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| 本文作者： 吳陽煜 | 2018-02-11 19:08 |
雷鋒網(wǎng)AI金融評論此前報道，此前發(fā)布了DAG區(qū)塊鏈項目SPECTRE的區(qū)塊鏈初創(chuàng)企業(yè)DAG Labs在2月份正式公布了其最新擴容協(xié)議PHANTOM的技術(shù)細節(jié)，透露其將兼容智能合約，并實現(xiàn)了在鏈上區(qū)塊的線性排列。據(jù)雷鋒網(wǎng)AI金融評論了解，在由伯克利區(qū)塊鏈主辦的特幣技術(shù)交流大會上，DAG Labs的首席科學(xué)家、GHOST協(xié)議的共同作者Yonatan Sompolinsky為在場聽眾詳細介紹了DAG應(yīng)用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)遇到的具體技術(shù)挑戰(zhàn)，并講解了SPRECTRE項目針對區(qū)塊鏈交易的擴展性、安全性的解決方案和基礎(chǔ)參數(shù)調(diào)整。
首先需要明白，區(qū)塊鏈是新生的事物。如果你有一個系統(tǒng)，要改善擴展區(qū)塊鏈的性能，在SPECTRE項目上應(yīng)用DAG（Directed Acyclic Graph，有向無環(huán)圖）能很好地實現(xiàn)這一點。
如圖片所示，首先引出兩個問題。首先，目前區(qū)塊鏈中的交易是怎么樣的？大家可以想象在銀行排隊辦理業(yè)務(wù)的情景，用戶們一個接著一個按序列排好等待，只有當(dāng)上一個用戶完成交易后下一個用戶才能開始行動，通過這樣的方式來保證整個區(qū)塊鏈的一致性和貫徹性。當(dāng)有過多需要辦理業(yè)務(wù)的用戶擠進銀行后，交易堵塞的情況就會變得越來越嚴重。
出于加快交易處理速率的考慮，節(jié)省用戶在等待交易時耗費的時間，DAG的設(shè)計能實現(xiàn)這樣性能的優(yōu)化。對于這批涌進銀行等待交易的用戶，無論他們手持現(xiàn)金還是辦理銀行卡業(yè)務(wù)，DAG網(wǎng)絡(luò)不再進行分類，使他們分成一行行排隊等待，而是加速去為他們辦理業(yè)務(wù)。如果發(fā)生交易沖突，DAG網(wǎng)絡(luò)會先記錄在案，在處理完所有用戶的交易后再對出現(xiàn)的沖突進行處置，從整體上加快整批用戶的交易速率。DAG網(wǎng)絡(luò)通過這樣的安排來取代傳統(tǒng)排序方式的區(qū)塊鏈，由此推廣為DAG應(yīng)用區(qū)塊鏈的日常。
通常從技術(shù)層面來說，在一個分布式的系統(tǒng)里，開發(fā)人員都遵循著“CAP”定理來進行開發(fā)和維護，它們分別是上述提到的一致性、可用性和隔離性。在以往的區(qū)塊鏈中，首先需要注意的因素即為一致性，分布式賬本需要一致，上鏈后的交易信息要保持一致，創(chuàng)建以區(qū)塊，它里面包含的信息必須要和以往的歷史信息保持一致，整個系統(tǒng)都要設(shè)計為盡力維持這個特性。這就是為什么會出現(xiàn)之前圖中看到的，在銀行排隊等待信息同步的情況。DAG區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)則更為注重可用性，保證每個用戶都能在這個網(wǎng)絡(luò)上面完成交易。
DAG應(yīng)用區(qū)塊鏈的技術(shù)挑戰(zhàn)：區(qū)塊混亂生成導(dǎo)致交易沖突
在現(xiàn)在，比特幣的交易速度約為3-7筆每秒，那么什么時候才能到達每秒過千筆的交易速度呢？要實現(xiàn)這樣的交易性能，需要對現(xiàn)有的區(qū)塊鏈系統(tǒng)做出什么改造？我們需要先對區(qū)塊鏈的技術(shù)局限有所了解。首先，讓我們來看看在一個包含十個區(qū)塊的區(qū)塊鏈系統(tǒng)簡化圖，每秒的交易流程是什么樣的。如圖所示，在每個區(qū)塊里儲存的信息都會被導(dǎo)向下一個生成的連接著的區(qū)塊，每個分支都導(dǎo)向最初的創(chuàng)世區(qū)塊，使得信息可追溯，從而形成一條條“樹杈”。
