基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用平臺(tái)ChainSQL介紹

區(qū)塊鏈是分布式的、去中心化存儲(chǔ)的一種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它是一個(gè)分布式的帳本，所有的記錄由多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同完成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有完整的帳本。區(qū)塊鏈本身具有的最顯著的特征是：分布式、去中心化、信息不可篡改。

數(shù)據(jù)庫(kù)是按照一定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組織、存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的建立在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備上的倉(cāng)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)的特性有：減少數(shù)據(jù)的冗余度、數(shù)據(jù)的獨(dú)立性、數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)集中控制。

區(qū)塊鏈從本質(zhì)上來(lái)講也是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，是一個(gè)去中心化的數(shù)據(jù)庫(kù)。但是對(duì)數(shù)據(jù)的查找速度、數(shù)據(jù)格式化處理方面有天生的不足。

本文將結(jié)合區(qū)塊鏈與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)一種全新的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用平臺(tái)，該技術(shù)不僅具有區(qū)塊鏈的分布式、去中心化、可審計(jì)的特性，同時(shí)兼?zhèn)鋫鹘y(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的快速查詢、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)美的特性。兩者的結(jié)合使得數(shù)據(jù)庫(kù)的恢復(fù)變得快速、數(shù)據(jù)可靠性得到質(zhì)的飛躍。

設(shè)計(jì)原理

區(qū)塊鏈上所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，我們統(tǒng)一稱為交易。

在本設(shè)計(jì)中，把對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作的每一條指令都記錄到一條交易中，即一個(gè)交易對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)操作，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)會(huì)以交易的形式記錄下所有對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。

對(duì)于配置了數(shù)據(jù)庫(kù)的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)記錄交易的同時(shí)會(huì)完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。對(duì)于未配置數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，交易只會(huì)記錄到本節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊中。

已經(jīng)配置數(shù)據(jù)庫(kù)的節(jié)點(diǎn)，可以通過(guò)配置從區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的第一個(gè)區(qū)塊開(kāi)始搜索，去獲取數(shù)據(jù)庫(kù)表對(duì)應(yīng)的交易，根據(jù)這些交易去再次執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作，從而生成對(duì)應(yīng)的表，獲得與其它區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一致的數(shù)據(jù)庫(kù)表內(nèi)容。

設(shè)計(jì)方案

· 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的選擇：

最常見(jiàn)的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)就是BitCoin網(wǎng)絡(luò)，但是BitCoin網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中有兩個(gè)缺點(diǎn)：

1. 速度慢：一筆交易被全網(wǎng)驗(yàn)證通過(guò)需要大約10分鐘的時(shí)間，真正得到安全地確認(rèn)需要大約一個(gè)小時(shí)。

2. 區(qū)塊的生成需要礦工來(lái)完成，這個(gè)過(guò)程要經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算，對(duì)資源浪費(fèi)比較嚴(yán)重。作為改進(jìn)，Ripple的出現(xiàn)解決了BitCoin網(wǎng)絡(luò)存在的不足，Ripple網(wǎng)絡(luò)通過(guò)自己獨(dú)有的UNL方案的引入，使得Ripple網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能有效地驗(yàn)證自己收到消息的真?zhèn)危恍枰?jīng)過(guò)大量的計(jì)算即可生成區(qū)塊，其每一條交易從發(fā)出去驗(yàn)證只需要3-8秒。

基于Ripple與BitCoin的對(duì)比，我們選擇Ripple作為本系統(tǒng)的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

· 整體結(jié)構(gòu)及流程

ChainSQL的實(shí)現(xiàn)主要分成三個(gè)部分：

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)：各個(gè)節(jié)點(diǎn)N構(gòu)成Ripple網(wǎng)絡(luò)，完成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)。

普通數(shù)據(jù)庫(kù)：在需要生成數(shù)據(jù)庫(kù)表的節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行配置。

客戶端：可選擇自己創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，然后向這個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖1中C2。也可以直接向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送交易，如圖1中C1。

我們先架設(shè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)已經(jīng)可以向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)庫(kù)操作的交易了，不需要配置任何的數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖1中C1。

客戶需要查看網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)庫(kù)表或者想真實(shí)看到傳統(tǒng)意義上的數(shù)據(jù)庫(kù)表時(shí)，需要在本地創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)NC2，連入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在NC2配置數(shù)據(jù)庫(kù)DB，這時(shí)發(fā)往區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)庫(kù)操作就會(huì)實(shí)時(shí)地在DB中反應(yīng)出來(lái)，如圖1中C2。

客戶不想對(duì)表進(jìn)行操作，僅想查看其它客戶創(chuàng)建的表時(shí)，需要在本地創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)NC1，同時(shí)在NC1配置數(shù)據(jù)庫(kù)，在配置文件中設(shè)置需要同步的數(shù)據(jù)庫(kù)表名與所屬用戶，即可得到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表。

· 具體設(shè)計(jì)

