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加密区块链数据库详解(第一部分)

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区块链数据库是将区块链和数据库的属性结合起来的存储系统,如去中心化、抗篡改、低查询延迟和支持复杂查询。随着它们得到更广泛的采用,人们对它们管理的数据的保密性的担忧也会增加。已经有多个项目使用区块链来存储敏感数据,例如电子医疗保健和财务记录,法律文件和客户数据。

在本文中,我们讨论了我们的新论文《加密的区块链数据库》,其中我们设计了端到端加密的区块链数据库,以支持需要存储和查询敏感数据的去中心化应用程序。特别是我们专注于我们所称的区块链加密多映射(EMM),它可用于实例化各种NoSQL区块链数据库,如键值存储或文档数据库。

密码学领域的重点是端到端加密数据库的设计,更广泛地说,是对加密数据的搜索问题,这一领域被称为加密搜索。关于这个领域的介绍,请参阅布朗大学加密系统实验室的这一系列博客文章。特别是第五篇文章,描述了一个标准的/集中的EMM的构造(在这篇文章中称为加密数据库(EDB))。

加密多重映射

NoSQL数据库由于其简单性、可扩展性和高性能保证,近年来在数据库行业中越来越突出。各种NoSQL数据库,如键值存储(例如DynamoDB)和文档数据库(例如MongoDB),可以用多映射数据结构实例化。多重映射是将标签映射到值元组的字典的泛化。它们支持get和put操作,在给定标签的情况下,可以存储或检索与标签相关联的值的元组。加密多映射(EMM)是一种端到端的加密多映射,它支持get和put操作,但对加密数据进行过度加密。由于多个映射可以用来表示NoSQL数据库,因此设计区块链加密的NoSQL数据库本质上与设计区块链EMM相同。

旧版友好

设计区块链EMM有两种主要方法。首先是设计一个专门支持EMM的新区块链。这种方法的优势在于可以共同设计EMM和区块链以优化性能。第二种方法是设计一种对传统友好的解决方案,因为它可以在已有的区块链之上使用。这种方法的优势在于,区块链EMM可以建立在多个平台之上,无需建立新的区块链。然而,第二种方法存在一些挑战:

1. 我们如何在区块链上存储数据结构?特别是,如何存储加密的多映射数据结构?大多数现有区块链旨在存储金融交易或智能合约的状态,但不是任意的数据结构。


2. 由于区块链在设计上是防篡改的,我们如何更新EMM,尤其是如何从中添加/删除数据?

另外一个简单的解决方案如下:每次更新时,我们都可以从区块链读取整个EMM,进行必要的更改,然后将其写回一个全新的EMM。这是查询正确性的理想解决方案,因为每个查询总是从最新的EMM中读取。然而,这种解决方案对于更新操作效率极低,因为每次更新操作都必须读取和写回整个结构。因此,我们还需要考虑以下第三个挑战:

如何针对查询和更新复杂性设计高效的区块链EMM?

在描述我们的区块链EMM构建之前,让我们先讨论一下第一个挑战——第二个和第三个挑战更为棘手,因此我们将在详细描述构建本身时解决它们。

区块链上存储任意数据结构

大多数区块链(例如比特币,以太坊,Algorand)都允许用户在交易中存储任意数据。由于在单个事务中只能存储有限数量的数据,因此必须在多个事务中拆分大型数据结构。然后问题变成:

我们如何将这些事务链接在一起以构建任意数据结构?

要回答这个问题,请首先注意,可以通过将以前事务的“地址”存储在较新的事务中来链接事务。利用这一特性,我们将在区块链顶部叠加一个数据结构,这样我们就可以更新和查询数据结构,而不必对后端(区块链)进行任何修改。在下面,我们提供了一个简单的示例,演示如何叠加一个链接列表。为了在区块链上存储一个值为V=(v1,…,vn)的列表,我们执行以下操作(请参阅图1了解此过程的说明):

1. 将每个值vi与存储vi-1的先前事务的地址ri-1连接起来。


2. 使用vi || ri-1创建一个新交易,并将其发送到区块链。这将生成ri,即新交易的地址。


3. 对所有值重复此操作。


4. 最后,存储与客户的最后一笔交易的地址rn。

要读取值,请执行以下操作:

1. 将rn发送到区块链以恢复值vn和地址rn-1。


2. 然后使用rn-1恢复vn-1和rn-2。


3. 继续此过程,直到已读取所有值。

加密区块链数据库详解(第一部分)
「新三板」

类似地,我们可以在区块链上叠加更复杂的数据结构,例如二叉树。这可以通过将两个地址连接到每个值来完成:一个用于其左子项,一个用于其右子项。如图2所示。

加密区块链数据库详解(第一部分)
「新三板」

智能合约的局限性

对于支持智能合约的区块链,另一种方法可能是将整个数据结构存储为智能合约的状态,并将查询和更新操作作为智能合约来实现。不幸的是,这种方法有两个主要的局限性。首先它不是通用的,因为(1)许多区块链不支持智能合约(例如比特币),以及(2)许多智能合约平台不维护跨交易的状态(例如Algorand)。第二个限制与使用此类平台的成本有关。事实上,智能合约平台不仅需要支付存储数据和代码的费用,还需要支付执行代码的费用;代码越复杂,成本就越高。请注意,我们将数据结构叠加在区块链之上的第一种方法不仅通用,而且成本更低,因为我们可以将数据存储在交易中而不是智能合约,并且不需要在区块链上执行任何代码 。

在本系列的下一部分中,我们将描述三种在区块链上存储动态emm的方案,每种方案在查询、添加和删除效率之间实现了不同的权衡。

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