如何在以太坊区块链上存储数据

引言

以太坊区块链在数据存储的一致性、去中心化和易用性方面具有优势。以太坊区块链是个人和组织希望保护敏感数据的热门选择，因为它透明、安全且不可篡改。本教程主要关注在以太坊区块链中存储信息。

以太坊数据存储

以太坊是一个去中心化平台，支持去中心化应用程序 (dApps) 和智能合约。数据可以保存在集成解决方案中，也可以保存在以太坊区块链本身上。

1. 不可篡改：一旦记录到以太坊上的数据就无法更改。它的不可篡改性确保了信息的可靠性和完整性。
2. 透明度：存储在以太坊上的所有数据都可供公众访问，确保了透明度。智能合约和去中心化应用程序的信任取决于这种透明度。
3. 去中心化：通过将数据分布到多个节点，以太坊存储使系统更具弹性，并减少了单点故障的可能性。

区块链数据存储的重要性

以下解释了区块链上数据存储的重要性。

1. 不可篡改性：不可篡改性对于维护数据完整性和信任至关重要，因为它保证记录是永久且不可更改的。
2. 透明度：透明度允许参与者独立验证数据和交易，从而增强了他们的信心。它对于供应链管理等用例是必要的，其中投资者应验证商品的真实性和可追溯性。
3. 安全性：数字签名、加密哈希和共识算法等功能可防止数据篡改、未经授权的访问和网络攻击。这对于需要敏感数据的应用程序非常重要。
4. 可审计性：彻底监控和验证交易和数据修改的能力称为可审计性。此功能对于法规遵从性、财务审计和争议解决非常有利。
5. 信任和共识：共识方法确保网络中的每个人都同意信息和交易是真实的。这种方法不仅增强了参与者的信心，而且消除了中央机构验证交易的需要。

什么是以太坊账户模型？

以太坊账户有两种类型。它们是

1. EOAs 或外部拥有账户

外部拥有的以太坊账户由私钥管理，是最常见的类型。组织和个人使用它们来转移和获取以太币 (ETH) 并与智能合约进行通信。

组成部分

1. 地址：每个账户独有的数字，源自公钥。它用于发送和获取以太币，并与智能合约协作。
2. 私钥：它是只有账户持有人才知道的秘密密钥。它用于签署交易和验证账户所有权。
3. 余额：显示账户中的以太币数量。它存储在区块链上并可供公众访问。

操作

1. 交易：为了与智能合约交互或发送以太币，EOA 可以启动交易。交易需要使用私钥生成的数字签名。
2. Gas：对于合约交互和交易，EOA 使用以太币支付 Gas 费。

2. 合约账户

我们将由智能合约代码控制的账户称为合约账户。它们可以响应交易或函数调用执行代码并存储数据。与 EOA 不同，合约账户没有私钥，而是由内置的程序控制。

组成部分

1. 地址：与 EOA 类似，合约账户具有唯一的地址，这些地址源自导致合约创建的交易。
2. 代码：确定智能合约功能和性质的代码。此代码由 EVM 运行。
3. 存储：存储在合约状态变量中的信息。这些永久数据可以由合约的函数读取和更改。

操作

1. 函数调用：合约账户通过函数调用执行代码定义的 operasi。这些函数可以更改存储、发出事件并与其他合约通信。
2. 状态更改：合约账户维护存储状态变量的位置。状态更改需要汽油费，并记录在区块链上。

存储与状态

数据存储类型

以下是数据存储的基本类型

1. 链上存储：数据存储在实际区块链上。通过将更改记录在区块链的分类账中，此方法确保数据可见且不可篡改。示例包括存储状态变量和合约逻辑、监控资产转移和金融交易等。
2. 链下存储：存储在链下但与链上数据链接或引用的数据。网络压力得以减轻，并且此策略可能非常划算。例如，保留哈希、描述或链下内容的引用。
3. 去中心化存储解决方案：通过将数据存储在去中心化网络上，可以提高安全性、可用性和冗余。两个例子是 IPFS 和 Arweave。
4. 云存储：数据存储在由云服务提供商管理的远程服务器上。此策略依赖于外部源并且是中心化的。两个例子是亚马逊网络服务 (AWS) 和谷歌云存储。
5. 本地存储：存储数据的物理硬件或本地系统示例包括硬盘和固态硬盘。数据可快速访问且不依赖于网络连接。客户端完全负责他们的数据和存储设备。其中包括硬盘、固态硬盘和外置硬盘。
6. 混合存储：它结合了链下和链上存储的元素，以利用这两种方法的优势。它在链下存储的可伸缩性和成本与链上存储的不可篡改性和安全性之间取得了平衡。一个例子是文件哈希的存储。

