摘要：月日圣誕夜，伍鳴博士做客火星財(cái)經(jīng)創(chuàng)始學(xué)習(xí)群，分享了使用結(jié)構(gòu)提升中本聰共識(shí)的吞吐率。為什么傳統(tǒng)的基于的中本聰共識(shí)機(jī)制的吞吐率非常低下總結(jié)來(lái)說(shuō)，為了安全，不得不如此。這樣，就繞開(kāi)了中本聰共識(shí)中安全與效率兩難的困境。

12月25日圣誕夜，Conflux CTO伍鳴博士做客「火星財(cái)經(jīng)創(chuàng)始學(xué)習(xí)群」，分享了“Conflux: 使用 DAG 結(jié)構(gòu)提升中本聰共識(shí)的吞吐率”。

Conflux CTO：伍鳴博士
本科畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué)，中科院計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)博士，曾為微軟亞洲研究院（MSRA）系統(tǒng)研究組的高級(jí)研究員，研究方向包括分布式事務(wù)處理系統(tǒng)、圖計(jì)算引擎和人工智能平臺(tái)。近年來(lái)在多個(gè)系統(tǒng)領(lǐng)域的頂級(jí)會(huì)議（如 SOSP、OSDI、NSDI、ATC等）中發(fā)表論文，并擔(dān)任過(guò) OSDI、ASPLOS、HotDep等會(huì)議的程序委員會(huì)委員。

1.基于中本聰共識(shí)的思想，使用 DAG 技術(shù)改造，可以在不犧牲去中心化和安全性的前提下，大幅提高吞吐效率。

2.為什么傳統(tǒng)的基于PoW的中本聰共識(shí)機(jī)制的吞吐率非常低下？總結(jié)來(lái)說(shuō)，為了安全，不得不如此。

3.保證安全性是公鏈系統(tǒng)最核心的要求，PoS雖減少了PoW中挖礦所需要消耗的資源，但同時(shí)引入了很多新的攻擊情形和安全性威脅，目前沒(méi)有很完美的解決方案。

伍鳴博士坦言，目前存在的一些基于PoW的區(qū)塊鏈系統(tǒng)所能提供的交易吞吐率都非常低，由此帶來(lái)很多問(wèn)題，包含用戶體驗(yàn)糟糕、交易費(fèi)用高昂，并進(jìn)一步限制了在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)更有意義的應(yīng)用的能力。

在此背景下，Conflux通過(guò)有向無(wú)環(huán)圖技術(shù)（DAG）與中本聰共識(shí)（比特幣的共識(shí)機(jī)制）的結(jié)合，在不犧牲去中心化和安全性的前提下，提高基于工作量證明（PoW）的區(qū)塊鏈系統(tǒng)的吞吐率。

以下為伍鳴博士直播的詳細(xì)內(nèi)容（由Conflux和火星財(cái)經(jīng)整理）

眾所周知，當(dāng)前區(qū)塊鏈領(lǐng)域面臨的最大的一個(gè)問(wèn)題之一，就是效率的問(wèn)題。業(yè)界已經(jīng)存在的一些基于PoW的區(qū)塊鏈系統(tǒng)（例如比特幣、以太坊）所能提供的交易吞吐率都非常的低。比特幣的極限速度是平均每秒處理大概7個(gè)交易，以太坊是每秒30個(gè)交易，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于像Visa這樣的中心化的交易服務(wù)可以支持每秒上千個(gè)交易的吞吐率。

效率低會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題：

首先，效率低使得現(xiàn)有的區(qū)塊鏈的用戶體驗(yàn)很糟糕，比如交易被加入?yún)^(qū)塊需要等很長(zhǎng)時(shí)間。

其次，吞吐率有限使得交易費(fèi)用高昂。

更進(jìn)一步，交易費(fèi)用高昂限制了在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)更有意義的應(yīng)用的能力。

為了提高效率，大體有以下這么幾個(gè)思路：

通過(guò)調(diào)整出塊時(shí)間和區(qū)塊大小來(lái)提高效率。如萊特幣(2.5 min/1MB block), BCH (10min/32MB block)。但有研究表明，無(wú)論這兩個(gè)參數(shù)如何調(diào)整，提高吞吐率必然以降低安全性為代價(jià)，在第二部分，我將為大家分析這其中的原因。

