張 震 李 強 甘 俊 張 超(四川大學(xué)計算機學(xué)院 四川 成都 610065)

0 引 言

自2008年中本聰發(fā)布比特幣白皮書以來，比特幣這類點對點電子現(xiàn)金系統(tǒng)引起了社會各界的極大重視。學(xué)者在對該系統(tǒng)深入研究之后，從比特幣的基礎(chǔ)架構(gòu)凝煉出了區(qū)塊鏈技術(shù)。

區(qū)塊鏈技術(shù)巧妙融合了以共識算法為核心的諸多技術(shù)，它以去中心、自治、開放、匿名、不可篡改的特性為人知曉。區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性基于密碼學(xué)算法，而不是傳統(tǒng)意義上的“信用”。區(qū)塊鏈被認(rèn)為是人類社會關(guān)于信任和協(xié)作的跨越式進步。2015年10月，《經(jīng)濟學(xué)人》封面文章稱區(qū)塊鏈?zhǔn)侵圃煨湃蔚臋C器。

學(xué)術(shù)界和商業(yè)界都對區(qū)塊鏈技術(shù)顯示出了極大的興趣。眾多研究人員共同推動了區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，Swan[1]在《Blockchain：Blueprint for a New Economy》中將區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展分為了3個階段。

區(qū)塊鏈1.0時代是以比特幣為代表的加密數(shù)字貨幣時代。去中心的比特幣系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)平穩(wěn)運行近十年更加彰顯了區(qū)塊鏈技術(shù)的不平凡之處。比特幣之后，眾多加密貨幣如雨后春筍般涌現(xiàn)。隨著加密數(shù)字貨幣的興盛，區(qū)塊鏈的去中心特性逐漸深入人心并被更多的人接受。比特幣更像是一次極為成功的社會實驗，驗證了區(qū)塊鏈強大的生命力。然而，作為區(qū)塊鏈1.0時代的標(biāo)志性產(chǎn)物，比特幣系統(tǒng)存在著諸多缺憾。

比特幣系統(tǒng)采用的共識算法是PoW(Proofof Work)。自2008年至今，PoW算法始終安全可靠地維護著比特幣系統(tǒng)的運行。然而，PoW的弊端也隨之顯露。弊端之一是世界范圍內(nèi)大算力礦池的出現(xiàn)，在一定程度上削弱了區(qū)塊鏈去中心化的設(shè)計初衷，也消減了大部分小算力參與者的熱情，為51%攻擊提供了更多的可能性。弊端之二是PoW會導(dǎo)致巨量的能源浪費，每年消耗資源數(shù)十億美元。弊端之三是區(qū)塊的建議最終確認(rèn)時間長達60 min左右，吞吐量是7筆/s，效率較低。

PoS(Proofof Stake)共識算法的提出正是為了解決PoW共識算法所引起的低效高耗能問題。從2011年出現(xiàn)相關(guān)概念開始，就出現(xiàn)了一大批PoS的簇?fù)碚?，他們以PoS思想為核心，提出了各自的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)。如Casper[2]、Algorand[3]、Nxt[4]、Peercoin[5]等知名區(qū)塊鏈系統(tǒng)。PoS算法在改善PoW算法的同時也引進了新的弊端，如PoS類系統(tǒng)極易分叉、記賬人權(quán)力過大等。

區(qū)塊鏈2.0時代是以智能合約為代表的可編程金融時代。1995年Nick S首次提出智能合約概念。之后，Ethereum(以太坊)將智能合約與區(qū)塊鏈相結(jié)合，極大地擴展了區(qū)塊鏈的應(yīng)用場景，諸如股票、債券、產(chǎn)權(quán)等數(shù)字資產(chǎn)領(lǐng)域紛紛與區(qū)塊鏈結(jié)合。區(qū)塊鏈將會重塑相關(guān)領(lǐng)域的交互方式，重構(gòu)商業(yè)環(huán)境。

區(qū)塊鏈2.0時代的主要工作就是擴容，提升區(qū)塊鏈的擴展性。以以太坊為代表的諸多系統(tǒng)從增大區(qū)塊容量、提升記賬節(jié)點帶寬、提升記賬節(jié)點處理性能、減小區(qū)塊時間和減小記賬節(jié)點數(shù)量等角度對鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)做了研究。然而，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)從基礎(chǔ)架構(gòu)上限制了區(qū)塊鏈整體性能的提升。作為一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有向無環(huán)圖(Directed Acyclic Graph，DAG)從數(shù)據(jù)層給了區(qū)塊鏈更大的性能提升，是區(qū)塊鏈邁向3.0時代的關(guān)鍵技術(shù)。

區(qū)塊鏈3.0時代是區(qū)塊鏈技術(shù)的廣泛應(yīng)用時代。以去中心化自洽組織(Decentralized Autonomous Organizations，DAO)和去中心化自洽公司(Decentralized Autonomous Corporations，DAC)標(biāo)志的自我管理組織常態(tài)化，人類社會協(xié)作方式出現(xiàn)新的可能。人們的生產(chǎn)、生活各個方面都會接受相應(yīng)的區(qū)塊鏈概念。萬物互聯(lián)互信時代是區(qū)塊鏈3.0時代的愿景。區(qū)塊鏈3.0時代的數(shù)據(jù)量必然是海量的，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)難以承受海量數(shù)據(jù)中蘊含的信息運作方式。目前看來，DAG架構(gòu)是區(qū)塊鏈性能提升的首選。

DagCoin[6]最早闡述了有關(guān)DAG式區(qū)塊鏈的理論設(shè)想，后由IOTA[7]和ByteBall[8]一脈相承，對DAG式區(qū)塊鏈做了擴展。DAG中融合了極多的分叉，這些分叉構(gòu)成了局部交易之間的相對順序。DAG式區(qū)塊鏈憑借異步通信機制打破了鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈的性能瓶頸。眾多DAG模型均自稱達到了物理極限，TPS(Transaction Per Second)僅受制于物理因素。海量TPS的提升為區(qū)塊鏈挺進3.0時代指明了方向。

