区块链分片技术综述

区块链作为分布式账本的关键技术之一,其去中心化、可匿名、不可篡改的特性受到学术界和工业界的青睐,被广泛应用于金融、数字货币、公共服务等领域。分片技术作为区块链扩容的主流方式之一,能够在不降低区块链去中心化程度的同时实现高性能的链上扩容,从而解决区块链可拓展性不足以及吞吐量较低的问题。介绍近年来出现的分片技术以及相关协议,总结分片技术的关键理论与方法,从分片配置、重配置、片内共识协议、跨片共识协议、状态存储等方面对分片技术方案进行对比,归纳不同分片方案在网络分片、交易分片、状态分片等设计中存在的优势和不足。同时,阐述一些经典分片技术在性能和实现方式上的特点,对许可区块链和无许可区块链、片内共识协议、跨片共识协议、准入性方案、状态分片方式等进行分析和概述。在此基础上,从分片内、分片间以及系统层级的角度总结分片技术当前所面临的困境和挑战,并对该领域的发展前景及未来研究方向加以展望。     

一种基于数据热点的MongoDB负载均衡策略

MongoDB作为一种新兴的NoSQL数据库,以其模式自由、文档式存储、故障自动恢复、良好的水平扩展、自动负载均衡等特点深受国内外市场的青睐.MongoDB自带的负载均衡策略能使各个节点数据量达到平衡.但是在实际的生产环境中,节点之间数据访问热度不同也会导致负载失衡,特别是出现节点过热的情况.针对这一问题,引入Markov随机过程,提出一种基于Markov预测模型的负载均衡策略,根据Markov模型的稳态概率向量预测各个分片的负载并进行数据迁移.通过实验,验证了当各个分片间出现节点过热时,所提出的负载均衡策略能够很好地使分片间的负载达到基于访问热点的均衡.     

区块链可扩展性研究：问题与方法

区块链技术作为分布式账本的关键技术之一,其在不依赖于任何第三方可信机构的前提下,解决开放网络中的信任问题,去中心化的特点使其有着广泛的应用前景,但面临着可扩展性不足的瓶颈.目前,区块链可扩展性的瓶颈主要体现在2个方面：性能效率低下、功能难以扩展.以比特币为例,从性能上讲,当前仅支持7笔/秒的交易吞吐量,显然无法满足现今数字支付的场景,也无法承载在数字支付领域外的其他应用.从功能上讲,当前不同区块链系统之间的资产或数据难以交互.在现实情况中,不同的区块链系统承载着不同的业务和需求.为此,需要实现链与链之间的交互,才能打通不同区块链之间的信息或价值通道,避免每一区块链成为信息或价值孤岛,并在此基础上实现价值互联网.区块链可扩展性的研究已经引起了学术界及产业界越来越多的关注,将从区块链性能提升及功能扩展2个角度出发,分别介绍区块链可扩展性领域的相关技术和研究进展,其中包括3类当前主流的、提升区块链交易吞吐量的方案：链下支付网络、Bitcoin-NG和分片机制;以及4类代表性的、实现区块链功能扩展的跨链互通技术.分析对比不同方案的特性、适合场景及可能存在的不足之处,并在此基础上给出进一步研究方向.     

基于K-means的SAMP系统数据库查询性能优化策略

中科院仪器设备共享管理平台（以下简称为SAMP）系统有效解决了各科研单位间仪器设备管理封闭、共享困难和运行效率低的棘手问题.同时,可以及时了解各类仪器的使用情况、共享情况,为各级业务主管部门展开科学高效的管理工作提供良好的决策依据.当SAMP系统应用数据库中存储的数据量达到百万级时,对数据库中预约表和用户表（或仪器表）进行连接查询时,将导致数据表查询性能的下降,从而影响整个SAMP系统的性能.目前主流的解决方案是采用Hash取模算法对数据表进行水平切分,但预约表中的主键为自动递增的整数,并没有实际意义,所以优化效果不理想.由于预约的用户和被预约的仪器在地理区域上呈现一定的聚集性,因此本文提出了一种基于K-means聚类算法的分表策略,采用该策略能够将预约表的查询性能提升至少70%.     

