區塊鏈平台排序

『壹』 GHOST，DAG，SPECTRE，PHANTOM和CONFLUX技術原理

  DAG概念，當做繼比特幣，以太坊後新的一代區塊鏈技術(區塊鏈3.0)，那麼DAG區塊鏈是什麼？DAG的由來是什麼？它的技術理念是怎麼樣的？運行在DAG區塊鏈上的協議有哪些？

  要想解釋DAG，離不開Yonatan Sompolinsky 和 Aviv Zohar兩位以色列人，他們是DAG區塊鏈這一概念的提出者。在DAG之前，Aviv Zohar提出了一個GHOST協議(以太坊初期就採用了GHOST協議)，該協議解決的是鏈分叉帶來的安全性問題，而分叉的區塊鏈 在GHOST協議下數據結構就從一條鏈變成了一個樹(Tree)，而之後Aviv Zohar進一步提出了一個inclusive協議，在inclusive協議規則下，區塊的結構就變成了有向無環圖(DAG)。

接下來本文將：

  1.介紹 GHOST協議，DAG由來 背後的 設計原理
  2.介紹三種針對DAG型區塊鏈設計的協議，SPECTRE、PHANTOM和CONFLUX。

  GHOST協議是為了解決 分叉 導致 鏈安全性降低 的一個協議。
  下邊將通過解釋什麼是 分叉 ，為什麼 分叉會降低鏈的安全性 ， 鏈上擴容 為什麼會導致更多分叉來詳細介紹GHOST協議。

一筆比特幣交易為什麼要等6個區塊的交易時長呢？
  等待不是為了 防範51%攻擊 的。落後6個區塊，如果擁有超過51%的算力，只要足夠長的時間，一定能夠產生更長的鏈完成攻擊。它是為了防止 分叉 帶來的風險。
  比特幣在 理想情況 下，不同節點之間有相同的一條區塊鏈，全部節點都是基於 同一個區塊 進行挖礦，但當兩個挖礦節點 幾乎同時 挖到一個新的區塊，當它們接收到對方產生的區塊時，不同的節點將選擇基於 其中一個 區塊挖礦， 分叉 產生了。之後節點會根據哪條 分叉更長 ，選擇哪條是主鏈進行挖礦，而不是主鏈的分叉區塊全部被 拋棄 。
  比特幣每天都會發生 二分叉 ，但出現連續的 六次分叉 幾乎不可能，於是要等待6個區塊的確認時間。(這種分叉不是來自惡意攻擊，是 偶然性以及網路延遲 導致的。

分叉將『攻擊不超過51%算力，比特幣就是安全的』這一理論推翻。
  在比特幣中，當鏈有 分叉 時，將選擇分叉 最長 的鏈作為主鏈，惡意攻擊就是產生一條比主鏈更長的鏈 代替主鏈。
  下圖中藍色區塊代表誠實區塊，紅色代表攻擊區塊。2號、3號藍色區塊產生 分叉 ，此時攻擊節點產生5個攻擊區塊(紅色)就能產生一條 更長 的鏈完成攻擊。雖然藍色區塊總數更多(有6個)， 但分叉的區塊沒有增加鏈的長度 ，這種情況下，紅色攻擊方在算力(假設每個區塊代表算力相同)沒有超過51%的情況下攻擊成功。
  比特幣當前安全的原因在於10分鍾的區塊時間降低了分叉可能性，但其實際安全算力仍低於51%，也就是說，不需要51%的算力也能攻擊成功。

  採用 大區塊 以及 小的產出時間 將導致鏈有 很多分叉。   
  比特幣當前處理交易量很低，改進這個缺陷一個可行方法就是 增大區塊的大小和減小區塊的產出時間 。大區塊需要更多的網路傳輸時間、單位時間更多的區塊數都會導致 更多的分叉 。   
   鏈上擴容的方案對比特幣處理交易能力提升是巨大的 ，假如每個區塊大小變為原來的八倍(8M)，出塊時間縮短為原來的五分之一(2分鍾)，理想情況下，比特幣的處理交易量將變為原來的 40倍 ，實際情況會產生分叉，交易量不會有這么高。