DAG最大的弊端來自于異步通信造成的全局無序狀態(tài)。一種解決方案是控制用戶的規(guī)模，進而弱化無序狀態(tài)的影響，如應(yīng)用于聯(lián)盟鏈的Hashgraph[9]系統(tǒng)；另一種解決方案是主鏈延遲選擇策略。系統(tǒng)從過去一段時間內(nèi)的歷史交易中選出一些符合標(biāo)準(zhǔn)并且持續(xù)相連的交易組成主鏈，通過主鏈順序為所有交易排序，如Byteball、Conflux[10]等。

目前，DAG式區(qū)塊鏈的研究集中在主鏈延遲選擇策略上。一方面，如果不同用戶本地歷史交易數(shù)據(jù)不一致，那么這種方法必定會造成不同用戶主鏈的不一致，如Conflux采用的GHOST[11]主鏈選擇算法，子樹節(jié)點最多的區(qū)塊當(dāng)選主鏈區(qū)塊。另一方面，目前的DAG式區(qū)塊鏈主鏈共識機制多為見證人共識，易造成系統(tǒng)安全性降低、交易時長不可控等問題，如ByteBall。本文提出一種基于DAG的區(qū)塊鏈新模型——權(quán)益有向無環(huán)圖模型(SDAG)，將DAG這種最底層的數(shù)據(jù)組織方式與POS鏈?zhǔn)焦沧R算法結(jié)合起來。通過DAG結(jié)構(gòu)去解決鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)吞吐量有限、易分叉等問題，同時PoS鏈?zhǔn)焦沧R會即時構(gòu)建DAG式區(qū)塊鏈的主鏈，控制全局狀態(tài)，控制交易時長，縮短共識時間。

1 已有研究

PoS類共識算法根據(jù)用戶的資源占比賦予用戶相應(yīng)的投票權(quán)重。通過某種規(guī)則被選擇的礦工具有發(fā)布下一個區(qū)塊的權(quán)利，有投票權(quán)的一組用戶對每一個合法區(qū)塊進行驗證并投票。主流的PoS共識模型有兩種，一種是需要累積確認(rèn)的鏈?zhǔn)侥Ｐ?，另一種是結(jié)合BFT共識的模型。Nxt和Peercoin都是對比特幣鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的模仿，屬于需要累積確認(rèn)的模型。而Algorand等系統(tǒng)則是屬于結(jié)合BFT共識的模型。

傳統(tǒng)分布式一致性算法中，Paxos[12]和Raft[13]比較有代表性，在非拜占庭(Byzantine Fault Tolerance)環(huán)境下較為適用。Pease和Lamport 在20世紀(jì)80年代提出BFT問題和解決算法，Castro等[14]提出了實用拜占庭容錯共識算法PBFT(Practical Byzantine FaultTolerance)。PBFT共識算法中，如果某個交易通過了三分之二節(jié)點的驗證，那么該交易就會被所有人接受，無須等待即可達成共識。

在DAG式區(qū)塊鏈模型中，PHANTOM[15]要求新區(qū)塊的反錐面中節(jié)點數(shù)小于等于k才被允許加入系統(tǒng)。雖然PHANTOM具有良好的擴展性，但是不能保證強的線性排序和一定的活性。SPECTRE[16]通過一種投票算法，依據(jù)錐面節(jié)點數(shù)對區(qū)塊進行排序，排序靠前的區(qū)塊可信度越高。不同于SPECTRE和PHANTOM中的區(qū)塊之間只有父子連接，Conflux采用了父子連接和引用連接，引用連接用來標(biāo)記所有未被主鏈區(qū)塊所引用的葉子區(qū)塊，極大地提升了排序效率。

1.1 DAG式區(qū)塊鏈和鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈系統(tǒng)是一種運行在不受控環(huán)境中，可以解決拜占庭問題的分布式系統(tǒng)。共識算法是區(qū)塊鏈的核心。區(qū)塊鏈通過設(shè)定某一條件作為分布式節(jié)點達成共識的基礎(chǔ)。共識算法負(fù)責(zé)區(qū)塊鏈中信息的完整性，同時防御雙重花費攻擊，因此是區(qū)塊鏈技術(shù)的重要組成部分。最終目標(biāo)是在沒有中央機構(gòu)的分布式網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)共識，并且與不一定相互信任的參與者達成共識[17]。

根據(jù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的組織形式(鏈?zhǔn)交蛘逥AG式)可以將區(qū)塊鏈分為鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈和DAG式區(qū)塊鏈，其中的共識算法也多有不同。

1.1.1鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈

結(jié)構(gòu)上，鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈中的每個區(qū)塊有自己的時間戳，每個時間戳應(yīng)當(dāng)將前一個區(qū)塊的時間戳納入其隨機散列值中，每一個隨后的時間戳都對之前的一個時間戳進行增強，這樣就形成了一個鏈條。圖1是鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)。區(qū)塊是區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，是用于記錄交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。時間戳是對區(qū)塊鏈中的每個區(qū)塊上的信息加上時間驗證，對每一個數(shù)據(jù)的輸入追本溯源、根據(jù)時間順序排列、驗證、確保數(shù)據(jù)的真實性，不容數(shù)據(jù)被篡改，證明數(shù)據(jù)的原創(chuàng)性和所有權(quán)的歸屬。

圖1 鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)是對比特幣系統(tǒng)的延續(xù)，是鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈共識算法的理論基礎(chǔ)。其共識算法是為了維護系統(tǒng)中只有一條唯一的合法鏈，任何分叉鏈都被視作對系統(tǒng)的攻擊。正是基于此種考慮，比特幣系統(tǒng)產(chǎn)生新塊的時間被設(shè)定為10 min，系統(tǒng)需要足夠的時間保證新塊被傳遞給所有的用戶節(jié)點，保證最長鏈的產(chǎn)生者會有更多的競爭者，保證系統(tǒng)會有更少的分叉(這些沒有收到最新區(qū)塊的用戶節(jié)點會產(chǎn)生不合法的區(qū)塊)。

在鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的場景中，系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點的周期性工作是：

(1) 接收驗證。用戶節(jié)點時刻監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中的新交易，對接收的新交易進行驗證，將合法的新交易放入本地緩沖區(qū)。