這可以在不犧牲去中心化和安全性的前提下，大幅提高吞吐效率。

dPoS算法如 EOS 很大程度上犧牲了去中心化，有不小的爭(zhēng)議。而 PoS 算法也存在股權(quán)集中、難以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)程攻擊(Long Range Attack)等去中心化或安全性問(wèn)題。

其中一部分被有些人稱為 Layer 2。 這些方案與 Conflux 目前的解決方案是正交的，它們?cè)趪L試從另一個(gè)角度解決吞吐率問(wèn)題，對(duì)吞吐率的提高是可以效果疊加或優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的。例如，提升全節(jié)點(diǎn)的吞吐率的技術(shù)可以幫助使用分片技術(shù)的系統(tǒng)減少跨鏈交易所造成的性能瓶頸，也可以完成更多的狀態(tài)通道結(jié)算交易。

為什么傳統(tǒng)的基于PoW的中本聰共識(shí)機(jī)制的吞吐率非常的低下？總結(jié)來(lái)說(shuō)，為了安全，不得不如此。

在公有鏈中，為了能讓參與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的機(jī)器節(jié)點(diǎn)對(duì)交易的執(zhí)行達(dá)成共識(shí)，礦工挖出區(qū)塊以后需要在P2P網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行廣播，以便讓所有的機(jī)器獲得一致的賬本結(jié)構(gòu)。每個(gè)礦工會(huì)根據(jù)最長(zhǎng)鏈規(guī)則，選擇將新挖出的區(qū)塊接在它所看到的最長(zhǎng)鏈的末尾。也就是所有誠(chéng)實(shí)的節(jié)點(diǎn)，會(huì)共同延長(zhǎng)這個(gè)最長(zhǎng)的主鏈。這樣，如果惡意的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有>50%的算力就不可能逆轉(zhuǎn)主鏈。

然而，如果網(wǎng)絡(luò)延遲比較大，使得一個(gè)新塊在產(chǎn)生以后還來(lái)不及傳播到全網(wǎng)就會(huì)有其他的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生另外的新塊，就會(huì)在區(qū)塊鏈上產(chǎn)生了大量分叉。

下面讓我們用一個(gè)圖片，來(lái)展示了發(fā)生分叉后區(qū)塊鏈賬本的樣子。

這些分叉帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題。第一，分叉的區(qū)塊最終被丟棄，這浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源。第二，分叉同時(shí)也危害了安全性，如果大量誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)生成的區(qū)塊因?yàn)榉植姹粊G棄，攻擊者只需要少于50%的算力就可以產(chǎn)生出惡意的最長(zhǎng)鏈了。

因此，在比特幣或以太坊中，為了保證安全性，它們需要保持一個(gè)很長(zhǎng)的出塊時(shí)間（即很低的出塊速率），或者維持很小區(qū)塊大小以減小區(qū)塊在網(wǎng)絡(luò)中廣播的延遲，以此來(lái)減少分叉出現(xiàn)的頻率，但同時(shí)也因此大大降低了系統(tǒng)的吞吐率。

提高吞吐率會(huì)引發(fā)分叉，而不同分叉上的兩個(gè)區(qū)塊是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。它們爭(zhēng)奪后續(xù)挖出的確認(rèn)區(qū)塊，來(lái)讓自己所在的分支成為最長(zhǎng)鏈，失敗者則被丟棄。誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)挖出來(lái)的區(qū)塊之間這種無(wú)意義的競(jìng)爭(zhēng)，為攻擊者帶來(lái)了可乘之機(jī)。為了提高安全性，比特幣選擇了降低出塊速度，盡量避免這種情況出現(xiàn)。

那么，如果我們選擇了另一個(gè)思路，即通過(guò)允許每個(gè)區(qū)塊選擇多個(gè)區(qū)塊作為自己的父親或祖先，哪怕在出塊速度很快的時(shí)候，也可以避免誠(chéng)實(shí)區(qū)塊之間無(wú)意義的競(jìng)爭(zhēng)。這樣，就繞開(kāi)了中本聰共識(shí)中安全與效率兩難的困境。

在這種思路下，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將構(gòu)成有向無(wú)環(huán)圖結(jié)構(gòu)(DAG)。下一步要考慮的是，不同的區(qū)塊中的交易，應(yīng)該以什么順序執(zhí)行？這時(shí)，我們通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)安全的有向無(wú)環(huán)圖拓?fù)渑判蛩惴ǎ總€(gè)節(jié)點(diǎn)只需要在自己本地的 DAG 上執(zhí)行一遍這個(gè)算法，就可以獲得一個(gè)區(qū)塊的執(zhí)行順序，這個(gè)算法應(yīng)該保證：

