物化視圖介紹

• 如何維護(hù)物化視圖仍舊是一個(gè)開放問題.在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中,增量刷新的物化視圖維護(hù)策略可劃分為立即維護(hù)和延遲維護(hù)兩大類.
• 立即維護(hù)策略的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)較為簡單,在單數(shù)據(jù)源下不 存在一致性問題;然而該策略將物化視圖維護(hù)過程嵌入到更新事務(wù)之中,延長了更新事務(wù)的提交時(shí)間,這在高并發(fā)的情況下易發(fā)生死鎖.
• 延遲維護(hù)策略解耦合視圖維護(hù)和更新事務(wù),在 OLTP 場景下,可以通過合并無關(guān)更新的方法縮短視圖維護(hù)時(shí)間;但是此策略存在一致性問題,若視圖未更新完畢則不可使用.在延遲維護(hù)策略的諸多實(shí)現(xiàn)方法中,按需維護(hù)較為常見,即:等待查詢到來之后,只維護(hù)與查詢相關(guān)的物化視圖.

將物化視圖應(yīng)用到區(qū)塊鏈的可行性分析

• 在關(guān)系語義的區(qū)塊數(shù)據(jù)，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫，普遍使用物化視圖的方式來提升查詢的性能。在區(qū)塊鏈中，系統(tǒng)需要查詢某張表的時(shí)候需要掃描所有的數(shù)據(jù)塊，當(dāng)數(shù)據(jù)量龐大的時(shí)候，即使采用掃描索引也會(huì)造成巨大的查詢開銷，因此將物化視圖應(yīng)用到區(qū)塊鏈上，可以優(yōu)化查詢的處理效率。

問題與挑戰(zhàn)

• 因?yàn)閰^(qū)塊鏈和關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的存儲(chǔ)模型和更新系統(tǒng)不一樣，比如，區(qū)塊鏈以區(qū)塊為單位進(jìn)行更新，單個(gè)區(qū)塊包含多條交易，并且內(nèi)部的交易需要通過共識(shí)來完成。因此，在區(qū)塊鏈條建立、維護(hù)物化視圖將面臨以下的挑戰(zhàn)
• （1）如何選擇物化視圖的寫入時(shí)機(jī).區(qū)塊鏈的寫入性能受到分布式共識(shí)、智能合約執(zhí)行限制,而物化視圖的維護(hù)開銷對系統(tǒng)的性能帶來額外影響.因此,如何合理選擇視圖維護(hù)的時(shí)機(jī)來降低視圖維護(hù)對系統(tǒng) 整體性能的影響,是一個(gè)需要考慮的問題
• （2）如何以區(qū)塊為單位維護(hù)視圖.區(qū)塊是區(qū)塊鏈的基本數(shù)據(jù)追加單位,各區(qū)塊包含多種類型的交易,對于 一個(gè)區(qū)塊可能需要同時(shí)維護(hù)多個(gè)視圖.因此,設(shè)計(jì)的方案必須支持批量的物化視圖維護(hù),并且使得物 化視圖維護(hù)的開銷盡可能小
• （3）如何確保查詢結(jié)果的可信性.由于數(shù)據(jù)上鏈需要經(jīng)過較為昂貴的共識(shí)過程,為了提升查詢效率,物化視圖并不保存在區(qū)塊鏈上.與此同時(shí),將物化視圖保存在本地會(huì)面臨數(shù)據(jù)被篡改的風(fēng)險(xiǎn),需要實(shí)施相應(yīng)措施來確保查詢結(jié)果可信

本文的成果

• 首次將物化視圖運(yùn)用于區(qū)塊鏈,提出了一種視圖維護(hù)和共識(shí)過程并行的方法,降低物化視圖的維護(hù)開銷.
• 區(qū)塊鏈的共識(shí)過程主要消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬,在此期間,CPU 和 I/O 資源消耗相對較少,而視圖維護(hù)過程卻主要消耗 CPU 和 I/O 資源.因此,將視圖維護(hù)和共識(shí)過程并行執(zhí)行可減少視圖維護(hù)對寫入性能的影響.
• 提出了基于字典樹的方法,以區(qū)塊為單位批量維護(hù)視圖,并且支持多種維護(hù)策略.本文使用字典樹作為索引加快查找不同表名的更新記錄,可對相同表名的更新記錄只進(jìn)行一次視圖維護(hù)操作.并且本文支持閑時(shí)維護(hù)和按需維護(hù)的維護(hù)策略.
• 提出了基于默克爾樹的查詢結(jié)果驗(yàn)證方法,確保結(jié)果可信.為物化視圖構(gòu)造默克 爾樹.當(dāng)查詢使用物化視圖時(shí),系統(tǒng)掃描物化視圖建立默克爾樹,并與預(yù)先保存的默克爾樹根進(jìn)行比較,以此確保物化視圖的正確性與完整性

系統(tǒng)架構(gòu)

• 本文原型系統(tǒng)架構(gòu)如圖所示,包括應(yīng)用層、查詢層、存儲(chǔ)層、共識(shí)層和網(wǎng)絡(luò)層:應(yīng)用層包括查詢 API、訪問控制和智能合約;查詢層具有查詢引擎,負(fù)責(zé)對查詢的解析、優(yōu)化、執(zhí)行,包括物化視圖的維護(hù);存儲(chǔ)層包括區(qū)塊鏈和鏈下數(shù)據(jù)(物化視圖、索引等);共識(shí)層負(fù)責(zé)交易的共識(shí),運(yùn)用的協(xié)議為 PBFT[8];最后,網(wǎng)絡(luò)層采用 Gossip協(xié)議.本文專注于查詢層、存儲(chǔ)層和共識(shí)層:物化視圖的更新記錄來自于共識(shí)返回的結(jié)果,查詢層負(fù)責(zé)物化視圖的維護(hù)工作,并將更新后的物化視圖存于存儲(chǔ)層.此外,查詢的結(jié)果來源于存儲(chǔ)層的區(qū)塊數(shù)據(jù)或物化視圖.

• 在此架構(gòu)下,面向添加了關(guān)系語義的聯(lián)盟鏈,我們首次提出一種高效的物化視圖維護(hù)方法以提高查詢的效率,并且提出一種驗(yàn)證方法來確保查詢結(jié)果的正確性.當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)用層接收到客戶端發(fā)來的智能合約調(diào)用請求時(shí),查詢層處理請求,然后調(diào)用智能合約產(chǎn)生一條新的交易,交易通過共識(shí)后被打包進(jìn)區(qū)塊保存在區(qū)塊鏈中.另一方面,查詢層獲取共識(shí)成功的交易進(jìn)行視圖維護(hù),視圖維護(hù)完畢后,將更新后的物化視圖存于存儲(chǔ)層的磁盤中.而當(dāng)系統(tǒng)接收到客戶端的查詢請求時(shí),查詢層判斷該請求是否可以運(yùn)用物化視圖:若可以,則獲取物化視圖數(shù)據(jù)返回給應(yīng)用層;若不能使用物化視圖,則需掃描區(qū)塊鏈查找結(jié)果.接下來我們將回答 3 個(gè)問題:何時(shí)進(jìn)行物化視圖的維護(hù)、如何進(jìn)行物化視圖的維護(hù)以及如何保證物化視圖結(jié)果的正確性

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總結(jié)

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