(2) 選擇礦工。用戶節(jié)點根據(jù)共識算法程序選擇出唯一的礦工，即該礦工獲得記賬權(quán)。

(3) 打包廣播。取得記賬權(quán)的礦工從緩沖區(qū)中篩選出部分合法且有利的交易，將其打包并廣播給所有用戶節(jié)點。

(4) 最終確認(rèn)。在一定時間后，該區(qū)塊所在的鏈被逆轉(zhuǎn)的風(fēng)險低于用戶的承受度，即完成最終確認(rèn)，交易完成。

在最終確認(rèn)階段，區(qū)塊鏈中交易順序被改變的可能性可以被接受時，則認(rèn)為完成了交易。如在比特幣安全實驗中，在假設(shè)攻擊節(jié)點的算力占全網(wǎng)算力10%時，等待6個區(qū)塊的確認(rèn)，攻擊行為成功的概率為0.059%，小于0.1%，所以比特幣系統(tǒng)的建議確認(rèn)時間是60 min左右，即歷史交易需要6個新塊的確認(rèn)。

1.1.2DAG式區(qū)塊鏈

在圖論中，如果一個有向圖無法從某個頂點出發(fā)經(jīng)過若干條邊回到該點，則這個圖是一個DAG。有向無環(huán)圖常被用于交易速度極為重要的領(lǐng)域，比如編譯器、人工智能、統(tǒng)計和機器學(xué)習(xí)等。

Nxt社區(qū)首次提出將DAG跟區(qū)塊鏈結(jié)合起來。區(qū)塊鏈本質(zhì)上是DAG的受限版本，僅允許在單軌道上進行連接[6]。DAG式區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在結(jié)構(gòu)上。首先，不同于鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈中每個塊只能有一個父節(jié)點，它允許每個區(qū)塊指向兩個或者兩個以上的區(qū)塊，容納了很多分叉，這些分叉共同構(gòu)成了一幅有向無環(huán)圖。其次，它允許每個區(qū)塊只有一個交易，如IOTA，而鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈中每個區(qū)塊中的交易可能多達幾千筆，如比特幣。最后，該結(jié)構(gòu)中的交易在進入系統(tǒng)之前就已經(jīng)確立了相互之間的引用關(guān)系，該引用關(guān)系為交易確立了局部的時間先后關(guān)系，而鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈中默認(rèn)交易之間是無序的，交易之間的順序是由礦工來隨機決定的。

在DAG式結(jié)構(gòu)的場景中，每個用戶節(jié)點把接收到的全部交易經(jīng)初步驗證后存儲到本地緩沖區(qū)，然后根據(jù)主鏈共識算法從交易中挑選出能構(gòu)成主鏈的交易，再剔除掉重復(fù)和雙重支付的交易，最終在交易的總順序上達成共識。系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點的周期性工作是：

(1) 接收驗證。用戶節(jié)點時刻監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中的新交易。

(2) 緩存交易。對接收的新交易進行驗證，將合法的新交易放入本地緩沖區(qū)。

(3) 確定主鏈。系統(tǒng)根據(jù)某種主鏈共識算法從近期交易(區(qū)塊)中篩選出唯一一條區(qū)域合法主鏈，進而延長從創(chuàng)世區(qū)塊貫穿到葉子交易(區(qū)塊)的主鏈。

(4) 最終確認(rèn)。在一定時間后，主鏈區(qū)塊被逆轉(zhuǎn)的概率小于用戶所能承受的風(fēng)險，即交易順序已經(jīng)被絕大部分用戶同意，并且很難再發(fā)生改變，則完成最終確認(rèn)。

目前的主鏈研究工作中，主鏈交易(區(qū)塊)均是從歷史交易中篩選出來的，所以在最終確認(rèn)階段，采用累積確認(rèn)的方式較多。SDAG從DAG的特殊結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過BFT類共識算法即時發(fā)布主鏈交易，達到快速確認(rèn)的目的。

1.1.3鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈與DAG式區(qū)塊鏈的不同

鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈與DAG式區(qū)塊鏈除了結(jié)構(gòu)上的不同，兩者之間其他方面的不同如下：

(1) 鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈中，礦工在存入每一條交易數(shù)據(jù)之前會在全局范圍內(nèi)查找是否有交易與將要存儲的交易數(shù)據(jù)沖突。DAG式區(qū)塊鏈在存入數(shù)據(jù)交易之前沒有全局狀態(tài)，故而選擇將所有數(shù)據(jù)先存儲，再按某種共識將所有交易排序和剔除。

(2) 鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈中的交易只能由礦工按照固定時間周期添加至系統(tǒng)，屬于定期存儲策略。DAG式區(qū)塊鏈中的交易可以由任何用戶在任何時候向系統(tǒng)中添加，屬于異步并發(fā)策略。

(3) 鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈的共識算法發(fā)生在階段2(選擇礦工)中，發(fā)生在將數(shù)據(jù)存入本地緩沖區(qū)之前。DAG式區(qū)塊鏈的共識算法發(fā)生在階段3(確定主鏈)，發(fā)生在將所有數(shù)據(jù)存入本地緩沖區(qū)之后。

(4) 即使某些非合法鏈上的區(qū)塊是由誠實節(jié)點發(fā)布的，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)也會放棄它，并且礦工會重新打包提交給系統(tǒng)，浪費了很多誠實節(jié)點的算力。DAG式區(qū)塊鏈則會保留所有人發(fā)來的交易，在排序之后剔除不合法交易。

(5) 鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈的共識算法的作用對象是用戶節(jié)點，輸出的是礦工。DAG式區(qū)塊鏈的主鏈共識算法的作用對象是區(qū)塊(交易)，輸出的是可以構(gòu)成主鏈的區(qū)塊(交易)，是所有交易的線性順序。

(6) 鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈通過保證礦工的唯一，進而確保鏈中交易順序的唯一，最后通過累計確認(rèn)階段將這種交易順序固化。DAG式區(qū)塊鏈借助有向無環(huán)圖節(jié)點(代表交易和區(qū)塊)之間局部有序特性，通過主鏈順序為系統(tǒng)中的所有交易確定順序，最終使得所有用戶在交易總順序上達成共識。