1. API接口的提供：

在區(qū)塊鏈的應(yīng)用層提供API接口供用戶調(diào)用，用戶向區(qū)塊鏈發(fā)出交易命令就像操作數(shù)據(jù)庫(kù)一樣。

2. 先入庫(kù)再共識(shí)：

基于區(qū)塊鏈的應(yīng)用有個(gè)基本的做法就是交易要先經(jīng)過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共識(shí)，然后交易才能知道是否有效。我們?cè)谔幚頃r(shí)：在一定條件下，先由本地節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證交易，然后寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)寫入成功后，再發(fā)到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行共識(shí)。如果共識(shí)不能通過(guò)，則回滾數(shù)據(jù)庫(kù)操作。這樣的設(shè)計(jì)以便于用戶快速地得知自己SQL語(yǔ)句執(zhí)行的結(jié)果。

如果節(jié)點(diǎn)已經(jīng)配置了數(shù)據(jù)庫(kù)及對(duì)應(yīng)的表。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)在接收到數(shù)據(jù)庫(kù)操作交易的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)直接傳導(dǎo)到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作，這樣就實(shí)時(shí)反應(yīng)用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。

3. 根據(jù)配置進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)表的恢復(fù)

在某一區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)配置數(shù)據(jù)庫(kù)，把存放在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)庫(kù)交易取出，按這些操作去執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)，達(dá)到重建一張表的目的。

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的某一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以是全記錄節(jié)點(diǎn)（擁有區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的所有交易數(shù)據(jù)），也可以是部分記錄節(jié)點(diǎn)。

本地節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)的時(shí)候，如果有對(duì)應(yīng)表的數(shù)據(jù)庫(kù)，則直接從本地獲取數(shù)據(jù)庫(kù)操作交易數(shù)據(jù)；如果本地是部分記錄節(jié)點(diǎn)時(shí)，本地缺少某個(gè)區(qū)間的區(qū)塊，這時(shí)只要從其它節(jié)點(diǎn)去獲取對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)操作交易數(shù)據(jù)即可。

· 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

安全性設(shè)計(jì)：以用戶為管理單元，即一張表默認(rèn)只隸屬于一個(gè)用戶（表的創(chuàng)建者），其它用戶想對(duì)本張表進(jìn)行操作，得讓表的所有者對(duì)其授權(quán)。

數(shù)據(jù)庫(kù)的操作與數(shù)據(jù)庫(kù)表的分離：操作以交易的形式記錄在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，而真實(shí)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中查看。

特性與應(yīng)用場(chǎng)景

· 歷史記錄不可更改

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)于記錄的更改及刪除可由管理員或者黑客隨意操作。在 ChainSQL 中，由于在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上記錄了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)某張表的所有操作記錄，則單獨(dú)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更改不會(huì)改變區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的記錄。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易的不可更改性決定了 ChainSQL數(shù)據(jù)的不可篡改。

· 數(shù)據(jù)可在任意時(shí)間恢復(fù)到任意地點(diǎn)

只要啟動(dòng)一個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)連接，配置好對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，即可恢復(fù)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中存在的任意一張表。

· 數(shù)據(jù)的插件式管理

本 地 可 以 配 置 任 意 常 用 的 數(shù) 據(jù) 庫(kù)，包 括：MySQL，SQLite， Oracle 等。

· 簡(jiǎn)單編程模式

通過(guò)簡(jiǎn)單的 API 或者 JSON，可以在網(wǎng)頁(yè)或者APP 上對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行寫入及讀取。

· 滿足審計(jì)要求

對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)表的操作記錄全部記錄在了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，區(qū)塊鏈對(duì)交易存儲(chǔ)的特性使得我們可以知道交易發(fā)生的時(shí)間、具體內(nèi)容。審計(jì)人員只需要從可靠的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中去恢復(fù)一張數(shù)據(jù)庫(kù)表即可完成對(duì)數(shù)據(jù)的審計(jì)。

· 快速區(qū)塊鏈應(yīng)用的開(kāi)發(fā)

任何想用真實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，同時(shí)想兼顧區(qū)塊鏈特性的應(yīng)用，都可以應(yīng)用 ChainSQL，通過(guò)調(diào)用 ChainSQL 提供的接口來(lái)快速完成。

總結(jié)

ChainSQL 將區(qū)塊鏈與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，構(gòu)建了一種基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的日志式數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用平臺(tái)。該技術(shù)兼?zhèn)淞藘煞N系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，能隨時(shí)隨地恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)表。ChainSQL 不僅將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的特性進(jìn)行了增加，同時(shí)將基于區(qū)塊鏈的應(yīng)用開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)易。

ChainSQL 中采用的先入庫(kù)再共識(shí)的做法大大增加了數(shù)據(jù)入庫(kù)的速度，增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)?？梢噪S時(shí)隨地對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)表的恢復(fù)功能使得審計(jì)變得更加的方便。是進(jìn)行基于數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行安全開(kāi)發(fā)的良好平臺(tái)。