而在DAG應(yīng)用區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)中，每一個區(qū)塊都有相鄰的區(qū)塊可參照，關(guān)注其中一個區(qū)塊，可以發(fā)現(xiàn)其能與其他區(qū)塊相連打通，體現(xiàn)了高度的可用性，但與此同時，區(qū)塊之間打通之后，挖礦行為將由于發(fā)生頻繁有可能導(dǎo)致更多的硬分叉，一致性將遭到挑戰(zhàn)。同時更為嚴重的是：區(qū)塊不再遵循序列來排列之后，在各區(qū)塊里的交易沖突事件將會大幅提升，比如雙花問題（double spending）。
特別地，針對這些問題，在DAG網(wǎng)絡(luò)中的挖礦協(xié)議里形成了兩條共識原則：規(guī)則1，每個新增的區(qū)塊的誕生，都必須以過往的全部區(qū)塊作為參照；規(guī)則2，所有區(qū)塊生成的交易信息都必須在第一時間公布。
這樣一套DAG結(jié)合區(qū)塊鏈的系統(tǒng)，暴露出來的最大缺點在哪?交易的監(jiān)管是一個大問題。如圖所示，比如用戶在某一個區(qū)塊里發(fā)生交易之后，有礦工想進行挖礦時，其交易信息很快就會被公布到整個區(qū)塊鏈，許多礦工都會很快求得挖礦結(jié)果，沖突累積得非常之快。所以最主要的挑戰(zhàn)在于，在這樣的DAG網(wǎng)絡(luò)曲線圖里，通過參考之前的區(qū)塊生成區(qū)塊之后，如何保證新生成的區(qū)塊包含信息的一致性，及隨之而來在交易中產(chǎn)生的大量沖突?
如何分辨抓住針對這個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的攻擊也是一個難題，比如前面提到的雙花問題。當(dāng)交易發(fā)生后，兩個礦工同時挖出結(jié)果的幾率很大，誰獲得交易費用的獎勵?還有，如何計算不同礦工的工作量證明？另外存儲問題也突出的非常嚴重，如果實現(xiàn)了每秒過千筆交易，產(chǎn)生的交易信息數(shù)據(jù)量將會巨大。還有許多其他隨之而產(chǎn)生的問題，但其中最為重要需要解決的首要問題還是一致性。
如何針對這些問題研發(fā)解決方案？根據(jù)前面描述的DAG結(jié)合區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的困境，證明了其只是一個應(yīng)用模型，它本身是一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)框架，而非現(xiàn)成的解決方案，具體DAG應(yīng)用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的案例有好有壞。那么該如何制作一個性能優(yōu)異的DAG應(yīng)用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議?首先在一個復(fù)雜的區(qū)塊鏈環(huán)境中，區(qū)塊呈鏈條、分支狀結(jié)構(gòu)排列，很難找到隱藏其中屬于攻擊者的區(qū)塊，但它會干擾生成正確的區(qū)塊，并會拖慢整個區(qū)塊鏈環(huán)境的速度。所以一個好的DAG應(yīng)用區(qū)塊鏈的協(xié)議，首先需要做到易于分辨找到這些攻擊區(qū)塊。
建立一個DAG應(yīng)用區(qū)塊鏈的協(xié)議，第一原則是命令每個區(qū)塊按照給定次序排列，以此來得到一致性。如前面顯示的這些區(qū)塊，只有給出排列次序后，用戶才會明白哪個是創(chuàng)世區(qū)塊，哪個接在上個區(qū)塊之后，哪個區(qū)塊的交易是優(yōu)先處理，才能實現(xiàn)追溯和保持數(shù)據(jù)的一致性。
由此我們從DAG應(yīng)用區(qū)塊鏈的模型進入到具體的解決方案案例分析。在SPECTRE協(xié)議背后，有一個信息投票機制的考量設(shè)計。試想象一下，在一條區(qū)塊鏈上為許多杰出運動員投票，選出最佳，這就意味著用戶需要選出一個優(yōu)勝者，舍棄其他所有剩下的。這就像是在一個社區(qū)里面，投票的人互相告知自己最喜愛的運動員是哪個，要為哪位運動員投票。我們稱之為“單一贏家投票模式系統(tǒng)”（single winner vote system）。
但在這套系統(tǒng)里面，只是憑借最為多數(shù)的投票量選出唯一一個優(yōu)勝者，而無法對所有候選的運動員做出排名。在一個多勝者投票系統(tǒng)（multi-winner voting system）里，用戶可以對所有候選運動員進行投票，分出名次。由此系統(tǒng)可以整合用戶對所有投票對象的偏好信息，擴展補充了這些信息量。