(7) 當(dāng)同時存在兩個不沖突或者沒有任何關(guān)系的區(qū)塊(交易)的時候，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)規(guī)定只能保留一個，DAG式區(qū)塊鏈則暫時全部保留。

(8) 由于DAG式區(qū)塊鏈中，沒有固定的角色向系統(tǒng)添加交易數(shù)據(jù)，幾乎不會存在單點故障，任何人想要重建歷史交易網(wǎng)絡(luò)的可能性幾乎為0。

1.2 現(xiàn)有DAG區(qū)塊鏈系統(tǒng)

現(xiàn)有區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，國外以IOTA和ByteBall最為知名，國內(nèi)以Conflux最為知名。

IOTA的系統(tǒng)模型是Tangle。系統(tǒng)中每個區(qū)塊只有一個交易，DAG結(jié)構(gòu)的節(jié)點是一條交易，每個交易必須引用兩個或兩個以上歷史交易，以此構(gòu)建DAG。新交易對歷史交易的引用代表新交易的發(fā)送者對歷史交易的認(rèn)可，可進行分區(qū)并行驗證。IOTA的共識機制是置信度共識，即新交易對歷史交易的認(rèn)可度。只有置信度達到一定閾值的交易才被認(rèn)為是被完全確認(rèn)。IOTA的優(yōu)勢是并行驗證，劣勢是無全局狀態(tài)、交易時長不可控、安全性取決于活躍用戶占比。目前的IOTA系統(tǒng)依靠中心化的協(xié)調(diào)器維護。

ByteBall系統(tǒng)是對IOTA的發(fā)展，引入了主鏈共識等重要概念。ByteBall系統(tǒng)采用特定人數(shù)的權(quán)威見證人幫助用戶達成共識，屬于主鏈共識。用戶節(jié)點通過在歷史交易有向無環(huán)圖中選擇出富集權(quán)威見證人交易最多的一條鏈，依此錨定其他交易的全局順序，是主鏈延遲選擇的策略。ByteBall的優(yōu)勢在于主鏈共識能夠幫助交易確定全局狀態(tài)，劣勢是主鏈選擇算法復(fù)雜，本地交易視圖不同的用戶選擇出的主鏈容易出現(xiàn)不一致，見證人選擇及操作偏向中心化。

Conflux系統(tǒng)是對比特幣系統(tǒng)的擴展，通過使用DAG提升比特幣系統(tǒng)的擴展性。Conflux采用主鏈共識機制，主鏈共識算法采用GHOST協(xié)議，通過挑選出子樹最多的交易來延長主鏈，也是主鏈延遲選擇策略。由于依然使用PoW算法，Conflux的劣勢是耗時耗資源，并且主鏈延遲選擇會導(dǎo)致主鏈不一致。

本文提出的SDAG模型主要是對主鏈延遲選擇策略的改進，利用DAG的特殊結(jié)構(gòu)，提出一種主鏈并行即時選擇策略。

2 SDAG區(qū)塊鏈模型設(shè)計

DAG結(jié)構(gòu)中交易之間天然部分有序，整體無序。每個用戶節(jié)點都有向系統(tǒng)寫入數(shù)據(jù)的權(quán)利，并且可以為交易指定前置交易。只需要維護一條貫穿整個有向無環(huán)圖的主鏈，所有交易間的順序就可以被線性化?；贐FT的PoS類共識算法能夠即時確認(rèn)歷史交易，具有數(shù)學(xué)可證的安全性、不分叉等特點，可以被用來維護主鏈。

2.1 SDAG模型中的角色和交易

模型中有兩種角色，一類是普通用戶，另一類是主鏈委員會用戶。普通用戶節(jié)點中權(quán)益排名靠前的節(jié)點成為主鏈委員會用戶，主鏈委員會用戶可以同時保留普通用戶的角色。

普通用戶負(fù)責(zé)將自己的交易廣播給其他人，同時將監(jiān)聽到的交易緩存到本地緩沖區(qū)。主鏈委員會用戶負(fù)責(zé)周期性共識出一個主鏈交易。

SDAG模型中沒有區(qū)塊，只有交易，可類比于區(qū)塊鏈中的一個塊中只有一筆交易，而不是上千筆交易。交易有兩種類型，一種是普通交易，另一種是主鏈交易。普通交易由普通用戶發(fā)出，只包含用戶自己的交易數(shù)據(jù)以及該交易引用了哪些父交易。這些引用構(gòu)成了有向無環(huán)圖的單向箭頭，而每一筆交易成為了有向無環(huán)圖的節(jié)點。

如圖3所示是SDAG中的交易結(jié)構(gòu)。一個交易由時間戳、交易hash值、簽名、引用hash值、交易內(nèi)容組成。時間戳標(biāo)識了該交易的產(chǎn)生時間，交易hash值確保交易數(shù)據(jù)的完整性和不可篡改，簽名標(biāo)識交易的發(fā)出者是哪一個用戶，引用hash值用來指明該交易的父交易是哪些，交易內(nèi)容則記錄了用戶的交易數(shù)據(jù)或者操作信息。

主鏈交易是由主鏈委員會周期性共識產(chǎn)生的，每個主鏈交易不包含任何有效交易內(nèi)容，交易內(nèi)容僅僅是主鏈交易的標(biāo)識。主鏈交易只包含交易發(fā)出時主節(jié)點本地視圖中的所有葉子節(jié)點，如圖4中主鏈交易A1引用了交易I和交易J，主鏈交易A2引用了交易I2、交易H2、交易J2。

圖4 SDAG的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

模型規(guī)定普通用戶必須引用兩個或兩個以上的歷史交易，主鏈交易引用所有的葉子節(jié)點交易。主鏈交易引用的交易數(shù)量可能遠超普通交易。兩個主鏈交易之間的時間段是一個時間間隙，如圖4中主鏈交易A1和主鏈交易A2之間存在時間間隙。

在交易構(gòu)成的DAG中，將一個時間間隙內(nèi)的所有交易稱作交易子圖，如圖4中的(A2,B1,C1,D1,E1,F1,G1,I1,H1,J1)構(gòu)成了一幅交易子圖。