·每個(gè)挖礦的機(jī)器節(jié)點(diǎn)排出來(lái)的序應(yīng)當(dāng)是一致的。

·即使在遭遇雙花攻擊時(shí)，這個(gè)順序也不可被更改。

稍后，我將以 Conflux 為例，來(lái)看一下怎么樣設(shè)計(jì)這個(gè)安全的拓?fù)渑判蛩惴ā?/p>

DAG 技術(shù)有很多了，比如說(shuō) Spectre和 Phantom 算法，這是設(shè)計(jì)思路與我們最接近的算法，都是采用 DAG 角度優(yōu)化 PoW 鏈的效率。但遺憾的是，Spectre 無(wú)法對(duì)所有區(qū)塊排一個(gè)序出來(lái)，這導(dǎo)致它上面無(wú)法跑智能合約。而Phantom 被我們發(fā)現(xiàn)有漏洞。

同時(shí)，還有一些基于 DAG 的算法，與今天講的內(nèi)容相比，形似但非神似，比如說(shuō)雪崩共識(shí)，Hashgraph. 這些算法本質(zhì)上都是聯(lián)盟鏈的算法。與通過(guò)“股權(quán)質(zhì)押”的方式，將聯(lián)盟鏈算法轉(zhuǎn)換成PoS 公鏈算法。但聯(lián)盟鏈轉(zhuǎn)換成PoS公鏈算法的過(guò)程存在安全性問(wèn)題。比較為人熟知的一些針對(duì)PoS的攻擊有，無(wú)利害攻擊（Nothing-at-Stake Attack）和長(zhǎng)程攻擊（Long-Range Attack）。

接下來(lái)我們以Conflux為例，具體從技術(shù)細(xì)節(jié)的角度看一下，利用DAG提高吞吐量的思路是怎么實(shí)現(xiàn)的。

在Conflux中，每個(gè)區(qū)塊包含兩種邊，父邊和引用邊。父邊和引用邊共同構(gòu)成一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖。去掉引用邊，所有父邊又構(gòu)成了一棵樹(shù)。在挖礦環(huán)節(jié)，礦工要監(jiān)聽(tīng) P2P 網(wǎng)絡(luò)中廣播的區(qū)塊，并在本地維護(hù)一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖結(jié)構(gòu)的區(qū)塊賬本。礦工在挖礦時(shí)，新區(qū)塊父邊和引用邊的選擇，需要遵循以下的規(guī)則：

1.在父邊構(gòu)成的樹(shù)中，依據(jù) Ghost 規(guī)則選擇一條主鏈。具體來(lái)說(shuō)，從創(chuàng)世塊開(kāi)始，迭代地去從孩子區(qū)塊中選擇下一個(gè)在主鏈上的區(qū)塊。選擇的規(guī)則是挑選擁有最大子樹(shù)的孩子區(qū)塊。新區(qū)塊的父邊，應(yīng)當(dāng)指向主鏈中最后一個(gè)區(qū)塊。

2.此外，對(duì)于那些既沒(méi)有父邊，也沒(méi)有引用邊指向的區(qū)塊，我們稱為“葉子區(qū)塊”，新區(qū)塊的引用邊要指向所有剩下的葉子區(qū)塊。

有了這些邊的定義，這個(gè)賬本結(jié)構(gòu)就定下來(lái)了，區(qū)塊被廣播后，所有的節(jié)點(diǎn)最終都會(huì)得到一個(gè)結(jié)構(gòu)一致的有向無(wú)環(huán)圖，即一個(gè)一致的賬本。

那么有了一致的賬本以后，所有的節(jié)點(diǎn)如何去決定一個(gè)安全的、一致的區(qū)塊排序呢？我們的核心想法是，首先，這些節(jié)點(diǎn)先在DAG中決定一個(gè)一致的主鏈，然后，再根據(jù)這個(gè)主鏈來(lái)決定一個(gè)一致的區(qū)塊的排序。

下面，讓我們用一個(gè)例子來(lái)看下如何決定一個(gè)一致的區(qū)塊排序。

主鏈的選取同樣遵循 Ghost 規(guī)則，剛剛在選父邊的時(shí)候我提到過(guò)這個(gè)規(guī)則。我們根據(jù)這一規(guī)則，我們將區(qū)塊C,E,H,都選進(jìn)了主鏈。

