【科普小知识】图结构区块链- 大数跨境

华链时代timechainer

2021-08-11

导读：图结构区块链是由交易单元组成的网络，可以异步并发写入交易，好比多核、多线程CPU。

传统区块链和图结构区块链的区别，简单地说就是拓扑。区块链是由区块组成的单链，只能按出块时间同步依次写入，好比单核、单线程CPU；图结构区块链是由交易单元组成的网络，可以异步并发写入交易，好比多核、多线程CPU。当前较有代表性的图结构区块链的共识协议有：Tangle、Hashgraph、SPECTRE/PHANTOM等。

1.Tangle

Tangle是IOTA项目背后的共识协议，早在2013年就已经提出。协议概述：以交易来组织网络，一个节点发起新交易时，在tangle网络中找到2笔合法的历史交易作为父交易，并将自己的新交易指向两笔交易作为子交易，指向的过程也对父交易进行了验证。至于如何选取验证的父交易，Tangle采用马尔可夫蒙特卡洛（Markov Chain Monte Carlo，MCMC）随机游走的方法，其目的是保证尽可能均匀地选出当前已记入账本的交易作为父交易，从而提升整体网络的确认度。同时，为提高产生交易的门槛，Tangle中加入了交易的权重指标，由生成该交易完成的工作量决定交易权重的大小（如哈希值开头是几个0等），每个交易都具有累计权重，即该交易的权重加上所有直接、间接确认该交易的权重总和，代表着交易的确认度。另一方面，Tangle给每个交易进行打分，其分数由该交易直接或间接确认的交易的总权重构成，并限定新交易只能确认分数达到一定标准的旧交易作为父交易，从而避免新交易过多选取过旧交易作为父交易的行为，保证网络的健康成长。

Tangle的优势有如下几点：（1）由于新交易的加入较为轻量且方便，Tangle网络中没有记账费用，对小额支付场景十分友好；（2）由于Tangle网络中交易相互确认的特性，使得该网络具有交易量越大，交易越快被确认的特点。

然而，Tangle目前也存在一定的问题：（1）Tangle中的共识是一种脆弱的共识，也就是随时间推移，交易确认度不一定上升；因此在整体Tangle网络中节点较少的当前，Tangle放置了一个闭源的协调者，该协调者发送milestone交易，并设定由该交易直接或间接确认的交易均为可信度100%的交易；然而，该协调者目前仍是中心化的实现，其降低了Tangle网络的去中心化程度；（2）Tangle中的共识是由全网交易确定的，理论上讲，如果有人能够产生1/3的交易量，就可以将无效交易变成有效交易；（3）Tangle网络中交易无手续费，所以没有矿工激励，其面临着拒绝服务攻击和垃圾信息攻击的可能。

2.Hashgraph

根据Hashgraph白皮书定义，其本质上是一种数据结构和共识算法，旨在解决异步拜占庭容错问题。根据FLP定理，在网络可靠且存在节点失效的异步分布式系统中，不存在一个可以解决一致性问题的确定性算法，可见Hashgraph也并非一个完美的异步拜占庭容错算法。Hashgraph对确定性做了些许放宽，即在特定条件下，共识算法可能无法终止（即区块链中无法给出交易排序结果），但这种事件发生的概率极低，随着更多信息的汇入，共识算法无法终止的概率无限趋近于0.Hashgraph主要通过互相投票（Gossip about Gossip）以及虚拟投票（Virtual Voting）来实现共识过程，概述如下：

1）用事件记录交易，每个事件包括：交易、两个父节点的哈希值、时间戳、签名。

2）基于gossip协议，随机生成账本。通过round划分阶段，基于前后节点之间的连接关系确定每个阶段的famous witness，再由witness确定DAG中的事件的顺序。

其特点在于：①公平：账本具有一致的时间戳，可以对每笔交易进行定序；②安全：其所使用的异步拜占庭容错（Asynchronous Byzantine Fault Tolerance，ABFT）系统，有相当的安全理论证明，验证简单；③速度快：可达到250 000TPS的吞吐量。

Hashgraph当前存在的问题主要包括：1）gossip算法在大规模公链环境下的应用可能会遇到问题；2）其中的每个共识节点均需要保存全网数据，数据压缩问题不易解决。

3.SPECTRE/PHANTOM

SPECTRE和PHANTOM是由DAGLabs公司推出的基于DAG结构的区块链扩容共识协议。DAGLabs是一家位于美国加州旧金山的区块链技术服务公司。主创人员包括了SPECTRE和PHANTOM的联合作者Yonatan Sompolinsky和SPECTRE的联合作者Yoad Lewenberg。SPECTRE Protocol采用了BlockDAG的技术，可以并行挖矿，从而带来更大的吞吐量和更快的交易确认时间。2018年2月基于SPECTRE改进的扩容协议PHANTOM发布，能够大大扩充网络交易容量，并兼容智能合约。不同于闪电网络等链下解决方案，PHANTOM是链上扩容方案。PHANTOM主要通过使用具体偏序变全序的算法来确定整个DAG上区块的线性排列，从而达到对整个DAG组织里的区块的共识。虽然PHANTOM实现了区块在DAG上的线性排列，并大大提高了整个网络的交易容量，但它并不保证迅速地确认区块时间。

凡事都有两面性，DAG的结构天然支持了区块的并行创建，让人有直观的感觉，可以轻松地提升吞吐量。但基于DAG结构的共识协议，一致性未得到有效的验证和认可，同时应用场景也不同于传统区块链那么广泛；但DAG结构的优势和基于DAG结构的共识创新已经慢慢出现到人们的视野之中，相信不久的将来，会有越来越多基于GAG结构的创新项目、共识机制会成熟地出现到各类应用之中。

虽然当前基于DAG结构的共识机制还未完全解决以上所述问题，我们可以适当保持理性的态度，将其视为区块链技术的一个必然的探索方向，大胆地去尝试，勇敢地去创新

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