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基于区块链的数据同步技术研究.pdf
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1、科技与创新Science and Technology&Innovation1142023 年 第 20 期文章编号:2095-6835(2023)20-0114-03基于区块链的数据同步技术研究范义杰1,赵昶宇2(1.陆装驻天津地区军代室,天津 300240;2.天津津航计算技术研究所,天津 300308)摘要:为了提高分布式系统的稳定性和可用性,并解决系统可能出现的单点故障问题,提出了一种基于区块链的分布式系统数据同步方法。区块链具有去中心化、去信任化、可扩展、匿名化、安全可靠等特点,是一种新型的分布式系统,并且极大地促进了分布式计算领域的发展。描述了区块链的组织结构和技术原理,并基于区块
2、链的共识机制,介绍了区块链的数据同步技术。关键词:区块链;同步通信;分布式系统;共识机制中图分类号:TP309文献标志码:ADOI:10.15913/ki.kjycx.2023.20.034随着计算机业务功能复杂程度的不断提升,对应的服务也变得越来越复杂,传统单台机器的 CPU(Central Processing Unit,中央处理器)和内存已经远远无法满足部署一个庞大系统的性能要求。虽然可以通过提高单台系统配置暂时解决问题,但是无论如何提高系统配置,单台机器始终会有遇到性能瓶颈的时候。而且,仅在单台机器上部署服务,一旦该台机器出现故障,整个系统就会崩溃。因此,必须采用多台机器才能应对这些扩
3、张的功能需求,通过建立分布式架构增加系统的稳定性和可用性,并解决系统可能出现的单点故障问题。分布式系统中通过数据冗余来保证数据的安全性,因此,分布式系统的数据同步问题成为首要解决的问题。通常采用以下 2 种方式实现分布式系统的数据同步:采用“磁盘存储+文件复制”的方式,将数据保存在各个服务器中,通过镜像软件将数据复制到各个服务器;采用共享内存方式,将服务器中的应用程序与同步软件进行本机数据共享,同步软件通过以太网实现各个服务器直接的数据复制。上述 2 种方法均能实现分布式系统内多机数据同步功能,但是也都存在不足之处。第一种数据同步的缺点是在分布式系统运行中,应用程序需要进行大量的磁盘操作,而且
4、大量文件的复制导致实时性能下降,数据同步性差;第二种数据同步的缺点是共享内存通常借助信号量或者锁机制,容易导致死锁现象,并且分布式系统中在不同的内存之间运行某种缓存一致性协议是很难实现的。为了解决分布式系统中数据同步机制存在的不足,确保分布式系统下各个设备稳定可靠运行,本文阐述了一种基于区块链的分布式系统数据同步方法。1区块链技术概述区块链技术是一种互联网数据库技术,最大特点是去中心化、公开透明,让分布式系统中的每台设备均可参与数据库记录。该技术最早出现和应用于比特币中,目前世界各地均在不断深入研究该技术,可广泛应用于金融系统、货币系统和宏观社会系统1。通常将区块链比作一种“账本”。传统的账本
5、由一方“集中记账”,区块链这种新式“账本”则可以实现在互联网上由多方参与、共享,各参与方都可以“记账”并备份数据。其中,每个备份就是一个“区块”。区块链基于多种技术进行融合再创新,主要包括以下技术。P2P 组网:区块链的参与节点有多个,每个节点存在加入/退出的变化,因此,需要维护它们的动态连接关系,使它们组成一个网络。账本结构:区块链的账本结构重点包括 2 个方面,一是采用链式 Hash 结构防篡改,并提高账本之间比对的效率;二是采用公钥密码机制标识资产所有者。区块链账本利用所有者的公钥作为账户标识,从而保证仅持有对应私钥的用户才能对外转移资产。共识机制:作为区块链技术的核心,它承担了交易验证
6、和确认的功能,目的是解决双重支付问题,确保交易的唯一性。区块链的共识机制既需要解决传统分布式一致性问题,维持全网节点账本的统一,还需要进行交易验证,以抵抗恶意攻击,确保交易的正确性。签名机制:它是区块链实现验证交易信息的可靠渠道,是一种通过公钥加密领域的技术来鉴别数字信息的方法。签名机制包含签名和验证,签名是使用私钥处理信息或因信息的 Hash 值而产生签名;验证则是Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 20 期115使用公钥验证签名的真实性。隐私机制:区块链中的隐私主要包含 2 个方面,即身份隐私(用户身份信息和区块链地址之间的关联关系
7、)和交易隐私(区块链中存储的交易记录和交易记录背后的知识)。1.1区块结构数据区块是区块链的基本元素。比特币系统的每个数据区块主要由区块头(Block Header)和区块体(Block Body)2 个部分组成,其中区块头记录当前区块的元数据,区块体则存储封装到该区块的实际交易数据。交易数据被永久地记录在区块文件中,区块被组织成一个线性序列,不断将新的交易打包成新的区块并将这些区块添加到区块链的末端。随着区块在区块链中被埋的越来越深,它们变得难以改变或移除,这就赋予了交易的不可逆转性2。比特币系统的区块结构说明如表 1 所示,区块链结构示意图如图 1 所示。表 1比特币系统区块结构数据项描述
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