用于数据存储的智能合约

智能合约可以将其内部状态中的数据存储起来，这些数据是永久的并由 EVM 管理。这通过使用状态变量实现，状态变量是合约内部状态的一部分。

1. 状态变量：这些变量用于在区块链上存储数据，并在智能合约内部定义。它们在函数调用和交易中都保持不变。
2. 存储布局：EVM 采用键值存储格式来存储合约。每个状态变量都有一个存储槽（键）。存储槽由状态变量的名称和序列决定。每个槽可以容纳 32 字节的数据。
3. Gas 成本：每当状态变量中的数据发生更改时，都会产生 Gas 成本。写入比从状态变量读取更昂贵。
4. 数据类型：数据类型包括地址、布尔值和整数等基本类型，以及数组、映射和结构等更复杂的类型。
5. 计算和存储成本：减少写入的数据量和简化数据结构可以降低 Gas 成本。对于大型或很少访问的数据，应考虑链下存储选项。
6. 安全注意事项：更改状态变量的函数必须得到适当保护，以防止未经授权的访问。确保输入和数据完整性正确，以防止漏洞和攻击。
7. 用例：应用程序包括在代币合约中存储元数据、所有权信息和代币余额。应用程序状态、用户数据和业务逻辑都由 dApps 控制。

以太坊用于存储大数据

以下是以太坊大数据管理的一些方法

1. 链上引用：将所有数据记录在区块链上。此计划具有成本效益。
2. 链下存储：它利用去中心化存储平台（如 Filecoin、Arweave 或 IPFS (星际文件系统)）将大量记录或数据存储在链下。
3. 利用数据压缩：在将数据放到链上之前对其进行压缩。虽然它不能完全解决问题，但这种方法可以减少存储需求和成本。
4. 存储带有数据链接的元数据：只将最关键的信息保留在链上，并将实际数据保留在链下。这避免了不必要的存储成本，同时保持了链上不可篡改的优势。
5. 第二层解决方案：Optimistic 和 zk-Rollups 可以通过将各种交易协调成单个提交到基本以太坊链所需的必要数据来帮助降低成本。
6. 数据分片：以太坊 2.0 将使用分片。通过增加网络容量，分片可能有助于其更有效地处理和存储大量数据。
7. 自定义智能合约：使用优化的数据结构或分块数据存储来创建更有效地处理数据的智能合约。
8. 数据聚合：存储汇总或聚合数据而不是原始数据。这减少了您必须在链上维护的数据量，同时为您提供了关键信息。

访问和检索数据

以下是以太坊数据访问和检索过程的概述

1. 将链上引用与链下存储结合使用：使用智能合约或区块链节点在以太坊区块链上查找数据引用。该引用可用于从链下存储获取实际数据。
2. 从压缩数据中获取：压缩数据可以使用智能合约或节点从以太坊区块链中取出。使用适当的工具或库解压缩数据。
3. 使用元数据中的链接：使用以太坊区块链查询链上元数据。您应该点击元数据中的链接以查看实际的链下数据。
4. 与第二层解决方案通信：使用第二层解决方案获取数据。为了有效地获取数据，请利用相关合约或 API。
5. 从自定义智能合约中获取：查询智能合约以获取链上数据。信息可以直接从合约中恢复或根据其条款进行处理。

数据隐私和安全

以下是如何在以太坊区块链上处理安全和隐私的概述。

1. 加密：在链上存储敏感数据之前对其进行加密。只有获得批准的个人才应拥有解密密钥。
2. 链下存储：在链下存储大量或敏感数据，同时在链上保留引用。在保持隐私的同时，这利用了区块链的不可篡改性来存储元数据。
3. 零知识证明 (ZKPs)：这用于在不透露实际数据的情况下显示数据的准确性。
4. 智能合约审计：定期对智能合约进行审计，以查找漏洞并遵循安全编码的最佳实践。
5. 访问控制：在智能合约中使用访问限制来限制谁可以读取或更改数据。
6. 安全密钥管理：使用硬件钱包或安全密钥管理软件来保护私钥。

去中心化存储解决方案

以下是去中心化存储选项的概述

1. 星际文件系统 (IPFS)：它是一种点对点协议，可促进国际文件存储和共享。它可用于共享和存储大文件和数据。在链下存储文件并在链上引用它们时，以太坊和 IPFS 通常结合使用。
2. Filecoin：它是一个基于区块链的去中心化存储网络，构建在 IPFS 之上。它为希望长期存储和恢复保证的客户提供了一个存储买卖市场。
3. Arweave：Arweave 是一个旨在长期存储数据的去中心化网络。它使用一种名为 blockweave 的结构，看起来像一个区块链。对于需要无限期保存的数据，它被认为是单次前期购买的最佳选择。
4. Sia：Sia 是一个基于分布式网络的去中心化云存储平台，它在存储数据之前对其进行加密和分离。它通过加密和分布式存储提供了一种经济高效的存储解决方案，并集成了冗余和安全性。
5. Swarm：它是一个去中心化存储和通信框架，是以太坊生态系统的重要组成部分。除了为去中心化应用程序提供可扩展的基础设施外，它还旨在存储以太坊数据，包括来自智能合约的数据。