根據(jù)我們剛剛講的選邊規(guī)則。新區(qū)塊的父邊應(yīng)當(dāng)指向 H, 同時(shí) K 是葉子區(qū)塊。所以新區(qū)塊的引用邊應(yīng)當(dāng)指向 K.（注意：H 的引用邊指向了 G, 所以 G 不是葉子區(qū)塊）。

現(xiàn)在我們有了讓所有節(jié)點(diǎn)對(duì)主鏈產(chǎn)生共識(shí)的機(jī)制。那接下來(lái)，這些節(jié)點(diǎn)如何對(duì)區(qū)塊的全序達(dá)成共識(shí)呢？為了做到這一點(diǎn)，我們引入一個(gè)Epoch的概念。在主鏈上的每一個(gè)區(qū)塊就確定了一個(gè)Epoch。在分叉上的區(qū)塊屬于哪個(gè)Epoch，是由第一個(gè)產(chǎn)生在它之后的主鏈區(qū)塊所在的Epoch決定的。比如，區(qū)塊D屬于Epoch E，因?yàn)镈最先被E引用，所以產(chǎn)生在E之前，但是D并不產(chǎn)生在C之前。按照這個(gè)規(guī)則，我們可以得到一個(gè)一致的排序，如下圖所示。

所以，在Conflux中，我們首先按照Epoch的順序來(lái)給區(qū)塊排個(gè)序。然后在每一個(gè)Epoch內(nèi)部，我們?cè)侔凑胀負(fù)渑判騺?lái)確定區(qū)塊的順序。如果出現(xiàn)平局的情況，我們?cè)俑鶕?jù)區(qū)塊的哈希值來(lái)打破平局。所以這個(gè)圖中的區(qū)塊排好序以后就是這樣的。接下來(lái)我們要為交易排序，Conflux首先按照區(qū)塊的順序去給交易排序。然后在每個(gè)區(qū)塊內(nèi)部，我們就按照交易在區(qū)塊里所在的位置來(lái)排就可以了。

最后，我們來(lái)看一下，交易如果發(fā)生重復(fù)或沖突怎么解決。我們?cè)儆靡粋€(gè)例子來(lái)解釋一下：

這個(gè)例子里面的交易2和交易3發(fā)生了沖突。因?yàn)榻灰?執(zhí)行過(guò)以后，賬戶X里面就沒(méi)有足夠的余額來(lái)完成交易3了，因?yàn)樵谶@個(gè)交易的全序里面，交易3是發(fā)生在交易2之后的，所以我們會(huì)讓交易3變?yōu)闊o(wú)效。另一種情況是，相同的交易有可能被不同的節(jié)點(diǎn)打包到不同的并發(fā)區(qū)塊里，比如交易4。在這種情況下，Conflux只會(huì)接受在全序中出現(xiàn)的第一個(gè)這樣的交易，而把后面的重復(fù)交易無(wú)效掉。

問(wèn)答環(huán)節(jié)：

Q1:Conflux 如何與PoS 公鏈項(xiàng)目對(duì)比？

A1:我們都知道，保證安全性是公鏈系統(tǒng)最核心的要求，因?yàn)楣湵旧砭褪窃跇?gòu)建一個(gè)可信的系統(tǒng)。PoS雖然減少了PoW中挖礦所需要消耗的資源，但同時(shí)它也引入了很多新的攻擊情形和安全性威脅，而且目前沒(méi)有很完美的解決方案。比較為人熟知的一些針對(duì)PoS的攻擊有，無(wú)利害攻擊（Nothing-at-Stake Attack）和長(zhǎng)程攻擊（Long-Range Attack）。出于這個(gè)原因，Conflux堅(jiān)持采用基于POW的共識(shí)機(jī)制，通過(guò)引入DAG的技術(shù)來(lái)打破共識(shí)機(jī)制的性能瓶頸。這是我們?cè)蜏y(cè)試系統(tǒng)實(shí)際跑出來(lái)的結(jié)果。

Q2: Conflux 一筆交易能多久確認(rèn)？

A2: 在沒(méi)有壞人攻擊的情況下，5s 一個(gè) 4MB 大小的區(qū)塊，確認(rèn)時(shí)間約 8 分鐘。在有 30% 算力攻擊的情況下，確認(rèn)時(shí)間約 16 分鐘。

Q3:Conflux的TPS能跑到多少 ?