2.2 SDAG的主鏈共識算法

模型中的主鏈交易通過主鏈共識算法周期性產(chǎn)生。主鏈共識算法是PoS-PBFT，它僅僅是將PoS構(gòu)想和PBFT相結(jié)合，是對PBFT中的角色進行定義。

2.2.1PBFT算法

PBFT算法中有三種角色：客戶端、主節(jié)點、從節(jié)點。功能如下：

(1) 客戶端：發(fā)送交易請求消息。

(2) 主節(jié)點：將接收到的消息排序編號，廣播消息給從節(jié)點。

(3) 從節(jié)點：驗證從主節(jié)點和其他從節(jié)點處接收到的消息并回應(yīng)。

如果所有節(jié)點中存在f個惡意節(jié)點，那么PBFT算法需要2f+1個誠實節(jié)點就可以保證系統(tǒng)的正常運行。

如圖5所示，PBFT共有五個階段：request，pre-prepare，prepare，commit和reply。

圖5 PBFT的共識階段

request階段：客戶端c向主節(jié)點0發(fā)送請求消息m，格式是，其中：o代表的是請求的操作；t代表消息的時間戳；c代表消息的發(fā)出者是客戶端。

pre-prepare階段：主節(jié)點0給消息m編號，并將消息廣播給從節(jié)點1、從節(jié)點2、從節(jié)點3。消息的格式是<,m>，其中:v代表視圖編號；d代表消息m的摘要。

prepare階段：三個從節(jié)點對收集到的pre-prepare消息進行驗證，并將自己的驗證結(jié)果廣播給其他人。如果從節(jié)點認(rèn)為消息有誤，則不會發(fā)送消息。只有收集到包含自身在內(nèi)超過2f+1個一致的回復(fù)，節(jié)點才會進入下一階段。消息的格式是，其中i是節(jié)點自身的編號。

commit階段：節(jié)點完成消息對應(yīng)操作后，會把自己的完成狀態(tài)廣播給其他人，消息的格式是。節(jié)點同樣需要收集包含自身在內(nèi)超過2f+1個一致的回復(fù)才會進入下一個階段。

reply階段：節(jié)點收集足夠的消息后進入reply階段，然后向客戶端發(fā)送完成消息，消息的格式是，其中r是節(jié)點的執(zhí)行結(jié)果。客戶端只有收集到f+1個不同節(jié)點的響應(yīng)才會認(rèn)為request請求被完成。

一個交易經(jīng)過3個階段驗證，就會被系統(tǒng)中的絕大部分人確認(rèn)，那么該交易就可以被認(rèn)為是完全確認(rèn)的。

2.2.2POS-PBFT主鏈共識算法

PBFT運行最少需要3f+1個節(jié)點，也就是4個節(jié)點。系統(tǒng)中參與共識的節(jié)點越少，共識的速度越快，去中心化越低。本文從每個用戶節(jié)點的權(quán)益值出發(fā)，使得權(quán)益占有總數(shù)大于一半的普通節(jié)點參與共識，既保證了系統(tǒng)的共識速度，又保證了系統(tǒng)的去中心化程度。由于實驗節(jié)點規(guī)模所限，本文從所有用戶中篩選出權(quán)益最高的5個用戶節(jié)點，這5個用戶節(jié)點共同組成了主鏈交易委員會，在每輪交易周期后，系統(tǒng)會計算出排名靠前的用戶節(jié)點，用來替換上一周期的主鏈交易委員會，而主鏈交易委員會的席位總是固定的。

在PBFT中有三種角色：客戶端、主節(jié)點、從節(jié)點。將權(quán)益最高的用戶節(jié)點作為主節(jié)點，主節(jié)點同時也作為客戶端發(fā)起request請求，權(quán)益排名第2至第5的用戶節(jié)點作為從節(jié)點。

不同于礦工獨享記賬權(quán)，SDAG中的所有普通節(jié)點都擁有向系統(tǒng)添加普通交易的權(quán)利。但是，主鏈交易只有主節(jié)點可以作為客戶端的身份發(fā)起。主鏈交易不包含任何交易信息，只包含主鏈交易引用了哪些葉子交易。主節(jié)點提交的主鏈交易會經(jīng)歷PBFT共識，通過共識的主鏈交易才會被所有的用戶接收。

所有用戶接收到主鏈交易后，會根據(jù)主鏈交易提供的葉子節(jié)點信息對本地交易子圖進行更新，如果缺少對應(yīng)的交易，用戶可以向其他節(jié)點請求同步，保證數(shù)據(jù)的一致性。在數(shù)據(jù)一致性的基礎(chǔ)上，用戶在本地運行排序算法。排序算法輸入的是交易子圖，輸出的是交易子圖內(nèi)交易的線性順序。并把該交易子圖的順序連接在上一個交易子圖的線性順序之后，主鏈得以延伸，全局狀態(tài)取得一致。

由于模型SDAG中數(shù)據(jù)的一致性，用戶節(jié)點能夠依據(jù)本地數(shù)據(jù)同步更新各節(jié)點的權(quán)益，每一輪主鏈交易委員會由最新一輪狀態(tài)中的前5名用戶擔(dān)任，這保證了委員會的去中心性。而作為模型中權(quán)益最多的前5名用戶，他們的權(quán)益之和會遠遠大于其他用戶，只要委員會保持行動一致，他們的行動就能代表系統(tǒng)中絕大多數(shù)誠實節(jié)點的利益，因為如果系統(tǒng)受到攻擊，委員會成員的利益將會受損最大。

2.2.3POS-PBFT算法流程

系統(tǒng)初始化，所有用戶節(jié)點中權(quán)益前五的用戶節(jié)點成為主鏈交易委員會成員，權(quán)益第一的用戶節(jié)點成為主節(jié)點。

