计算或传输大量的验证信息,严重影响了方案的实用性。因此,本文对区块链上的可验证查询优化问题展开研究,提出了两种高效、轻量的查询方案,以支持可验证的布尔范围查询。本文的主要研究内容如下:1.针对区块链中轻节点的可验证查询性能问题,提出一种基于Merkle树的可验证查询方案,以提高查询性能,减少查询开销。该方案将查询过程分为块间过滤和块内查询两阶段:对块内查询阶段,设计了一种简化的Merkle-B树结构,可以在加快查询效率的同时,减少查询每个区块时生成的验证信息数量;对块间过滤,通过将Merkle树分别和布隆过滤器、位图融合,设计了两种高效可验证结构,可以批量过滤无效区块,加速查询过程。该方案还设计了基于固定窗口的优化方法,以进一步提高查询性能。实验结果表明,相较于现有方案,基于Merkle树的可验证查询方案将查询性能最高提升了 98%,验证信息大小减少了 58%。2.针对移动设备作为轻节点时网络带宽有限的场景,利用向量承诺技术,提出一种对通信友好的可验证查询方案,以进一步减少传输的验证信息大小。该方案基于向量承诺和B+树设计了一种新型可验证结构Verkle-B树,同时利用向量承诺对前文的块间验证结构进行了优化,这些新型验证结构可以通过增加扇出的方式来减少证明数据。该方案还设计了对单个证明的聚合方法以及轻节点的异步验证方案,以减少向量承诺带来的性能影响。实验结果表明,相较于前文方案,基于向量承诺的可验证查询方案将传输的验证信息量进一步降低了 17%,移动设备的查询响应速度提升了 14%。