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ScorpioBase：面向供应链溯源应用的高效批处理区块链系统

一、作者及发表信息

本研究由Yuan Sui（东北大学计算机科学与工程学院）、Xiaochun Yang（东北大学，IEEE高级会员）、Bin Wang（东北大学，兼属国家工业智能与系统优化前沿科学中心）、Yujie Zhang（东北大学）、Wei Wang（复旦大学计算机学院）和Lina Wang（武汉大学网络空间安全学院）共同完成。论文发表于IEEE Transactions on Industrial Informatics，2025年5月第21卷第5期，论文编号TII-23-3997。

二、学术背景

研究领域：区块链技术在供应链溯源（supply chain traceability）中的应用，聚焦数据存储效率与可验证查询（verifiable query）问题。
研究动机：现有区块链方案在供应链场景下面临两大核心挑战：
1. 存储效率不足：传统区块链需为每个数据元组（tuple）生成认证数据结构（Authenticated Data Structure, ADS），占用大量链上空间，且共识算法延迟高，难以满足实时性需求。
2. 可验证查询的粒度粗：现有方案依赖Merkle树变体，无法高效验证单个元组的完整性。

研究目标：提出ScorpioBase系统，通过批处理（batching）技术降低区块链存储负担，同时设计细粒度签名方案支持高效可验证查询。

三、研究流程与方法

1. 系统设计

ScorpioBase包含两个核心组件：
- 存储引擎（Storage Engine, SE）：将多个元组打包为“批”（batch），存储于链下数据库（Off-Chain Database, OCD），并生成批签名。
- 签名管理器（Signature Manager, SM）：基于许可区块链（permissioned blockchain，如Hyperledger Fabric）存储批签名，作为数据完整性证据。

2. 关键技术实现

• 批存储（Batch Storage）：
  
  • 定义：每个“批”包含按时间戳顺序排列的k个元组（k为可调参数）。
    
  • 索引优化：通过时间间隔δt构建指针索引，加速查询定位（公式1）。
    
• 细粒度批签名（Fine-grained Batch Signature）：
  
  • 安全密钥（sk）：基于SHA-256算法生成批的哈希签名。
    
  • 验证密钥（vk）：通过γ(·)操作（定义3.2）压缩每个元组的MD5签名至1字节，形成k长度数组，支持单个元组验证。
    
• 批处理区块链（Batched Blockchain）：
  
  • 算法1（GenerateBatches）：SE接收元组流，按k值缓存并生成批签名；SM将签名写入区块链，减少共识次数。
    

3. 实验验证

• 环境：13节点集群（4 Zookeeper、3 Kafka、3 Order节点等），基于Hyperledger Fabric 1.3.0。
  
• 数据集：模拟供应链场景的Sofia Air空气质量数据集（YCSB基准测试）。
  
• 对比基线：
  
  • Basic：传统区块链存储模型（所有数据上链）。
    
  • VL：基于Merkle Patricia树的验证账本模型。
    

四、主要结果

1. 存储性能：

   • 吞吐量：ScorpioBase较Basic和VL提升近k倍（k=100时，吞吐量达100倍）。
     
   • 延迟：批处理减少共识次数，单批存储延迟显著低于基线（图6）。
     

2. 查询性能：

   • 可验证查询：通过批签名验证，用户可异步获取查询结果（qres）和验证对象（VO），验证耗时与批大小k相关（图7）。
     
   • 容错性：采用Copyset备份策略（公式5），即使部分节点恶意删除数据，仍可通过备份恢复查询功能（图11）。
     

3. 系统鲁棒性：

   • 并发测试中，ScorpioBase在100线程压力下仍保持稳定（图9）。
     
   • 索引优化使范围查询（range query）延迟降低50%（图10）。
     

五、结论与价值

科学价值：
1. 提出首个结合批处理与细粒度签名的区块链溯源系统，理论证明批处理可使吞吐量提升k倍（性质3.3）。
2. 设计γ(·)操作与批签名算法，解决批处理导致的验证粒度问题（性质3.2）。

应用价值：
- 供应链场景：支持制造商、物流公司等多方参与的高效数据共享，满足消费者实时溯源需求（如QR码查询）。
- 扩展性：系统可适配不同安全等级需求，提供简单验证、OCD验证和全数据验证三种查询模式（图4）。

六、研究亮点

1. 创新方法：
   
   • 批处理与区块链的深度融合，突破传统区块链存储瓶颈。
     
   • 细粒度批签名首次实现批内单元组验证，兼顾效率与安全性。
     
2. 工程贡献：
   
   • 开源实现基于Hyperledger Fabric，提供完整API支持异步查询。
     
   • Copyset备份策略为分布式存储恶意攻击防护提供新思路。
     

七、其他价值

• 参数灵活性：批大小k可根据场景调整，平衡吞吐量与查询延迟（如高吞吐场景增大k，高查询效率场景减小k）。
  
• 跨学科应用：技术框架可扩展至物联网（IoT）数据管理、医疗记录溯源等领域。
  

（报告总字数：约1500字）