   主鏈選擇中，採用計算最大子樹來代替比特幣中的最長鏈規則。   
  比特幣的最長鏈規則在有分叉情況下，將降低鏈的安全性，分叉越多，安全性越低。鏈上擴容將導致更多分叉，導致鏈不安全。
  Yonatan Sompolinsky提出GHOST規則， 當有分叉時，通過計算最大子樹，也就是每條分叉擁有的所有區塊數來決定哪條鏈是主鏈 。圖0中，鏈在區塊0後分叉了，上邊分叉總計有6個藍色區塊，下邊分叉有5個紅色區塊，藍色區塊1是主鏈，所以 紅色攻擊失敗 。   
   在有大量分叉的情況下，GHOST規則將鏈安全性直接提到了51%，分叉對採用GHOST協議的鏈安全性沒有影響。

  根據GHOST規則，上圖中雖然誠實節點產生了12個區塊，但加入主鏈的只有4個區塊，大量區塊 被丟棄 ，假定比特幣每個區塊大小變為原來的八倍(8M)，出塊時間縮短為原來的十分之一(1分鍾)，分叉率為0.33(產生的區塊加入主鏈的概率)，比特幣的處理交易能力將變為原來的 26.6倍 。
GHOST協議解決了鏈上擴容導致分叉帶來的安全性問題。
區塊的結構類型就從一條鏈變為樹

  在GHOST的提出後，Yonatan Sompolinsky提出一種新的設想，新產生的區塊指向所有已知的分叉末端區塊，即一個區塊有多個父親，此時 區塊鏈就從一條鏈變為多條分叉鏈共同組成的的結構，這樣的鏈結構就被叫做DAG(有向無環圖) 。

Yonatan Sompolinsky進而提出了在DAG上運行的 inclusive協議 ，原理如下：

遺憾的是， Yonatan Sompolinsky之後並沒有詳細介紹補充該協議 ，而是提出了一種新思路的DAG協議——SPECTRE。

  看完上邊內容之後，你會發現， 最長鏈規則下，分叉的區塊對比特幣安全性和交易量沒有任何貢獻 ，白白的浪費了算力，而 GHOST通過計算分叉區塊個數來提升鏈的安全性 ，但分叉區塊除了納入區塊計數外，區塊內包含的交易信息卻全部 被丟棄 。
  這種新的區塊結構帶來了新的特性，當然，比特幣的 最長鏈規則 也可以在DAG上實施，只不過安全性和處理交易能力不佳，而GHOST協議可以提高安全性和處理交易能力，為了 最大化 利用DAG區塊鏈特性，社區提出了不同的協議，接下來介紹Yonatan Sompolinsky 提出的 SPECTRE協議 ，以及 PHANTOM協議 ，以及國內某社區提出的 CONFLUX協議 。

丟棄主鏈概念，所有產生的區塊共同構成賬本，不丟棄任何一個區塊
  只要是產生的區塊就不會被丟棄，所有的區塊都是有效的，所有區塊共同組成賬本，這樣進一步提高了區塊鏈的處理交易能力， 該設計的關鍵在於設計演算法來保證區塊鏈不會被惡意攻擊成功。   
  SPECTRE協議較為復雜，下邊將從其如何產生區塊、如何處理沖突交易以及產生可信交易集三個方面進行描述。

SPECTRE協議中，當產生區塊時，要指向之前所有分叉的末端區塊。
   下圖中，左邊為比特幣產生區塊時，當有分叉出現，新區塊將選擇基於其中一個產生新的區塊，而SPECTRE中，將基於所有分叉末端區塊產生新的區塊。同時，當有新區塊產生時，節點要立刻將新區塊(包含基於哪些區塊產生這一信息)發送給與自己相連接的節點。