主鏈交易的產(chǎn)生和普通交易的產(chǎn)生并行執(zhí)行。主鏈委員會周期性產(chǎn)生主鏈交易，并且更新委員會成員，成員更換信息可以被用戶節(jié)點在本地感知，無須消耗額外通信資源。網(wǎng)絡(luò)中所有用戶節(jié)點監(jiān)聽其他用戶的交易信息，對于接收到的消息進行判斷，如果是普通交易則緩存至本地緩沖區(qū)，如果是主鏈交易，則用戶執(zhí)行交易子圖的排序算法，執(zhí)行完畢后將排在后面的雙花交易剔除，最后緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)被持久化到本地數(shù)據(jù)庫。圖6是SDAG模型中一個普通用戶節(jié)點的工作流程，算法1是主鏈共識算法偽代碼。

圖6 SDAG普通節(jié)點工作流程

算法1主鏈共識算法

輸入：交易子圖。

輸出：達成共識的主鏈交易。

// NEW_ROUND:

State=NEW_ROUND

//從交易子圖中更新每個用戶的權(quán)益值變化，取出權(quán)益值排名

//前5的節(jié)點作為委員會節(jié)點，權(quán)益值最高的節(jié)點作為主節(jié)點

proposer=get_proposers_address(transactionsGraph)

if (current_validator==proposer)

MCtransaction=create_MainChainTransaction(transactionsGraph)

broadcast_block(MCtransaction)

State=PRE_PREPARED

// PRE_PREPARED:

On MCtransaction.type==PRE_PREPARE

verify_transaction (MCtransaction)

verify_validator(MCtransaction)

broadcast_prepare(MCtransaction)

State=PREPARED

// PREPARED:

On MCtransaction.type==PREPARE

verify_prepare(MCtransaction.prepare)

verify_validator(MCtransaction.prepare)

prepare_pool.add(MCtransaction.prepare)

if (prepare_pool.length>2F+1)

broadcast_commit(MCtransaction.prepare)

State=COMMITTED

// COMMITTED:

On MCtransaction.type==COMMIT

verify_commit(MCtransaction.commit)

verify_validator(MCtransaction.commit)

commit_pool.add(MCtransaction.commit)

if (commit_pool.length>2F+1)

transactions.append(MCtransaction)

State=FINAL_COMMITTED

// FINAL_COMMITTED:

broadcast_ commited(MCtransaction)

2.3 SDAG的交易排序

交易之間的引用拓?fù)潢P(guān)系是交易的發(fā)送者指定的，為用戶交易的執(zhí)行設(shè)定前置條件。但是這種順序只能是局部的，全局交易之間是完全無序的，雖然DAG追求的是所有交易都應(yīng)有一個準(zhǔn)確的線性順序，但是這種順序是不可求解的，也不是必須的。如在比特幣系統(tǒng)中，雖然區(qū)塊之間是線性關(guān)系，但是一個區(qū)塊中有幾千筆交易，這些交易之間的順序并不是交易的發(fā)送者指定的，比特幣系統(tǒng)默認(rèn)這幾千筆交易并行執(zhí)行。如圖7所示的那樣，區(qū)塊內(nèi)的所有交易之間是毫無關(guān)聯(lián)的。

圖7 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中的區(qū)塊和交易

本文所述SDAG模型將區(qū)塊解構(gòu)為交易子圖，等同于將區(qū)塊中的交易展開，并附加上交易之間的原始先后關(guān)系，這種細粒度的交易執(zhí)行關(guān)系對于智能合約等時序性和嚴(yán)謹(jǐn)性要求較高的適用場景是極為必要的。

交易子圖的排序規(guī)則如下：

(1) 被引用的交易一定先于發(fā)出引用的交易?？梢詡鬟f引用，如a引用b，b引用c，那么a一定晚于c。傳遞引用按照最長路徑計算。

(2) 對于不在引用關(guān)系的交易按照時間戳進行排序。

(3) 對于時間戳相同的交易，按照hash值的字典順序進行排序。

交易子圖越小，該子圖內(nèi)的交易順序越精確，反之越模糊。交易之間最精確的順序是由引用關(guān)系推導(dǎo)出來的，把交易的時間戳納入排序因素得到的順序精確度次之，把交易hash值納入排序因素得到的交易順序最模糊。

交易排序算法見算法2。

算法2排序算法

輸入：交易子圖。

輸出：交易子圖中交易的鏈?zhǔn)巾樞颉?/p>

//從主鏈交易開始， 依據(jù)葉子節(jié)點把交易子圖中的交易按照引

//用關(guān)系導(dǎo)出為幾條交易鏈,返回鏈表頭部

List lists=getAllTransactionList();

List newList=new List();

While(allLisyIsNotNull){

//依次取出每條交易鏈表中的交易，按照時間戳和交易hash值

//的字典順序插入到新的交易鏈中

newList.add( transctionFromLists );

}

return newList；

2.4 SDAG的數(shù)據(jù)一致性

雖然DAG中的交易順序沒有唯一的解，但是只要每個用戶節(jié)點接收到的交易是完全一致的，并且按相同的原則處理，那么依然可以保證所有用戶數(shù)據(jù)的一致性。

由于每個交易都會存儲父交易的hash值，并且會把父交易的hash值作為自己交易的一部分進行hash。這種增強的關(guān)系，確保了只要葉子交易(未被其他交易引用的交易)是一致的，那么交易子圖就是一致并且完整的。用戶可以根據(jù)葉子節(jié)點中父交易的hash進行回溯遍歷，遍歷的起點是此時的主鏈交易，終點邊界是被上一個主鏈交易引用過的已排序交易。

SDAG模型的一致性不僅代表交易內(nèi)容的一致性，還隱含有交易執(zhí)行順序的一致性。

2.5 確認(rèn)交易

由于普通交易的順序完全取決于主鏈交易，所以只需要確認(rèn)主鏈交易即可。主鏈共識采用PoS-PBFT共識算法，每一個新交易的產(chǎn)生都需要經(jīng)過主鏈交易委員會的投票確認(rèn)。獲得委員會的多數(shù)通過即代表該主鏈交易已經(jīng)被確認(rèn)，該主鏈交易引用的交易子圖中的交易也被確認(rèn)。這種確認(rèn)是即時的，并不依賴于后續(xù)主鏈交易對該主鏈交易的引用。

