u2003u2003DAG概念，当做继比特币，以太坊后新的一代区块链技术(区块链3.0)，那么DAG区块链是什么？DAG的由来是什么？它的技术理念是怎么样的？运行在DAG区块链上的协议有哪些？ u2003u2003要想解释DAG，离不开Yonatan Sompolinsky 和 Aviv Zohar两位以色列人，他们是DAG区块链这一概念的提出者。在DAG之前，Aviv Zohar提出了一个GHOST协议(以太坊初期就采用了GHOST协议)，该协议解决的是链分叉带来的安全性问题，而分叉的区块链 在GHOST协议下数据结构就从一条链变成了一个树(Tree)，而之后Aviv Zohar进一步提出了一个inclusive协议，在inclusive协议规则下，区块的结构就变成了有向无环图(DAG)。 接下来本文将： u2003u20031.介绍 GHOST协议，DAG由来 背后的 设计原理 u2003u20032.介绍三种针对DAG型区块链设计的协议，SPECTRE、PHANTOM和CONFLUX。 u2003u2003GHOST协议是为了解决 分叉 导致 链安全性降低 的一个协议。 u2003u2003下边将通过解释什么是 分叉 ，为什么 分叉会降低链的安全性 ， 链上扩容 为什么会导致更多分叉来详细介绍GHOST协议。 一笔比特币交易为什么要等6个区块的交易时长呢？ u2003u2003等待不是为了 防范51%攻击 的。落后6个区块，如果拥有超过51%的算力，只要足够长的时间，一定能够产生更长的链完成攻击。它是为了防止 分叉 带来的风险。 u2003u2003比特币在 理想情况 下，不同节点之间有相同的一条区块链，全部节点都是基于 同一个区块 进行挖矿，但当两个挖矿节点 几乎同时 挖到一个新的区块，当它们接收到对方产生的区块时，不同的节点将选择基于 其中一个 区块挖矿， 分叉 产生了。之后节点会根据哪条 分叉更长 ，选择哪条是主链进行挖矿，而不是主链的分叉区块全部被 抛弃 。 u2003u2003比特币每天都会发生 二分叉 ，但出现连续的 六次分叉 几乎不可能，于是要等待6个区块的确认时间。(这种分叉不是来自恶意攻击，是 偶然性以及网络延迟 导致的。 分叉将‘攻击不超过51%算力，比特币就是安全的"这一理论推翻。 u2003u2003在比特币中，当链有 分叉 时，将选择分叉 最长 的链作为主链，恶意攻击就是产生一条比主链更长的链 代替主链。 u2003u2003下图中蓝色区块代表诚实区块，红色代表攻击区块。2号、3号蓝色区块产生 分叉 ，此时攻击节点产生5个攻击区块(红色)就能产生一条 更长 的链完成攻击。虽然蓝色区块总数更多(有6个)， 但分叉的区块没有增加链的长度 ，这种情况下，红色攻击方在算力(假设每个区块代表算力相同)没有超过51%的情况下攻击成功。 u2003u2003比特币当前安全的原因在于10分钟的区块时间降低了分叉可能性，但其实际安全算力仍低于51%，也就是说，不需要51%的算力也能攻击成功。 u2003u2003采用 大区块 以及 小的产出时间 将导致链有 很多分叉。 u2003u2003 u2003u2003比特币当前处理交易量很低，改进这个缺陷一个可行方法就是 增大区块的大小和减小区块的产出时间 。大区块需要更多的网络传输时间、单位时间更多的区块数都会导致 更多的分叉 。 u2003u2003 u2003u2003 链上扩容的方案对比特币处理交易能力提升是巨大的 ，假如每个区块大小变为原来的八倍(8M)，出块时间缩短为原来的五分之一(2分钟)，理想情况下，比特币的处理交易量将变为原来的 40倍 ，实际情况会产生分叉，交易量不会有这么高。 