新型区块链协议: 结合DAG共识与无共识方法实现高吞吐低延迟

区块链技术自比特币诞生以来取得了显著进步。随着游戏和NFT等新应用场景的出现，业界正在积极探索提升技术效率的方法，尤其是在处理高负载和实现实时延迟方面。当前L1区块链面临两大主要挑战:一是如何在保持低延迟的同时实现高吞吐量,二是确保共识协议的长期稳定性。在解决这些问题的过程中,还需要通过验证节点的动态参与和重新配置来维持去中心化。

提高吞吐量的一种方法是采用基于DAG的共识协议,如某区块链项目使用的narwhale/Bullshark。这类协议使区块链能够同时处理大量交易,非常适合游戏和NFT等应用场景。然而,基于DAG的协议通常会带来几秒钟的延迟,对于普通转账或游戏操作来说时间成本较高。

另一方面,无共识协议(如FastPay)在降低延迟和扩展性方面展现出巨大潜力。这些协议通过消除对共识的需求,允许快速处理交易,无需对并行处理的独立交易进行全局排序。但是,它们仅限于一类受限的简单区块链操作,这限制了可实现的智能合约功能,且动态调整验证者集合可能面临挑战。

尽管这些方法具有潜力,但目前尚未在生产级区块链中大规模应用,仅限于学术会议发表。某区块链项目采用的协议结合了基于DAG的共识和无共识方法,以实现两者优势:亚秒级延迟和每秒数千笔交易的持续吞吐量。该项目不仅完成了这两项任务,还保持了在共享对象上执行复杂合约、生成检查点以及跨时期重新配置验证者集合的能力。

该协议采用了一种独特的方法,将上述两种方案结合。为确保单一所有者资产(即拥有的对象)操作的安全性,系统在验证者之间采用了一致的广播协议,从而实现低于共识的延迟。该协议仅依靠共识来处理在共享对象上运行的复杂智能合约,即任何用户都可以修改的对象。同时,它还支持网络维护操作,如定义检查点和重新配置验证器。在复制的拜占庭环境中处理交易时,这种创新策略提供了兼顾两方面优势的解决方案。

在该协议中,拥有私钥的用户创建并签署交易,以改变他们拥有的对象,或者他们拥有的对象和共享对象的组合。交易被发送到每个验证节点(通常通过全节点),验证节点执行一系列有效性和安全性检查,对其进行签名,并将已签名的交易返回给客户端。客户端收集来自绝大多数验证节点的响应以形成交易证书,此时交易可被视为不可逆(达到最终性)。

证书组装完成后,将被发送回所有验证节点,验证节点检查其有效性并向客户确认收到。如果交易仅涉及独占对象,交易证书可以立即处理并执行,无需等待共识引擎(直接快速路径)。所有证书都转发到基于DAG的共识协议。共识最终输出证书的总顺序;验证节点检查并执行包含共享对象的那些交易,客户可以收集绝大多数验证节点的响应,将它们组装成一个效果证书,并将其用作交易结算的证明。随后,为每个共识提交形成检查点,这也用于驱动重新配置协议。

除了主要交易流程外,该协议还提供了多项功能以支持生产级区块链:

1. 在达到最终确定性后实施检查点协议,生成系统中所有交易的因果历史。这用于完整审计,以及高效地保持完整节点和滞后验证节点同步。

2. 支持在每个时期结束时进行重新配置,此时验证者集合及其投票权可能发生变化。为确保所有最终交易都包含在一个纪元中,每个纪元都需要仔细关闭并确认最终安全性。

3. 在时期结束时安全地"解锁"错误锁定的资产,将可能出现的客户端双花漏洞造成的损害降到最低。

这种协议为管理大量价值的区块链提供支持。完整的技术报告详细介绍了安全和活性协议的运行原理,以及它们在标准分布式系统模型中与部分同步的拜占庭参与者的安全性证明。