主鏈交易的定期產(chǎn)生和即時確認(rèn)特性保證了SDAG中交易的確認(rèn)時間是可控的，不會出現(xiàn)DAG式區(qū)塊鏈中常見的交易時長不可控問題和主鏈偏差問題。

3 SDAG區(qū)塊鏈模型的實現(xiàn)

3.1 SDAG架構(gòu)

SDAG模型中的普通交易由普通用戶實時產(chǎn)生并廣播，主鏈交易由主鏈交易委員會周期性共識產(chǎn)生并廣播，這兩部分工作可以并行進行，只要用戶節(jié)點在收到主鏈交易的時候?qū)Ρ镜財?shù)據(jù)進行同步檢查即可。

如圖8是SDAG的架構(gòu)，由網(wǎng)絡(luò)層、共識層、緩沖區(qū)和本地數(shù)據(jù)庫四部分組成。圖中的加粗黑色圓環(huán)代表主鏈交易，而細實線圓代表普通交易。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)用戶節(jié)點間的點對點通信，所有交易通過網(wǎng)絡(luò)層進行廣播。共識層負(fù)責(zé)定期產(chǎn)生主鏈交易。緩沖區(qū)負(fù)責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)進行初步驗證，保留合法數(shù)據(jù)。本地數(shù)據(jù)庫用以持久化經(jīng)過全局驗證的合法交易。

3.2 系統(tǒng)平臺和開發(fā)工具

本文使用Java平臺實現(xiàn)SDAG模型，開發(fā)環(huán)境如表1所示。

3.3 程序結(jié)構(gòu)

圖9是SDAG系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)，分為以下幾個部分：dao部分用來實現(xiàn)用戶節(jié)點的數(shù)據(jù)持久化；service部分實現(xiàn)了節(jié)點收到交易后的一系列操作；socket部分實現(xiàn)了節(jié)點間的網(wǎng)絡(luò)通信；resources部分存儲了節(jié)點的配置文件；test部分用以對相關(guān)功能的測試。

圖9 SDAG系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)

3.4 網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)

SDAG系統(tǒng)采用P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各節(jié)點之間無須通過服務(wù)器或者其他節(jié)點中轉(zhuǎn)。節(jié)點之間使用TCP協(xié)議，通過Socket套接字通信。交易數(shù)據(jù)通過指定的端口和用戶節(jié)點的IP地址進行傳輸。

主鏈交易和普通交易都是通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸。transocket部分用來實現(xiàn)普通交易的傳輸和接收，MCsocket部分用來實現(xiàn)主鏈交易的共識算法部分的通信。模型實現(xiàn)過程中，使用5個用戶節(jié)點，分別為2種交易分配端口1和端口2，每個用戶對端口1保持監(jiān)聽從而收集網(wǎng)絡(luò)中的普通交易，對端口2進行監(jiān)聽從而收集網(wǎng)絡(luò)中的主鏈交易。

3.5 數(shù)據(jù)層實現(xiàn)

數(shù)據(jù)層實現(xiàn)了對交易進行hash運算和存儲。系統(tǒng)采用SHA-256算法對交易進行hash運算。具體做法是在生成交易信息后，對時間戳、交易內(nèi)容和引用的父hash三部分進行hash運算得到一串字符串，并將它作為交易的唯一識別標(biāo)識。

系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫對交易數(shù)據(jù)進行持久化。在交易數(shù)據(jù)被持久化到數(shù)據(jù)庫中之前，系統(tǒng)會使用一個緩沖隊列去保存被初步驗證過的普通交易，直到接收到主鏈交易后，緩沖區(qū)內(nèi)的所有交易作為一個交易子圖被持久化到數(shù)據(jù)庫中。

3.6 普通交易的方法實現(xiàn)

3.6.1普通交易的產(chǎn)生

當(dāng)普通用戶節(jié)點P1產(chǎn)生一條新交易時，他會首先為自己的交易選擇兩個歷史交易作為父交易。這兩個歷史交易可以是該用戶指定的，也可以是系統(tǒng)隨機選擇的，其中選擇最新的歷史交易最佳。P1發(fā)出的普通交易結(jié)構(gòu)如圖10所示。

3.6.2普通交易的廣播和接收

用戶在廣播的時候，會選擇所有其他用戶的IP地址，使用端口1進行發(fā)送數(shù)據(jù)。多個用戶可以同時發(fā)起并廣播交易。

所有用戶在通過Java ServerSocket接收方式監(jiān)聽端口1的時候，會接收到P1發(fā)送的交易數(shù)據(jù)。由于實際運行過程中會接收到很多不同用戶的交易，SDAG系統(tǒng)中的用戶需要使用線程池提供多線程的方式接收突然而至的大量數(shù)據(jù)。在接收到P1的交易數(shù)據(jù)時，用戶節(jié)點會調(diào)用普通交易的驗證方法，并把合法交易放在緩沖區(qū)中。

3.7 主鏈交易的方法實現(xiàn)

系統(tǒng)初始化的時候會為所有用戶節(jié)點分配一定的權(quán)益值，權(quán)益值是總數(shù)一定的積分，無論各節(jié)點間的權(quán)益如何轉(zhuǎn)讓，系統(tǒng)中的權(quán)益總和是不變的。權(quán)益值最高的用戶節(jié)點會自動當(dāng)選為PoS-PBFT主鏈共識算法中的主節(jié)點。

收到主鏈交易后，每個用戶節(jié)點會自動根據(jù)交易子圖中的交易信息感知該時間間隙內(nèi)的權(quán)益變化。權(quán)益值最高的用戶自動當(dāng)選下一周期的主鏈節(jié)點，權(quán)益值最高的5個節(jié)點當(dāng)選為下一個周期內(nèi)的主鏈委員會用戶。如果交易子圖中并無權(quán)益流動轉(zhuǎn)移，則原有節(jié)點的角色不變。

模型實現(xiàn)的過程中分配給P1最多的權(quán)益，即P1當(dāng)選主鏈委員會中的主節(jié)點，P2、P3、P4和P5為主鏈委員會用戶中的從節(jié)點。主鏈交易由主節(jié)點P1發(fā)起，并引用主節(jié)點本地的所有葉子節(jié)點。主節(jié)點P1將主鏈交易通過端口2和IP地址發(fā)送給其他主鏈委員會用戶進行投票確認(rèn)。主鏈交易結(jié)構(gòu)如圖11所示。