u2003u2003 主链选择中，采用计算最大子树来代替比特币中的最长链规则。 u2003u2003 u2003u2003比特币的最长链规则在有分叉情况下，将降低链的安全性，分叉越多，安全性越低。链上扩容将导致更多分叉，导致链不安全。 u2003u2003Yonatan Sompolinsky提出GHOST规则， 当有分叉时，通过计算最大子树，也就是每条分叉拥有的所有区块数来决定哪条链是主链 。图0中，链在区块0后分叉了，上边分叉总计有6个蓝色区块，下边分叉有5个红色区块，蓝色区块1是主链，所以 红色攻击失败 。 u2003u2003 u2003u2003 在有大量分叉的情况下，GHOST规则将链安全性直接提到了51%，分叉对采用GHOST协议的链安全性没有影响。 u2003u2003根据GHOST规则，上图中虽然诚实节点产生了12个区块，但加入主链的只有4个区块，大量区块 被丢弃 ，假定比特币每个区块大小变为原来的八倍(8M)，出块时间缩短为原来的十分之一(1分钟)，分叉率为0.33(产生的区块加入主链的概率)，比特币的处理交易能力将变为原来的 26.6倍 。 GHOST协议解决了链上扩容导致分叉带来的安全性问题。 区块的结构类型就从一条链变为树 u2003u2003在GHOST的提出后，Yonatan Sompolinsky提出一种新的设想，新产生的区块指向所有已知的分叉末端区块，即一个区块有多个父亲，此时 区块链就从一条链变为多条分叉链共同组成的的结构，这样的链结构就被叫做DAG(有向无环图) 。 Yonatan Sompolinsky进而提出了在DAG上运行的 inclusive协议 ，原理如下： 遗憾的是， Yonatan Sompolinsky之后并没有详细介绍补充该协议 ，而是提出了一种新思路的DAG协议——SPECTRE。 u2003u2003看完上边内容之后，你会发现， 最长链规则下，分叉的区块对比特币安全性和交易量没有任何贡献 ，白白的浪费了算力，而 GHOST通过计算分叉区块个数来提升链的安全性 ，但分叉区块除了纳入区块计数外，区块内包含的交易信息却全部 被丢弃 。 u2003u2003这种新的区块结构带来了新的特性，当然，比特币的 最长链规则 也可以在DAG上实施，只不过安全性和处理交易能力不佳，而GHOST协议可以提高安全性和处理交易能力，为了 最大化 利用DAG区块链特性，社区提出了不同的协议，接下来介绍Yonatan Sompolinsky 提出的 SPECTRE协议 ，以及 PHANTOM协议 ，以及国内某社区提出的 CONFLUX协议 。 丢弃主链概念，所有产生的区块共同构成账本，不丢弃任何一个区块 u2003u2003只要是产生的区块就不会被丢弃，所有的区块都是有效的，所有区块共同组成账本，这样进一步提高了区块链的处理交易能力， 该设计的关键在于设计算法来保证区块链不会被恶意攻击成功。 u2003u2003 u2003u2003SPECTRE协议较为复杂，下边将从其如何产生区块、如何处理冲突交易以及产生可信交易集三个方面进行描述。 SPECTRE协议中，当产生区块时，要指向之前所有分叉的末端区块。 u2003u2003 下图中，左边为比特币产生区块时，当有分叉出现，新区块将选择基于其中一个产生新的区块，而SPECTRE中，将基于所有分叉末端区块产生新的区块。同时，当有新区块产生时，节点要立刻将新区块(包含基于哪些区块产生这一信息)发送给与自己相连接的节点。 u2003u2003仔细观察，GHOST协议中虽然有分叉，但每个区块都只基于前边某一个区块产生，而SPECTRE协议中要基于当前节点知道的所有末端区块产生下一个区块。 