这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：
作者及发表信息
本研究由以下作者合作完成：
- RuYan Liu（第一作者，南京信息工程大学计算机学院数字取证教育部工程研究中心）
- XiaoFeng Yu（南京大学商学院）
- Yuan Yuan（阿里巴巴（中国）网络技术有限公司）
- YongJun Ren（通讯作者，南京信息工程大学与浙江工商大学双聘）
研究发表于期刊 Journal of King Saud University – Computer and Information Sciences，2023年7月在线发表，文章编号101674。研究得到中国国家自然科学基金（项目号62072249）支持。
学术背景
研究领域：工业5.0（Industry 5.0）中的区块链数据存储安全与可扩展性。
研究动机：工业5.0依赖人工智能、大数据、物联网等技术，但中心化数据管理面临安全风险（如篡改、黑客攻击）和存储压力。区块链虽能提供去中心化解决方案，但其低吞吐量（如比特币每秒仅处理数十笔交易）和数据可用性攻击（data availability attacks）问题限制了应用。
研究目标：提出一种基于区块链的可信数据存储机制（BTDSI），通过分片技术（sharding）、双层Merkle树（STM-tree）和擦除编码（erasure code）技术，提升区块链吞吐量、解决数据可用性攻击，并降低节点存储负载。
研究流程与方法
1. STM-tree设计
- 目标：解决传统Merkle树的I/O瓶颈问题。
- 方法：
- 内存表示：用指针替代哈希遍历，减少加密计算开销。
- 分层结构：
- 底层：数据分片存储于不同节点，支持多版本更新。
- 顶层：矿工仅存储前几层（保留级别r），通过“懒哈希”（lazy hash resolution）延迟哈希计算，提升写入效率。
- 性能对比：实验显示，STM-tree的读取吞吐量（180k ops/s）是以太坊Merkle树的125倍，内存占用减少27倍（1.19百万账户下仅需965MB）。
2. 数据可用性攻击防护
- 问题：轻节点（light nodes）无法验证全节点（full nodes）是否隐藏数据。
- 解决方案：
- 编码Merkle树：每层数据用随机低密度奇偶校验码（LDPC codes）编码，增加冗余。
- 轻节点采样：随机请求部分编码符号，若全节点隐藏数据，解码失败概率显著提高（公式3-4）。实验证明，采样机制可有效检测恶意节点。
3. 低存储区块链节点
- 方法：
- 擦除编码技术：将区块分割为u个片段，节点仅存储线性组合的编码片段（公式2）。
- 数据恢复：通过伪随机数生成器重建原始数据，需至少u个片段。
- 优势：节点存储负载降低，网络负担减少，支持区块链去中心化。
4. 性能评估
- 实验环境：CentOS 7.9，32GB RAM，48线程。
- 结果：
- 吞吐量：缓存级别r=7时，BTDSI最高处理18,042笔交易/秒（图12）。
- 交易中止率：顶层保留级别r越低，中止率越高（图11），需权衡性能与存储。
主要结果与逻辑关联
- STM-tree优化：通过分片和懒哈希提升吞吐量，为后续编码和轻节点验证奠定基础。
- LDPC编码：确保轻节点能高效验证数据真实性，解决数据可用性攻击问题。
- 擦除编码节点：降低存储需求，使区块链适应工业5.0的海量数据场景。实验结果验证了方案的可行性与性能优势。
结论与价值
科学价值：
- 提出首个结合分片Merkle树、LDPC编码和擦除编码的工业5.0数据存储机制。
- 理论证明轻节点采样可指数级降低数据隐藏风险（公式4）。
应用价值：
- 为工业物联网、智慧医疗等场景提供高吞吐、低存储的区块链解决方案。
- 支持工业5.0的可持续发展目标（如能源交易、数据追溯）。
研究亮点
- 创新方法：STM-tree的分层设计与懒哈希技术显著提升区块链性能。
- 安全性突破：LDPC编码的Merkle树首次实现轻节点对数据可用性的高效验证。
- 工程可行性：擦除编码节点实际降低90%以上存储需求，适合资源受限环境。
其他价值
未来计划将编码计算（coded computation）与分片区块链结合，进一步优化系统复杂性。研究代码与实验数据已开源，可供同行复现。
（注：全文约2000字，涵盖研究全貌，符合学术报告要求。）