一文詳解連續型數據高效存儲之道_LOC

在《打破K/V存儲的性能瓶頸》中，我們提到區塊鏈中的數據可以分為「連續型數據」和「K/V型數據」，并對K/V型數據的特點及讀寫進行了闡述。我們以leveldb為例，了解到K/V數據在存儲時采用LSM-Tree的組織形式，存儲方式相對而言比較復雜，數據讀寫的復雜度也較高，且在數據量大的情況下會遇到性能下降的問題。針對這些問題，我們已經提出了一些優化思路，但這種數據格式讀寫的性能存在天然的缺陷。而優化思路里也提到，leveldb的歸并操作是為了讓SSLTable的key變得有序，說明有序的數據在讀寫方面有天然優勢。

區塊鏈中也有很多數據是有序的。因此，本文將重點討論連續型數據的特點和連續型數據的讀寫方式，并根據實際場景中會遇到的問題提出我們的優化思路。

連續型數據，顧名思義，最大的特點就是連續。我們可以把連續型數據當做一種特殊的K/V數據，只不過其key值是單調遞增的。

“那么在區塊鏈中，什么樣的數據是連續的呢？”

區塊鏈中有一個重要的概念：區塊號，就是單調遞增的。區塊鏈是一個賬本，記下來的賬是只增不減的，區塊也是不斷向后追加的。因此，以區塊號為單位存儲的數據就可以認為是連續型數據。在上一篇推文中，我們提到除了區塊數據以外，回執數據、修改集數據也是連續型數據，這是因為每一條回執，每一條世界狀態修改記錄，都對應于一筆交易，而交易是區塊的組成部分，因此這些數據也可以以區塊為單位來存儲。

任何數據存儲的目的都是為了查詢，因此我們在存儲連續型數據的同時，需要考慮對這些數據的查詢需求。一般來說，對于區塊和交易數據，會有以下查詢需求：

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1）給定一個區塊號，查詢對應的整個區塊數據；

2）給定一個區塊哈希，查詢對應的整個區塊數據；

3）給定一個交易哈希，查詢這筆交易的詳細信息；

面對這樣的查詢需求，我們在設計數據庫時需要考慮如何支持這些查詢。

▲?以太坊

連續型數據作為一種特殊的K/V型數據，自然也可以用K/V數據庫來存儲，例如以太坊就是這樣存的。在以太坊中，所有數據均存儲在leveldb中，區塊和交易相關的數據存儲方式如下：

(H)+BlockHash->BlockNumber

(h)+BlockNumber+(n)->BlockHash

(h)+BlockNumber+BlockHash->BlockHeader

(b)+BlockNumber+BlockHash->BlockBody

(l)+TxHash->BlockNumber

區塊數據直接存儲在leveldb當中，以區塊號和區塊哈希為key來進行查詢。這樣的存儲方式很方便，可以根據區塊哈希或區塊號快速查詢到區塊內容。但這種方式存儲下，leveldb的數據量會很大，數據的讀寫速度也會受到影響。

ETH 2.0總質押數已超1804.81萬:金色財經報道，數據顯示，ETH 2.0總質押數已超1804.81萬，為18048070個，按當前市場價格，價值約331.52億美元。此外，目前ETH 2.0質押總地址數已超58.08萬，為580803個。[2023/4/11 13:57:29]

▲?HyperledgerFabric

超級賬本也是使用鍵值對數據庫存儲檢索信息，但是額外使用了文件存儲系統管理區塊數據。通過內存映射文件的方式提高了數據查詢的性能，但在多個索引或撤消歷史記錄的功能上存在局限。對于Fabric的數據存儲來說，一般都包含兩種方式，如下圖所示：

?文件形式存儲，用于記錄交易日志信息，所有的交易都是有序地連接在一起；

?NoSQL形式存儲，使用LevelDB數據庫實現保存索引信息的歷史記錄。

HyperledgerFabric中，賬本目錄中由blockfile_000000、blockfile_000001命名格式的文件名組成。為了快速檢索區塊數據，每個文件的大小是64M。每個區塊的數據都會序列化成字節碼的形式追加寫入blockfile文件中。在Fabric中，其索引組織格式如下：