SPECTRE协议将矿工维持交易不冲突的要求剥除 u2003u2003 u2003u2003比特币就像一本 权威 的账本，只要是里边记录的，就一定是真的(不考虑分叉和恶意攻击)，而SPECTRE产生的DAG就像一本 不权威 账本，里边的交易信息可能冲突(上边图1中两个1区块中可能包含冲突交易信息)。 u2003u2003 u2003u2003该协议下，挖矿节点只 负责迅速挖区块 (能够达到1秒一个区块)，而对分叉中可能包含的冲突交易在挖矿阶段并 不做任何处理 ，将记录交易速度最大化，让DAG这种区块链有着恐怖的处理交易能力。 u2003u2003是时候解决挖矿不解决的 冲突交易 问题了，SPECTRE的思路是设计一个计算投票的算法，让诚实区块会投票给诚实的区块，后边的诚实区块会给前边的 堆叠算力 ，从而让恶意攻击失败，其安全算力也是 51% 。 u2003u2003 u2003u2003拿双花举例，下图中，X和Y区块中包含着两条冲突交易会导致双花，此时DAG中的区块会对X和Y进行投票， 决定哪一个交易有效。 投票规则如下，投X的标蓝，投Y的标红，X<Y代表X先于Y： u2003u2003根据投票结果，X中的那条交易信息 有效 ，Y中对应的那条交易信息 无效 。 u2003u2003Yonatan Sompolinsky也对 不指向前边区块 以及 产生区块不发给邻居节点的恶意攻击 有进行分析，在投票规则中，低于50%算力的攻击者会失败。 u2003u2003 u2003u2003 投票听起来像是一个主动地中心化行为，实际上不是，程序根据当前DAG区块所处的状态自发完成这一区块投票计算过程，就相当于，给定一个DAG数据，输入为两条冲突信息，运行该规则算法，将得出一对冲突交易的哪一个为有效。 SPECTRE可信交易集就相当于超过当前6个区块的比特币链里组成的交易集合。 u2003u2003区块链从数字加密货币的角度来说，就是一个 账本 ，从账本上的交易信息中得出每个 账户 所拥有的货币，所以，得出 确定的、不可能更改 的交易信息就至关重要，SPECTRE可信交易集产生过程如下： SPECTRE并不会对所有区块进行排序，所有区块没有一个完整的线形顺序，有的只是决定冲突信息先后的区块顺序对。 u2003u2003 u2003u2003比特币中的高度代表的就是 线形顺序 ，高度低的区块中交易信息先于高度高的区块里的信息，高度高的区块就不能 包含和高度低的区块冲突的交易 ，而SPECTRE有大量的分叉，区块高度不能代表线形顺序，前边的区块交易信息不一定先于后边的分叉区块交易信息，交易信息的有效性要由投票算法来决定，区块投票算法很快，再加上它将 所有分叉区块 都包含进来，也就没有了比特币所面临的 分叉风险 (等待6个区块)，交易确认时间可以达到10秒。 至此，和比特币相比，SPECTRE对应的DAG区块链有三个特点： u2003u2003SPECTRE协议非常 适合DAG型数字加密货币 ，但当它用于智能合约时，它的缺陷就出来了，智能合约需要一个 严格的线性顺序 ，对此Yonatan Sompolinsky新设计了 PHANTOM 协议来对DAG区块形成一个 线性顺序 ，下边将详细介绍PHANTOM协议。 SPECTRE和PHANTOM是两个完整的独立的协议，不是一个对另一个的补充。 u2003u2003PHANTOM的挖矿机制和SPECTRE一样，会产生同样类型的DAG，不同的是PHANTOM通过对 区块连通度分析 ，判定区块诚实还是恶意，按照分类对区块排序，对DAG区块产生一个严格的 线性顺序 ，通过线性顺序来判断 冲突交易有效性 。 