vChain：支持可信数据查询的区块链技术

香港浸会大学徐建良教授团队的最新研究成果“vChain: Enabling Verifiable Boolean Range Queries over Blockchain Databases”近日被ACM顶级会议SIGMOD 2019接收并发表。论文提出了一种支持可信数据的全新vChain区块链技术查询，保证区块链数据查询的安全性和完整性。

近年来，由于加密货币和去中心化应用的流行，其背后的技术——区块链受到广泛关注。 区块链可以看作是基于哈希链和共识机制的分布式数据库。 例如，比特币区块链存储用户之间的交易信息，支持智能合约的以太坊区块链存储数据状态信息。 区块链应用的兴起，使得区块链数据库的高效查询显得尤为重要，查询结果的安全保障也不容忽视。

一种简单的做法是让用户在本地维护区块链数据库并进行查询处理。 这种方法基于每个区块的可验证性，可以保证查询数据的正确性和完整性。 但是，由于维护整个区块链数据库需要大量的存储、带宽和计算资源（例如，维护比特币区块链至少需要200GB的存储空间比特币链上数据查询，50KB/s的上行带宽，每天6小时的在线时间)，这种方法对于大多数普通用户来说并不经济。

论文提出了vChain的框架，可以降低用户的存储和计算成本，并使用密码学保证查询结果的正确性和完整性。 为了支持可信的布尔查询，本文提出了一种基于双线性对累加器的可验证数据结构，可以聚合任意数据属性，降低信息验证的复杂度。 同时，作者设计了两种新的索引结构，分别聚合块内数据和块间数据，从而实现高效的查询验证。 论文还提出了一种反向前缀树结构来优化海量订阅查询的并发处理。

上图展示了vChain的系统模型，包括矿工、服务提供者（全节点）、查询用户（轻节点）。 矿工和服务商将完整的区块链数据存储在区块链网络中，矿工也需要计算出满足共识机制的结果并将新的区块打包上链。 查询用户作为​​轻节点只同步区块头信息。

区块链建立在去中心化的环境中，所有节点之间互不信任，服务提供者作为全节点可能会返回错误的结果。 造成这种情况的原因包括程序执行错误、黑客攻击、商业利益等。可信查询旨在解决这种潜在的安全威胁。 矿工在打包新区块时，会同时将验证数据结构添加到区块中。 服务提供者除了返回查询结果外，还会返回一些基于验证数据结构生成的验证对象（Verification Object，VO）。 查询用户可以使用验证对象来验证返回结果的正确性和完整性。

本工作的创新之处体现在：（1）针对不可信的区块链节点提出了一种轻量级的可验证查询框架，同时保证了查询结果的正确性和完整性； (3)提出了块内数据和块间数据两种索引，进一步提高查询效率。

SIGMOD是国际计算机界公认的数据库领域学术地位最高的顶级会议。 它由美国计算机协会（ACM）数据管理专业委员会（SIGMOD）发起。 每年举办一届，迄今已举办37届。 会议旨在为数据库领域的研究人员、开发人员和用户提供一个平台比特币链上数据查询，探讨最新的学术思想和研究方法，交流开发技能、工具和经验，引导和促进数据库学科的发展。 SIGMOD与另外两大数据库会议VLDB和ICDE构成了数据库领域的三大顶级会议（CCF A类）。 相对来说，SIGMOD比其他两个会议含金量更高，录取难度更大。 ACM SIGMOD论文录取率很低，平均录取率只有15%-17%左右。