A3:在談?wù)摵蛯?duì)比 TPS 的時(shí)候，我們需要注意區(qū)分測(cè)試 TPS 的實(shí)驗(yàn)設(shè)定。例如在比特幣中，每一個(gè)區(qū)塊都需要廣播給所有礦工，每一筆交易都被所有人驗(yàn)證過(guò)，我們稱之為一個(gè)交易得到的“全節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證”。在一些 Sharding方案的實(shí)驗(yàn)中，所有的交易被分成 30 份, 每個(gè)節(jié)點(diǎn)可能只驗(yàn)證其中一份。這樣的交易稱為“部分節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證”。很顯然，“部分節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證”交易的總 TPS 是可以成倍于 “全節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證” 的。

Conflux 在共識(shí)層面可以做到 4000-6000 TPS 的“全節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證”, 如果考慮合約執(zhí)行、狀態(tài)讀寫等因素，實(shí)際部署可能會(huì)低一些。Sharding 技術(shù)是共識(shí)層技術(shù)一個(gè)很好的補(bǔ)充，Conflux 有計(jì)劃在未來(lái)實(shí)現(xiàn) Sharding, 提供更高的 “部分節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證” TPS, 為用戶提供多種選擇。

Q4: Conflux的roadmap和相關(guān)時(shí)間計(jì)劃是怎樣的？

A4: 我們計(jì)劃在春節(jié)后測(cè)試網(wǎng)上線，預(yù)計(jì)明年Q3主網(wǎng)上線。

Q5:Conflux會(huì)有代幣發(fā)行嗎？還是挖礦？

A5：Conflux沒(méi)有ERC20，主網(wǎng)上線之后會(huì)有挖礦。

Q6: 那這里會(huì)不會(huì)涉及到PoW，或者挖礦的算力? 另外這里的主要難點(diǎn)是什么?面臨的主要技術(shù)問(wèn)題是什么?

A6: Conflux 是基于中本聰共識(shí)做的改進(jìn)，是一個(gè)PoW 共識(shí)機(jī)制，當(dāng)然會(huì)有挖礦。

這里主要的難點(diǎn)是為DAG的賬本設(shè)計(jì)高效的一致的排序算法。這個(gè)算法要能保證好人之間達(dá)成一致，還能夠抵抗各種復(fù)雜的攻擊情形。

Q7: Conflux是如何預(yù)防雙花攻擊的？

A7: 這個(gè)問(wèn)題回答起來(lái)比較復(fù)雜，先來(lái)看一個(gè)圖

在這個(gè)圖中，我們首先來(lái)看一下一個(gè)攻擊者如何能夠逆轉(zhuǎn)在賬本中的一個(gè)交易，比如交易4。為了做到這一點(diǎn)，一個(gè)攻擊者需要產(chǎn)生一個(gè)交易4的雙花交易，打包到一個(gè)區(qū)塊里面，并且將這個(gè)區(qū)塊在區(qū)塊的全序中插入到區(qū)塊B的前面。

但攻擊者很難做到這一點(diǎn)，主要有兩個(gè)原因。第一個(gè)就是除非攻擊者能夠改變主鏈，不然他不能夠逆轉(zhuǎn)交易，因?yàn)榻灰椎捻樞蚴怯芍麈渷?lái)決定的。比如一個(gè)攻擊者想把一個(gè)塊插在靠前的位置，他能做就是在一個(gè)很早的Epoch里面的區(qū)塊后面接著產(chǎn)生新塊。但是只要這個(gè)塊不在主鏈上，它就最終還是會(huì)屬于一個(gè)很晚的Epoch。因?yàn)楫?dāng)一個(gè)誠(chéng)實(shí)的新塊產(chǎn)生以后，它會(huì)通過(guò)引用邊把這個(gè)攻擊者的區(qū)塊給拉到新的Epoch里面。

第二個(gè)原因就是，如果攻擊者沒(méi)有超過(guò)50%的算力，他就沒(méi)有辦法改變主鏈。

Q8: Conflux的CTPS有測(cè)試數(shù)據(jù)嗎？

A8: CTPS是指確認(rèn)交易的TPS。我們實(shí)驗(yàn)中測(cè)出來(lái)的TPS實(shí)際上就是確認(rèn)交易的TPS。大概在4000~6000。

Q9: 挖礦的話，對(duì)于挖礦設(shè)備具體有什么要求呢？

A9: 我們會(huì)選擇GPU友好的POW算法，所以使用GPU設(shè)備就可以了。