回到甄別攻擊區(qū)塊的問題上，如圖中所示，我們可以將區(qū)塊與區(qū)塊之間看成是彼此競爭的存在，但針對紅色的這條獨立于主鏈的鏈條，區(qū)塊之間共享所有的信息后也無法得知這條獨立鏈條的存在，所以這條隱藏的孤鏈有小概率的可能在生成區(qū)塊的過程中變成較長的一條，從而奪得對整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的控制。
為了防止這種情況，在SPECTRE的DAG區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，我們采用了全體用戶投票的機制，來形成整個網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。具體到每個區(qū)塊的生成次序，用戶可以在Z區(qū)塊上決定X區(qū)塊和Y區(qū)塊的生成次序，礦工沒有投票權(quán)，只需遵循這樣的順序進行挖掘，去按照算法推導(dǎo)計算Y區(qū)塊在X區(qū)塊之后生成的邏輯過程，防止其出于牟利而主導(dǎo)控制整片區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的生成。當(dāng)指定了具體的投票機制生成區(qū)塊后，在每個區(qū)塊上的投票匯集成大多數(shù)用戶的意見，由此來決定整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的生成次序。
圖中新生產(chǎn)的區(qū)塊，它來源于X區(qū)塊群和Y區(qū)塊群共同投票的結(jié)果，根據(jù)多數(shù)原則，新的區(qū)塊緊跟在X區(qū)塊鏈后生成。藍色的Z區(qū)塊群只承載了X區(qū)塊的信息，沒有參考Y區(qū)塊鏈，這意味著，對于藍色Z區(qū)塊而言，Y區(qū)塊鏈屬于隱藏狀態(tài)，沒有辦法得知它的存在。
這是一個主觀的觀點，同樣的，對于連接在Y區(qū)塊鏈之后的紅色Z區(qū)塊群，由于沒有參考X區(qū)塊的信息，也沒辦法知道X區(qū)塊群的存在。所以，圖中這個黃色區(qū)塊生成的時候，通過參考相鄰的區(qū)塊可以得知，它是一個屬于X的區(qū)塊。依次類推下去，根據(jù)投票機制最終推導(dǎo)出全部區(qū)塊的歸屬，從而確定整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)?？梢钥吹剑琘區(qū)塊鏈沒有參考任何可信的區(qū)塊節(jié)點，實現(xiàn)針對這個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的雙花攻擊辨別。
所以我們可以總結(jié)出來，和一開始提到的其他DAG應(yīng)用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)相比，SPECTRE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計安全性有了很大的提升，原因在于在這樣的機制下，正常用戶生成區(qū)塊之后，攻擊者的區(qū)塊不可能占大多數(shù)的區(qū)塊來發(fā)起攻擊，可信的區(qū)塊永遠優(yōu)于有問題的可疑區(qū)塊，杜絕了51%攻擊的可能性，同時實現(xiàn)了整個網(wǎng)絡(luò)極高的可用性。這樣的設(shè)計保證了，在一秒生成十個甚至過百個區(qū)塊的前提下，在網(wǎng)絡(luò)上包括的可信區(qū)塊在內(nèi)的所有區(qū)塊，不會缺乏排序指令而互相散亂連接，從而導(dǎo)致開始提到的種種引起混亂的安全性問題。
用戶在鏈上，什么時候應(yīng)該公布他們的交易？在區(qū)塊里，公布交易到整個網(wǎng)絡(luò)的速度會有數(shù)百秒的延遲，然后快速廣播到公網(wǎng)上，如果發(fā)生了由于雙花現(xiàn)象引起的交易沖突，在投票機制下會發(fā)生無限延遲的情況。X區(qū)塊群之所以優(yōu)于Y區(qū)塊群能成為主鏈，在于全體用戶投票生成區(qū)塊的機制，而如果X和Y同時公布交易，系統(tǒng)可能將無法即時判斷作出決定。但這樣只會傷害到攻擊者本身，無法對系統(tǒng)造成損失。作為一個可信區(qū)塊，其根據(jù)序列承載上個區(qū)塊信息生成，不會與相鄰區(qū)塊發(fā)生連接，故不會出現(xiàn)雙花問題。