(h)+BlockHash->BlockLoc

(n)+BlockNumber->BlockLoc

(t)+len(TxID)+TxID+BlockNumber+TxNumber->TxIDIndexValue

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這里的BlockLoc表示數據在哪個blockfile中以及其偏移量。在Fabric中要根據區塊號或區塊哈希查詢一個區塊，將先在leveldb中查詢索引，獲取BlockLoc之后在文件系統中查詢區塊。

相比于以太坊而言，Fabric將區塊數據存在文件中，大大降低了NoSQL數據庫的存儲壓力，且索引中直接標識數據位置，可以很快在文件中讀取到區塊數據。

事實上，無論是以太坊還是Fabric，都沒有完全利用連續型數據的特點：根據key值來計算偏移量。例如我們知道key為100的數據的位置，就能夠推斷出，key為200的數據與該位置相差100條數據，這個特點有利于我們快速查找數據。因此，根據偏移量的特點，我們可以進一步減少讀寫數據的開銷。

連續型數據庫的整體結構圖

數據庫由多個logsegment組成，每一個logsegment由一個后綴為.log和一個后綴為.idx的文件組成，分別用于存儲數據和對應的索引數據。

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logsegment的結構圖

數據以文件的方式記錄到磁盤中，log為后綴的文件記錄原數據的信息，idx為后綴的文件記錄以log文件為單位的文件索引信息，用于快速定位需要查找的數據位置，每一個log文件都配套有一個相同前綴的idx文件。文件名前綴均為文件中存儲的第一條數據的偏移量數值。每一個log文件都有大小限制，當文件超過該限制時，新打開一個文件用于后續數據寫入。

我們采用logsegment里的第一條數據的key值作為文件名，也是利用到了數據有序這個特點，使用時間復雜度更低的二分查找來快速確認某一條數據位于哪個logsegment中。在這樣的數據結構下，數據的讀寫效率將變得非常高。

對于一次寫入操作，就根據數據構造一條LogEntity和一條IndexEntity，直接追加寫入到最后一個文件末尾即可。對于一次讀取操作，首先根據要讀取的數據的key值，使用二分查找找到該數據所在的log文件中，然后根據該key值相對于文件名的偏移量，計算索引所在位置。計算方式如下：

歐洲證券和市場管理局：越來越多的比特幣和加密貨幣采用可能會影響傳統金融:金色財經報道，Bitcoin Archive在社交媒體上稱， 歐洲證券和市場管理局表示，越來越多的比特幣和加密貨幣采用可能會影響傳統金融。[2022/10/5 18:39:40]

索引位置=偏移量*IndexEntitySize

其中IndexEntitySize的值是一個常量，在我們的設計里大小為17byte，偏移量表示key值相對于文件名的差值。通過計算，可以快速定位到當前key對應數據在文件中位置。通過位置信息，可以讀取IndexEntity，得到其中的position字段，找到log文件中的真實讀取位置，然后根據log字段中的size得到應該讀取的字節范圍。

在這樣的設計之下，一次數據寫入操作只需要兩次磁盤IO，一次讀取操作只需要三次磁盤IO。相比于LeveDB復雜的數據組織格式，讀寫效率大大提高。此外，數據量的增大只會增加文件個數，即稍微增加二分查找的時間，但這點計算時間幾乎可以忽略不計，也就是說，該數據庫隨著數據的增大性能不會衰減。

下圖為我們設計的連續型數據庫相比于LevelDB，可以看出連續型數據庫的讀寫性能遠高于LevelDB。

設計這樣一個數據庫時，初衷是為了能更高效地存儲區塊數據，讓我們的平臺擁有更高的性能。隨著平臺逐漸成熟，我們也不斷完善數據庫，使其不僅讀寫效率高，還具有很好的魯棒性和健壯性，因此我們還從多個角度對我們的數據庫進行功能完善和優化，期望能夠適應更復雜的存儲環境以及更安全地存儲數據。

▲?句柄池

在數據庫使用過程中，不知道大家會不會經常遇到toomanyopenfiles的問題？那是因為，我們的操作系統對程序中可打開的「句柄數量」是有限制的。為了解決內存中打開的文件句柄過多的問題，更高效地利用句柄，我們引入了一種句柄池的機制來解決上述問題。句柄池的設置能夠保證單位時間內句柄的占用內存小，在并發讀取下也是線程安全的。