DAG中，攻击者有两种攻击手段， 一产生的区块不基于已知的末端区块，二不立即发布自己产生的区块 ，前者会让自己区块指向的区块变少，后者让其他节点产生的区块不会指向自己的区块，这两种情况都会导致这些恶意区块的与其它区块的 连接度低 。 u2003u2003 诚实区块在考虑网络最大延迟下，经过一定时间一定会传遍整个网络，一定会被后边的区块所指向，诚实节点在产生新区块时也一定会指向自己所知道的末端区块。 u2003u2003通过对 区块指出去的边和指向该区块的边 进行分析，也就是区块的 连通度 ，当考虑最大的网络延迟，连通度会有一个 极限值K ，低于该值的区块可以被认定为恶意区块，在排序中要处于 劣势 。 接下来，进行区块 诚实和恶意 判定，判定分两步，第一步最重要， 实现复杂也耗费时间 ，主要为通过对区块连通度的判定，将强连通度的区块标为蓝色视为诚实区块，弱的标为红色视为恶意区块。 u2003u2003第二步 先对蓝色区块集排序 ，拓扑排序，然后对 红色区块集排序 。红色区块的顺序要处于弱势，例如上图中C，它处于A和I之间，那么它的顺序会排在I的前一个区块，而D、H都会排在C前。 注意通过考虑最大延迟时间设定连通度的值，几乎所有正常诚实节点产生的区块都会被标记为蓝色 u2003u2003至此，PHANTOM协议实现了对DAG的 线性排序 ，通过线性顺序就可以提取 无冲突交易集 ，进而提取 可信交易集 ，虽然耗时较长，满足智能合约的要求。 u2003u2003Yonatan Sompolinsky在PHANTOM协议论文结尾，提出一种将PHANTOM + SPECTRE结合起来的可能协议，没有详细展开介绍。下图是几种协议的对比： u2003u2003至此，介绍了Yonatan Sompolinsky一开始从分叉导致不安全提出的GHOST，到后来将DAG引入区块链，设计了SPECTRE协议，以及为智能合约考虑的PHANTOM协议。接下来，介绍国内某社区提出的CONFLUX协议。 u2003u2003GHOST有 主链但丢弃分叉区块 ；SPECTRE 没有主链，包含所有分叉，但没有线性顺序 ；PHANTOM 没有主链，包含分叉且有线性顺序 ，而CONFLUX 即有主链，又是DAG，利用主链让DAG产生线性排序 ，下面将从挖矿机制和区块排序两方面来说明CONFLUX协议。 u2003u2003CONFLUX协议定义了根源边和参考边。 新区块是基于前一个主链区块产生的，新区块用根源边(实线)指向前一区块，用参考边(虚线)指向分叉的其他区块末端 ，如下图最后一个新区块实线指向H，虚线指向分叉末端区块K。 根源边用于代表区块基于哪个区块产生，给哪个区块堆叠算力，参考边用于表示分叉的其它区块产生在该区块之前。 挖矿过程如下： 根源边只能有一条，参考边可多条(视情况而定) 以主链区块为分割点，将DAG分段，段间段内设计简单排序算法 u2003u2003CONFLUX协议下产生的区块链如上(图2)，接下来对其进行线性排序，排序算法如下： u2003u2003通过上述排序，DAG有了一个 线性顺序 ，上图DAG区块顺序为 Genesis, A, B, C, D, F, E, G, J, I, H, and K 。接下来对该线性顺序的区块里的交易信息进行交易排序， 单一区块 里可能包含的冲突交易将直接按照该区块内交易信息排列 先后顺序 决定。 u2003u2003至此，CONFLUX对DAG所有区块产生一个 线性顺序 ，进而可以对区块内交易信息排序，产生 无冲突交易集 ，超过一定时间的无冲突交易组成 可信交易集 。 主链只是排序的标尺，作为分割时段的标准，CONFLUX包含所有分叉区块。 GHOST论文 Inclusive论文 SPECTRE论文 PHANTOM论文 CONFLUX论文 DAGlabs 相关讲解视频合集