用例和示例

1. 投票记录：去中心化自治组织 (DAO) 使用以太坊管理代币持有者的投票和决策。
2. 身份验证：去中心化身份系统使用以太坊存储验证凭据和身份特征，以确保安全和可验证的身份管理。
3. 法律协议和合约：智能合约可以总结法律协议并根据预设条件自动执行。
4. 供应链监控：智能合约记录产品的每一次交易和移动以及供应链，从而实现透明和不可更改的跟踪。
5. 游戏状态和资产：游戏利用以太坊存储玩家数据、资源所有权以及游戏状态，以鼓励透明度和简化资源交易。

框架和工具

以下是用于在以太坊区块链上存储数据的结构和资源的概述

1. 以太坊开发框架

1. Truffle：它是一个完整的以太坊开发环境，包括用于数据管理和合约部署迁移脚本以及智能合约测试的交互式控制台。
2. Hardhat：它是一个最先进的以太坊开发环境，提供了一种快速灵活的智能合约开发方法。其中包括本地以太坊网络调试工具和用于管理数据和智能合约的强大插件系统。
3. Brownie：它是一个基于 Python 的以太坊开发框架，与基于 Python 的工具和库集成，使智能合约测试和部署更容易。

2. 去中心化存储工具

1. 星际文件系统 (IPFS)：IPFS 是一种用于去中心化文件共享和存储的技术。通过其内容可寻址存储，可以使用其内容哈希查找文件。
2. Filecoin：它是在 IPFS 之上开发的，是一个去中心化存储网络，通过提供存储市场，客户端可以在其中交易存储，从而鼓励供应商提供可靠的存储选项。
3. Arweave：Arweave 去中心化存储网络提供一次性付费、永久存储的持久数据存储。确保数据持久性和不可篡改性。

3. 智能合约开发

1. Solidity：Solidity 是以太坊智能合约开发的主要编程语言。它提供了用于创建智能合约（包括存储和数据管理）的语法和功能。
2. Vyper：Vyper 是一种基于 Python 的以太坊智能合约语言，高度重视安全性和可用性。它的目标是比 Solidity 更具可读性和安全性，重点是减少漏洞。

4. 调试和测试工具

1. Ganache：这个以开发为重点的个人以太坊区块链可以快速灵活地测试智能合约。它在确定性区块链环境中提供对网络状态和账户的控制。
2. Remix IDE：这个浏览器内集成开发环境 (IDE) 用于 Solidity 智能合约，包括用于测试、调试和编程的工具。它为智能合约开发、实施和调试提供了动态环境。

5. 前端工具和库

1. Web3.js：它是一个 JavaScript 包。JSON 允许 Web 应用程序连接到以太坊区块链。它具有用于读取和写入区块链、管理智能合约以及与以太坊节点交互的工具。
2. Ether.js：它是一个轻量级、注重安全的 JavaScript 库，用于与以太坊区块链交互。它提供用于管理钱包、与智能合约交互以及处理以太坊交易的资源。
3. Drizzle：这个前端库可以将以太坊智能合约与 Web 应用程序集成。它管理应用程序状态并简化与智能合约的通信。

6. 部署和集成

1. Infura：通过提供对以太坊和 IPFS 网络的可伸缩 API 访问，Infura 可以在不需要操作整个节点的情况下与区块链网络通信。
2. Alchemy：一个区块链基础设施平台，提供增强的以太坊 API 服务，包括监控和分析工具。

数据存储最佳实践

以太坊区块链数据存储的重要最佳实践包括以下几点

1. 只存储关键数据：由于 Gas 价格高昂和存储空间有限，只有基本数据才应保留在链上。对于更大或不那么关键的数据，链下存储是最佳选择。
2. 使用引用：在链上保存引用或哈希而不是完整数据。因此，链上存储变得不那么昂贵。
3. 压缩数据：减少链上存储的数据量是数据压缩解决方案可以降低 Gas 成本的一种方式。
4. 防止冗余数据：防止保留不必要或冗余数据，以降低存储成本并提高合约性能。
5. 频繁审计智能合约：频繁检查智能合约是否存在缺陷或弱点。使用自动化工具或聘请经过认证的审计师来确保代码安全。

数据存储挑战

以太坊区块链数据存储的主要障碍如下

1. 高昂的 Gas 费用：以太坊数据存储的 Gas 成本很高。这意味着将大量或频繁更新的数据保留在链上可能在经济上不可行。
2. 高昂的运营成本：进行交易和智能合约操作时会产生 Gas 成本。

结论

利用以太坊区块链进行数据存储具有多种优势，包括不可篡改性、去中心化、可访问性和智能合约执行。以太坊区块链使用一种高效且小型的数据结构，称为尝试 (tries) 来存储数据。通过 web3.js 向以太坊节点提交请求。您可以使用各种数据库软件应用程序（例如 Apache、Cassandra、Amazon、DynamoDB 和 Microsoft Azure、Cosmos DB）从以太坊区块链中恢复信息，这些应用程序可以存储尝试。