区块链赋能的高效物联网数据激励共享方案

近年来,随着大量设备不断地加入物联网中,数据共享作为物联网市场的主要驱动因素成为了研究热点.然而,当前的物联网数据共享存在着出于安全顾虑和缺乏激励机制等原因导致用户不愿意参与共享数据的问题.在此背景下,区块链技术为解决用户的信任问题和提供安全的数据存储被引入到物联网数据共享中.然而,在构建基于区块链的安全分布式数据共享...     

BETASCO: 面向智能合约分片的联盟区块链系统

基于区块链的去中心化应用已在加密数字货币、云存储、物联网等多个领域提供健壮、可信且持久的服务, 然而区块链的吞吐能力难以满足去中心化应用日益增长的性能需求. 分片是当前主流的区块链性能优化技术, 但现有的区块链分片主要面向用户和用户之间的转账交易, 并不完全适用于以智能合约调用交易为主的去中心化应用. 针对此问题, 设计并实现面向智能合约分片的联盟区块链系统BETASCO. BETASCO为每个智能合约提供一个分片作为独立执行环境, 通过基于分布式散列表的合约定位服务将交易路由至目标智能合约所在的分片, 并通过智能合约间的异步调用机制满足跨智能合约的通信和协作需求. BETASCO通过节点虚拟化允许一个节点加入多个分片, 支持同一组节点上多个智能合约的并行执行. 实验结果表明, BETASCO整体吞吐能力可随智能合约数量的增加而线性增长, 且执行单个智能合约的吞吐能力与HyperLedger Fabric相当.     

基于键值状态分片的HyperLedger Fabric性能优化

HyperLedger Fabric是受关注度较高的开源联盟区块链.针对现有区块链分片方法不适用于Fabric三阶段交易模型的问题和分片粒度过粗导致存在热点访问的问题,提出一种基于Fabric实现的细粒度键值状态分片方法.首先,详细设计了Fabric在键值状态分片下的跨片交易处理,引入跨分片排序节点和两阶段提交处理流程,高效保证跨片交易的一致性和原子性.然后,针对细粒度分片可能导致交易跨片概率上升进而影响性能的问题,提出启发式的交易提案路由表,旨在减少预执行阶段交易的跨片读数据请求,降低计算资源和网络资源的消耗.最后,在Fabric仿真系统上实现改进的分片方案并进行性能测试.实验结果表明,该方法在提升Fabric性能的基础上,有效解决了热点访问问题和高跨片交易占比下的性能下降问题.     

星型区块链架构的TKM分片算法

区块链系统的通量严重不足,而解决此问题最有效的一类方案是并行化处理,并行化方案主要为星型架构,当前星型架构对系统中节点的分片方式多为账户随机分片,这种分片方式的系统通量仍然不足。针对此问题,提出了一种基于星型结构的TKM分片算法,该算法将原始K-means聚类算法进行改进,并运用在节点分片上。TKM分片算法将聚类算法与区块链的网络分片技术相结合,使节点根据地理位置进行分片,极大提高邻近节点发生的交易为片内交易的概率,从而提高系统通量,同时在原始算法的基础上引入了时间戳,减少了恶意节点的攻击。仿真实验表明该算法与传统的随机分片算法相比,最大系统通量提高了20%。根据上述通量模型,通过实验得出基于TKM算法的星型区块链系统的最优分片数量。     

从扩展性角度看区块链

区块链集成密码学、分布式共识、P2P网络和时间戳等技术,可实现数据一致存储、难以窜改和防止抵赖等功能,解决了开放网络中不依赖任何可信第三方的信任问题。去中心化的特性使得区块链具有广阔的应用前景,但随着应用的深入与拓展,扩展性问题已成为挖掘区块链技术潜力的一个关键挑战。区块链本质上仍是分布式系统,基于此,从分布式系统的扩展性角度对区块链的研究工作进行综述,基于链上扩展、链下扩展和跨链扩展三个方面论述了区块链可扩展的思路和方法,总结了近年来的研究成果;通过对现有解决方案的总结分析,探讨了提高区块链可扩展性所面临的问题和未来的研究趋势。     

移动通信基站天线参数管理系统数据库设计

移动通信基站的维护与优化以基站参数为重要依据?提出一种基于面向文档的 NoSQL数据库对采集的数据信息进行处理的方式,重点对数据库模型的设计?数据库的备份恢复及分片技术进行分析研究?通过实际验证,管理系统在此数据库的支持下能够实现数据的有效存储与查找?