在保證安全性的基礎(chǔ)上，整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出高擴展性。那么，在這個網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)每秒過千筆交易的性能，會遇到哪些限制?首要的局限性體現(xiàn)在帶寬上。如果每秒不限制地生成過百個區(qū)塊，太多的區(qū)塊生成累積將會超出承載，沒有辦法解決任何問題。而是需要根據(jù)不同的目標交易量的設(shè)置，來確定不同類型區(qū)塊的最小帶寬。舉個例子，為了實現(xiàn)一萬TPS的交易性能，SPECTRE調(diào)整每秒五MB的帶寬，每秒生成十個零點五MB規(guī)模的區(qū)塊。
區(qū)塊的帶寬限制和交易頻率存在著擴展性和追求去中心化的取舍關(guān)系：降低區(qū)塊的帶寬能允許更多的用戶參與，有利于去中心化的趨勢發(fā)展，但卻會使交易頻率受影響，如何在它們之間保持平衡是需要重點考慮的問題。試著想象，假如將區(qū)塊的最低帶寬調(diào)整到兩MB每秒，那么每秒能處理的交易額遠遠達不到一萬筆，系統(tǒng)可能會被擁堵的交易淹沒。所以在設(shè)計區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)時，不能出于單純提高更多用戶的參與度的考慮，任意改變區(qū)塊的帶寬和基礎(chǔ)參數(shù)的設(shè)置，這會影響到整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的運營和目標交易性能。
另一個限制是數(shù)據(jù)儲存的問題。如果以每秒產(chǎn)生一MB的信息計算，每天將會生成八十六GB的數(shù)據(jù)量。在SPECTRE區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上，不可能將所有的數(shù)據(jù)都儲存上鏈，這樣才是合理的選擇。因此，我們提出了一個名為“檢查點運轉(zhuǎn)”（rolling checkpoints）的數(shù)據(jù)儲存解決方案。在每天的挖礦工作結(jié)束后，面對數(shù)百個生成的全新區(qū)塊，SPECTRE會將此前發(fā)生的交易數(shù)據(jù)信息儲存在一個固定的中心化節(jié)點，供整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)定期檢查更新。
這需要用戶對系統(tǒng)提交信任，相信此前其儲存的信息沒有遺漏錯誤，或者篡改的情況。在這種情況下，儲存數(shù)據(jù)的中心節(jié)點需要驗證演示儲存數(shù)據(jù)的真實性以保證無誤。同樣，在去中心化的數(shù)據(jù)儲存和系統(tǒng)性能之間，我們必須找到不停尋找更好的辦法來達到平衡。
從當(dāng)前來看，在分層結(jié)構(gòu)的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)治理中，礦工是非常重要的因素，可以影響協(xié)議更新、激勵機制，還能覺得交易的有效性。假設(shè)現(xiàn)在需要購買集裝箱的儲存服務(wù)，只能通過經(jīng)濟激勵的手段來號召工人來提供貨物的搬運儲存服務(wù)。與其相類似，在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層上的礦工服從于工作量證明的共識機制，在驗證支付的獎勵是正確的之后，才會繼續(xù)進行下一項挖礦工作。沒有完善的激勵和獎懲機制，礦工將有可能隨意處置用戶的交易信息，可能會在公網(wǎng)廣播公布，也可能會將正確發(fā)生的交易處理為無效交易。
在SPECTRE的分層結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層相互隔離。在數(shù)據(jù)層上，礦工只負責(zé)收集交易數(shù)據(jù)，確保這些數(shù)據(jù)代表了有效發(fā)生的交易，來形成一個可追溯的不可篡改的共享數(shù)據(jù)庫。而在應(yīng)用層上，需要生成分布式賬本來體現(xiàn)數(shù)據(jù)，解釋每一筆交易的來龍去脈，由于不同的應(yīng)用遵循著不同的交易邏輯，在DAG網(wǎng)絡(luò)中還要接入智能合約等不同的交易系統(tǒng)來實現(xiàn)執(zhí)行，并最終生成交易數(shù)據(jù)以驗證礦工的工作結(jié)果。
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