區塊鏈資料庫是將區塊鏈和資料庫的屬性結合起來的儲存系統，如去中心化、抗篡改、低查詢延遲和支援複雜查詢。隨著它們得到更廣泛的採用，人們對它們管理的資料的保密性的擔憂也會增加。已經有多個專案使用區塊鏈來儲存敏感資料，例如電子醫療保健和財務記錄，法律檔案和客戶資料。
在本文中，我們討論了我們的新論文《加密的區塊鏈資料庫》，其中我們設計了端到端加密的區塊鏈資料庫，以支援需要儲存和查詢敏感資料的去中心化應用程式。特別是我們專注於我們所稱的區塊鏈加密多對映（EMM），它可用於例項化各種NoSQL區塊鏈資料庫，如鍵值儲存或文件資料庫。
密碼學領域的重點是端到端加密資料庫的設計，更廣泛地說，是對加密資料的搜尋問題，這一領域被稱為加密搜尋。關於這個領域的介紹，請參閱布朗大學加密系統實驗室的這一系列部落格文章。特別是第五篇文章，描述了一個標準的/集中的EMM的構造（在這篇文章中稱為加密資料庫（EDB））。
加密多重對映
NoSQL資料庫由於其簡單性、可擴充套件性和高效能保證，近年來在資料庫行業中越來越突出。各種NoSQL資料庫，如鍵值儲存（例如DynamoDB）和文件資料庫（例如MongoDB），可以用多對映資料結構例項化。多重對映是將標籤對映到值元組的字典的泛化。它們支援get和put操作，在給定標籤的情況下，可以儲存或檢索與標籤相關聯的值的元組。加密多對映（EMM）是一種端到端的加密多對映，它支援get和put操作，但對加密資料進行過度加密。由於多個對映可以用來表示NoSQL資料庫，因此設計區塊鏈加密的NoSQL資料庫本質上與設計區塊鏈EMM相同。
舊版友好
設計區塊鏈EMM有兩種主要方法。首先是設計一個專門支援EMM的新區塊鏈。這種方法的優勢在於可以共同設計EMM和區塊鏈以最佳化效能。第二種方法是設計一種對傳統友好的解決方案，因為它可以在已有的區塊鏈之上使用。這種方法的優勢在於，區塊鏈EMM可以建立在多個平臺之上，無需建立新的區塊鏈。然而，第二種方法存在一些挑戰：
1. 我們如何在區塊鏈上儲存資料結構？特別是，如何儲存加密的多對映資料結構？大多數現有區塊鏈旨在儲存金融交易或智慧合約的狀態，但不是任意的資料結構。
2. 由於區塊鏈在設計上是防篡改的，我們如何更新EMM，尤其是如何從中新增/刪除資料？
另外一個簡單的解決方案如下：每次更新時，我們都可以從區塊鏈讀取整個EMM，進行必要的更改，然後將其寫回一個全新的EMM。這是查詢正確性的理想解決方案，因為每個查詢總是從最新的EMM中讀取。然而，這種解決方案對於更新操作效率極低，因為每次更新操作都必須讀取和寫回整個結構。因此，我們還需要考慮以下第三個挑戰：
如何針對查詢和更新複雜性設計高效的區塊鏈EMM？
在描述我們的區塊鏈EMM構建之前，讓我們先討論一下第一個挑戰——第二個和第三個挑戰更為棘手，因此我們將在詳細描述構建本身時解決它們。
區塊鏈上儲存任意資料結構
大多數區塊鏈（例如比特幣，以太坊，Algorand）都允許使用者在交易中儲存任意資料。由於在單個事務中只能儲存有限數量的資料，因此必須在多個事務中拆分大型資料結構。然後問題變成：
我們如何將這些事務連結在一起以構建任意資料結構？
要回答這個問題，請首先注意，可以透過將以前事務的“地址”儲存在較新的事務中來連結事務。利用這一特性，我們將在區塊鏈頂部疊加一個資料結構，這樣我們就可以更新和查詢資料結構，而不必對後端（區塊鏈）進行任何修改。在下面，我們提供了一個簡單的示例，演示如何疊加一個連結列表。為了在區塊鏈上儲存一個值為V=（v1，…，vn）的列表，我們執行以下操作（請參閱圖1瞭解此過程的說明）：
1. 將每個值vi與儲存vi-1的先前事務的地址ri-1連線起來。
2. 使用vi || ri-1建立一個新交易，並將其傳送到區塊鏈。這將生成ri，即新交易的地址。
3. 對所有值重複此操作。
4. 最後，儲存與客戶的最後一筆交易的地址rn。
要讀取值，請執行以下操作：
1. 將rn傳送到區塊鏈以恢復值vn和地址rn-1。
2. 然後使用rn-1恢復vn-1和rn-2。
3. 繼續此過程，直到已讀取所有值。
類似地，我們可以在區塊鏈上疊加更復雜的資料結構，例如二叉樹。這可以透過將兩個地址連線到每個值來完成：一個用於其左子項，一個用於其右子項。如圖2所示。
智慧合約的侷限性
對於支援智慧合約的區塊鏈，另一種方法可能是將整個資料結構儲存為智慧合約的狀態，並將查詢和更新操作作為智慧合約來實現。不幸的是，這種方法有兩個主要的侷限性。首先它不是通用的，因為（1）許多區塊鏈不支援智慧合約（例如比特幣），以及（2）許多智慧合約平臺不維護跨交易的狀態（例如Algorand）。第二個限制與使用此類平臺的成本有關。事實上，智慧合約平臺不僅需要支付儲存資料和程式碼的費用，還需要支付執行程式碼的費用；程式碼越複雜，成本就越高。請注意，我們將資料結構疊加在區塊鏈之上的第一種方法不僅通用，而且成本更低，因為我們可以將資料儲存在交易中而不是智慧合約，並且不需要在區塊鏈上執行任何程式碼 。
在本系列的下一部分中，我們將描述三種在區塊鏈上儲存動態emm的方案，每種方案在查詢、新增和刪除效率之間實現了不同的權衡。
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原文作者：Daniel Adkins, Archita Agarwal, Seny Kamara, Tarik Moataz
譯者：鏈三豐
譯文出處：http://bitoken.world
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