  仔細觀察，GHOST協議中雖然有分叉，但每個區塊都只基於前邊某一個區塊產生，而SPECTRE協議中要基於當前節點知道的所有末端區塊產生下一個區塊。

SPECTRE協議將礦工維持交易不沖突的要求剝除   
  比特幣就像一本 權威 的賬本，只要是里邊記錄的，就一定是真的(不考慮分叉和惡意攻擊)，而SPECTRE產生的DAG就像一本 不權威 賬本，里邊的交易信息可能沖突(上邊圖1中兩個1區塊中可能包含沖突交易信息)。   
  該協議下，挖礦節點只 負責迅速挖區塊 (能夠達到1秒一個區塊)，而對分叉中可能包含的沖突交易在挖礦階段並 不做任何處理 ，將記錄交易速度最大化，讓DAG這種區塊鏈有著恐怖的處理交易能力。

  是時候解決挖礦不解決的 沖突交易 問題了，SPECTRE的思路是設計一個計算投票的演算法，讓誠實區塊會投票給誠實的區塊，後邊的誠實區塊會給前邊的 堆疊算力 ，從而讓惡意攻擊失敗，其安全算力也是 51% 。   
  拿雙花舉例，下圖中，X和Y區塊中包含著兩條沖突交易會導致雙花，此時DAG中的區塊會對X和Y進行投票， 決定哪一個交易有效。

投票規則如下，投X的標藍，投Y的標紅，X<Y代表X先於Y：

  根據投票結果，X中的那條交易信息 有效 ，Y中對應的那條交易信息 無效 。   Yonatan Sompolinsky也對 不指向前邊區塊 以及 產生區塊不發給鄰居節點的惡意攻擊 有進行分析，在投票規則中，低於50%算力的攻擊者會失敗。   
   投票聽起來像是一個主動地中心化行為，實際上不是，程序根據當前DAG區塊所處的狀態自發完成這一區塊投票計算過程，就相當於，給定一個DAG數據，輸入為兩條沖突信息，運行該規則演算法，將得出一對沖突交易的哪一個為有效。

SPECTRE可信交易集就相當於超過當前6個區塊的比特幣鏈里組成的交易集合。   區塊鏈從數字加密貨幣的角度來說，就是一個 賬本 ，從賬本上的交易信息中得出每個 賬戶 所擁有的貨幣，所以，得出 確定的、不可能更改 的交易信息就至關重要，SPECTRE可信交易集產生過程如下：

SPECTRE並不會對所有區塊進行排序，所有區塊沒有一個完整的線形順序，有的只是決定沖突信息先後的區塊順序對。   
  比特幣中的高度代表的就是 線形順序 ，高度低的區塊中交易信息先於高度高的區塊里的信息，高度高的區塊就不能 包含和高度低的區塊沖突的交易 ，而SPECTRE有大量的分叉，區塊高度不能代表線形順序，前邊的區塊交易信息不一定先於後邊的分叉區塊交易信息，交易信息的有效性要由投票演算法來決定，區塊投票演算法很快，再加上它將 所有分叉區塊 都包含進來，也就沒有了比特幣所面臨的 分叉風險 (等待6個區塊)，交易確認時間可以達到10秒。
至此，和比特幣相比，SPECTRE對應的DAG區塊鏈有三個特點：

  SPECTRE協議非常 適合DAG型數字加密貨幣 ，但當它用於智能合約時，它的缺陷就出來了，智能合約需要一個 嚴格的線性順序 ，對此Yonatan Sompolinsky新設計了 PHANTOM 協議來對DAG區塊形成一個 線性順序 ，下邊將詳細介紹PHANTOM協議。
SPECTRE和PHANTOM是兩個完整的獨立的協議，不是一個對另一個的補充。

  PHANTOM的挖礦機制和SPECTRE一樣，會產生同樣類型的DAG，不同的是PHANTOM通過對 區塊連通度分析 ，判定區塊誠實還是惡意，按照分類對區塊排序，對DAG區塊產生一個嚴格的 線性順序 ，通過線性順序來判斷 沖突交易有效性 。

