新型區塊鏈協議: 結合DAG共識與無共識方法實現高吞吐低延遲

區塊鏈技術自比特幣誕生以來取得了顯著進步。隨着遊戲和NFT等新應用場景的出現，業界正在積極探索提升技術效率的方法，尤其是在處理高負載和實現實時延遲方面。當前L1區塊鏈面臨兩大主要挑戰:一是如何在保持低延遲的同時實現高吞吐量,二是確保共識協議的長期穩定性。在解決這些問題的過程中,還需要通過驗證節點的動態參與和重新配置來維持去中心化。

提高吞吐量的一種方法是採用基於DAG的共識協議,如某區塊鏈項目使用的narwhale/Bullshark。這類協議使區塊鏈能夠同時處理大量交易,非常適合遊戲和NFT等應用場景。然而,基於DAG的協議通常會帶來幾秒鍾的延遲,對於普通轉帳或遊戲操作來說時間成本較高。

另一方面,無共識協議(如FastPay)在降低延遲和擴展性方面展現出巨大潛力。這些協議通過消除對共識的需求,允許快速處理交易,無需對並行處理的獨立交易進行全局排序。但是,它們僅限於一類受限的簡單區塊鏈操作,這限制了可實現的智能合約功能,且動態調整驗證者集合可能面臨挑戰。

盡管這些方法具有潛力,但目前尚未在生產級區塊鏈中大規模應用,僅限於學術會議發表。某區塊鏈項目採用的協議結合了基於DAG的共識和無共識方法,以實現兩者優勢:亞秒級延遲和每秒數千筆交易的持續吞吐量。該項目不僅完成了這兩項任務,還保持了在共享對象上執行復雜合約、生成檢查點以及跨時期重新配置驗證者集合的能力。

該協議採用了一種獨特的方法,將上述兩種方案結合。爲確保單一所有者資產(即擁有的對象)操作的安全性,系統在驗證者之間採用了一致的廣播協議,從而實現低於共識的延遲。該協議僅依靠共識來處理在共享對象上運行的復雜智能合約,即任何用戶都可以修改的對象。同時,它還支持網路維護操作,如定義檢查點和重新配置驗證器。在復制的拜佔庭環境中處理交易時,這種創新策略提供了兼顧兩方面優勢的解決方案。

在該協議中,擁有私鑰的用戶創建並簽署交易,以改變他們擁有的對象,或者他們擁有的對象和共享對象的組合。交易被發送到每個驗證節點(通常通過全節點),驗證節點執行一系列有效性和安全性檢查,對其進行籤名,並將已籤名的交易返回給客戶端。客戶端收集來自絕大多數驗證節點的響應以形成交易證書,此時交易可被視爲不可逆(達到最終性)。

證書組裝完成後,將被發送回所有驗證節點,驗證節點檢查其有效性並向客戶確認收到。如果交易僅涉及獨佔對象,交易證書可以立即處理並執行,無需等待共識引擎(直接快速路徑)。所有證書都轉發到基於DAG的共識協議。共識最終輸出證書的總順序;驗證節點檢查並執行包含共享對象的那些交易,客戶可以收集絕大多數驗證節點的響應,將它們組裝成一個效果證書,並將其用作交易結算的證明。隨後,爲每個共識提交形成檢查點,這也用於驅動重新配置協議。

除了主要交易流程外,該協議還提供了多項功能以支持生產級區塊鏈:

1. 在達到最終確定性後實施檢查點協議,生成系統中所有交易的因果歷史。這用於完整審計,以及高效地保持完整節點和滯後驗證節點同步。

2. 支持在每個時期結束時進行重新配置,此時驗證者集合及其投票權可能發生變化。爲確保所有最終交易都包含在一個紀元中,每個紀元都需要仔細關閉並確認最終安全性。

3. 在時期結束時安全地"解鎖"錯誤鎖定的資產,將可能出現的客戶端雙花漏洞造成的損害降到最低。

這種協議爲管理大量價值的區塊鏈提供支持。完整的技術報告詳細介紹了安全和活性協議的運行原理,以及它們在標準分布式系統模型中與部分同步的拜佔庭參與者的安全性證明。