整體架構設計

圖中每個句柄entry維護文件名、句柄以及一個引用計數。我們用引用計數表示在當前時間，該句柄在多少個地方正在被使用。只有沒有進程在使用該句柄，即句柄引用計數為0的時候句柄才能被關閉。句柄池對外只提供句柄的申請與歸還接口。

實際使用過程中，句柄的申請和歸還是一個頻繁的并發操作，單個句柄池難以同時維護高并發情況下各個句柄的申請與歸還。例如剛好要清理句柄時，又出現了該句柄的申請請求，單個句柄池只能通過加讀寫鎖來控制并發，但這勢必會降低性能。因此句柄的打開和清理最好分離，所以我們句柄池的設計采用了兩個列表輪替的形式，其中一個處于活躍狀態，另一個處于清理狀態。活躍狀態的列表負責維護當前正在使用的句柄，而清理狀態的列表則負責將無用句柄關閉。新打開的句柄全部放入活躍列表中，清理列表則負責將所以引用計數為0的句柄關閉。當外部需要獲取句柄時，首先在句柄池中查看該句柄是否已經被打開：

如果已經打開，則將其引用計數加1；如果沒有打開，則打開句柄，也將引用計數加1，并把句柄放入活躍列表中；外部使用完畢后，歸還句柄至句柄池，即句柄的引用計數減1。每隔固定時間，數據庫將切換兩個列表，原本處于活躍狀態的列表將進入后臺進行清理，被清理過的列表則轉為活躍列表，負責下一階段里數據庫中要使用的句柄的維護。

與此同時，處于清理狀態的列表在后臺遍歷列表，對于引用計數為0的句柄進行關閉。這樣的設計能夠保證內存不會泄露的同時，更加高效地利用句柄，在頻繁讀取的情況下保證數據庫的性能。

▲?文件完整性

一般來說，成熟的數據庫都會保證存入數據的完整性，以防止數據庫被篡改或丟失數據卻不被發現。在區塊鏈系統中，這一點尤為重要。因此，在上述數據庫結構設計的基礎上，我們還設計了文件完整性的保證方案。數據庫在運行過程中會記錄數據狀態，當數據庫重啟時，我們會對數據狀態進行校驗，以防止數據被篡改。

單條數據的完整性我們已經通過CRC校驗碼保證了，但單個文件的完整性，我們需要設計其他的機制來保證。我們使用一個EDITLOG文件，用于持久記錄存儲文件發生的更改。當一個文件寫滿或者發生變更時，在該文件里追加寫入一條記錄。記錄的格式如下：

文件名變更類型哈希校驗碼CRC校驗碼

其中變更類別表示該條記錄對應的文件變更操作，由于數據庫支持數據歸檔，因而文件有可能會被新增、刪除或切分。

而哈希校驗碼，我們并沒有采用對整個文件內容進行哈希，而是采用對文件名、文件大小和文件修改時間這些信息做哈希計算。因為文件的內容較大，一次哈希的時間會很長，而事實上，防止文件損壞或被篡改，用這幾個文件屬性就可以基本滿足。

CRC校驗碼則進一步對對文件名和文件變化位計算CRC值，用于保證該條記錄不被修改。

本文是存儲系列推文的延續，對區塊鏈中連續型數據存儲的講解，著重介紹K/V型數據的存儲特點和優化思路，分析了連續型數據的特點，結合以太坊、Fabric存儲區塊和交易數據的模式，介紹我們設計的連續型數據存儲引擎。

通過研究發現，如果利用好連續型數據的特點，其讀寫效率將遠遠高于K/V型數據。由此受到啟發，在設計或選擇數據庫的時候，一定要分析我們需要存儲的數據特點，根據其特點來設計數據庫，才能將性能發揮到極致。

當然，我們在為區塊鏈設計特定的數據庫的同時，也希望該數據庫能夠更加完備與通用，因此也在以一個成熟數據庫的標準來優化拓展我們的功能，希望能夠應用在更多的場景中。

作者簡介

金鵬、王晨璐趣鏈科技基礎平臺部區塊鏈存儲研究小組

參考文獻

https://github.com/ethereum/go-ethereum

https://github.com/hyperledger/fabric

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