DAG中，攻擊者有兩種攻擊手段， 一產生的區塊不基於已知的末端區塊，二不立即發布自己產生的區塊 ，前者會讓自己區塊指向的區塊變少，後者讓其他節點產生的區塊不會指向自己的區塊，這兩種情況都會導致這些惡意區塊的與其它區塊的 連接度低 。
   誠實區塊在考慮網路最大延遲下，經過一定時間一定會傳遍整個網路，一定會被後邊的區塊所指向，誠實節點在產生新區塊時也一定會指向自己所知道的末端區塊。
  通過對 區塊指出去的邊和指向該區塊的邊 進行分析，也就是區塊的 連通度 ，當考慮最大的網路延遲，連通度會有一個 極限值K ，低於該值的區塊可以被認定為惡意區塊，在排序中要處於 劣勢 。

接下來，進行區塊 誠實和惡意 判定，判定分兩步，第一步最重要， 實現復雜也耗費時間 ，主要為通過對區塊連通度的判定，將強連通度的區塊標為藍色視為誠實區塊，弱的標為紅色視為惡意區塊。

  第二步 先對藍色區塊集排序 ，拓撲排序，然後對 紅色區塊集排序 。紅色區塊的順序要處於弱勢，例如上圖中C，它處於A和I之間，那麼它的順序會排在I的前一個區塊，而D、H都會排在C前。 注意通過考慮最大延遲時間設定連通度的值，幾乎所有正常誠實節點產生的區塊都會被標記為藍色
  至此，PHANTOM協議實現了對DAG的 線性排序 ，通過線性順序就可以提取 無沖突交易集 ，進而提取 可信交易集 ，雖然耗時較長，滿足智能合約的要求。

  Yonatan Sompolinsky在PHANTOM協議論文結尾，提出一種將PHANTOM + SPECTRE結合起來的可能協議，沒有詳細展開介紹。下圖是幾種協議的對比：

  至此，介紹了Yonatan Sompolinsky一開始從分叉導致不安全提出的GHOST，到後來將DAG引入區塊鏈，設計了SPECTRE協議，以及為智能合約考慮的PHANTOM協議。接下來，介紹國內某社區提出的CONFLUX協議。

  GHOST有 主鏈但丟棄分叉區塊 ；SPECTRE 沒有主鏈，包含所有分叉，但沒有線性順序 ；PHANTOM 沒有主鏈，包含分叉且有線性順序 ，而CONFLUX 即有主鏈，又是DAG，利用主鏈讓DAG產生線性排序 ，下面將從挖礦機制和區塊排序兩方面來說明CONFLUX協議。

  CONFLUX協議定義了根源邊和參考邊。 新區塊是基於前一個主鏈區塊產生的，新區塊用根源邊(實線)指向前一區塊，用參考邊(虛線)指向分叉的其他區塊末端 ，如下圖最後一個新區塊實線指向H，虛線指向分叉末端區塊K。 根源邊用於代表區塊基於哪個區塊產生，給哪個區塊堆疊算力，參考邊用於表示分叉的其它區塊產生在該區塊之前。

挖礦過程如下：

根源邊只能有一條，參考邊可多條(視情況而定)

以主鏈區塊為分割點，將DAG分段，段間段內設計簡單排序演算法
  CONFLUX協議下產生的區塊鏈如上(圖2)，接下來對其進行線性排序，排序演算法如下：

  通過上述排序，DAG有了一個 線性順序 ，上圖DAG區塊順序為 Genesis, A, B, C, D, F, E, G, J, I, H, and K 。接下來對該線性順序的區塊里的交易信息進行交易排序， 單一區塊 里可能包含的沖突交易將直接按照該區塊內交易信息排列 先後順序 決定。
  至此，CONFLUX對DAG所有區塊產生一個 線性順序 ，進而可以對區塊內交易信息排序，產生 無沖突交易集 ，超過一定時間的無沖突交易組成 可信交易集 。 主鏈只是排序的標尺，作為分割時段的標准，CONFLUX包含所有分叉區塊。

GHOST論文
Inclusive論文
SPECTRE論文
PHANTOM論文
CONFLUX論文
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