3.8 主鏈交易的共識過程

(1) 從節(jié)點Pi(i=2,3,4,5)收到主節(jié)點P1的交易后，驗證并生成準(zhǔn)備消息，對準(zhǔn)備消息進行簽名后進行廣播。

(2)Pi(i=1,2,3,4,5)接收到其他用戶節(jié)點的準(zhǔn)備消息后進行驗證。若來自不同節(jié)點的消息數(shù)量超過2f+1(f為作惡節(jié)點)并且消息一致無誤，Pi節(jié)點生成提交消息，簽名后廣播。

(3)Pi(i=2,3,4,5)接收到其他用戶節(jié)點的提交消息后進行驗證。若來自不同節(jié)點的消息數(shù)量超過2f+1并且消息一致無誤，Pi節(jié)點生成確認(rèn)提交消息，簽名后廣播。

(4) 主節(jié)點P1收到包含自己在內(nèi)f+1個一致的確認(rèn)提交消息后，即可認(rèn)為發(fā)出的主鏈交易獲得了主鏈委員會的共識。

3.9 交易的確認(rèn)和存儲

在接收到共識的主鏈交易后，所有用戶會做出調(diào)整，保證在該時間間隙內(nèi)與主節(jié)點具有相同的葉子節(jié)點交易和交易子圖。主鏈交易的連續(xù)性和hash值的持續(xù)增強，保證了該時間間隙內(nèi)所有節(jié)點的交易子圖完整性和唯一性。

所有用戶節(jié)點根據(jù)主鏈交易內(nèi)引用的葉子節(jié)點構(gòu)造該時間間隙內(nèi)的交易子圖。用戶節(jié)點運行交易子圖排序方法，進而為每一個交易安排一個唯一的全局順序。最后每個用戶會對雙重花費交易等惡意交易進行剔除。至此，所有用戶對歷史交易的順序達成共識。

交易子圖內(nèi)的交易和主鏈交易會被存儲到每個用戶的本地數(shù)據(jù)庫中。

4 模型分析

由于SDAG數(shù)據(jù)組織方式是DAG，并且每個用戶節(jié)點都有普通交易的讀寫權(quán)限，系統(tǒng)可以實現(xiàn)并行寫入。同時普通交易的產(chǎn)生和主鏈交易的產(chǎn)生也可以并行進行，因為主鏈交易僅僅只是在普通交易子圖中做了個標(biāo)記。主鏈交易不包含需要被復(fù)雜程序驗證的交易數(shù)據(jù)，驗證簡單，帶寬消耗少。以下公有鏈數(shù)據(jù)均來自官方文檔。

本文實驗采用30個用戶節(jié)點去實現(xiàn)SDAG模型。實驗環(huán)境所用帶寬是10 Mbit，表2是實驗節(jié)點的配置。

4.1 吞吐量分析

TPS代表每秒系統(tǒng)交易數(shù)，計算公式為:

TPS=TransactionNum/t

式中：t代表時間段；TransactionNum代表系統(tǒng)處理的交易數(shù)量。TPS是系統(tǒng)承載能力的指標(biāo)，單位時間內(nèi)系統(tǒng)能夠處理的交易越多，系統(tǒng)的TPS越高。圖12是本系統(tǒng)在實驗環(huán)境下的5節(jié)點吞吐量測試數(shù)據(jù)，5個節(jié)點時系統(tǒng)TPS最高為380。如圖13所示，隨著普通用戶節(jié)點的增多，參與共識節(jié)點數(shù)量不變的情況下，TPS穩(wěn)定在330左右。

4.2 確認(rèn)時間測試

由于SDAG采用PoS-PBFT共識算法，參與共識節(jié)點少，主鏈交易處理程序簡單，故而系統(tǒng)確認(rèn)時間可以達到秒級，并且隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大，系統(tǒng)的確認(rèn)時間僅與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相關(guān)性較強。而比特幣的確認(rèn)時間是10 min左右，conflux的確認(rèn)時間在7 min左右。

如圖14所示，隨著節(jié)點數(shù)的增多，SDAG的確認(rèn)時間穩(wěn)定在3 350 ms左右，可以為系統(tǒng)提供即時確認(rèn)。

4.3 數(shù)據(jù)一致性分析

SDAG的主鏈共識算法采用PoS-PBFT，通過主鏈交易這個檢查點，能夠以點帶面，保證交易子圖的完全一致，進而使得所有用戶節(jié)點的本地狀態(tài)保持一致。SDAG的一致性相對于Conflux采用的GHOST共識更高，比Byteball等采用的見證人共識等滯后確定主鏈方案更可靠即時。

此外，DAG能給交易附加引用邊，該引用可以由用戶為交易設(shè)定，用來控制交易的細粒度執(zhí)行順序，使得SDAG的一致性在交易的執(zhí)行順序上更加深入細膩。SDAG較高的一致性使它更符合重要場景的需求，更符合智能合約的部署。

4.4 安全性分析

SDAG應(yīng)用PoS-PBFT共識算法來選擇主鏈交易，因此，SDAG主鏈的安全性不低于PBFT共識算法的安全性，只要惡意用戶節(jié)點的權(quán)益低于系統(tǒng)總權(quán)益的三分之一，系統(tǒng)就是安全的。由于系統(tǒng)中的權(quán)益是封閉的，非系統(tǒng)節(jié)點不會獲得權(quán)益，權(quán)益也無法從外部補充，只能在封閉系統(tǒng)內(nèi)部流轉(zhuǎn)，所以系統(tǒng)的安全性要高于PBFT的安全性。

主鏈共識算法為系統(tǒng)所有交易確定了線性順序，只要主鏈交易得到確認(rèn)，那么全局順序就是確定的，是不可逆的。

由于系統(tǒng)內(nèi)的最小數(shù)據(jù)單元是交易，完全重復(fù)的交易很容易被識別并被清除，所以系統(tǒng)不會出現(xiàn)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中重復(fù)區(qū)塊分叉現(xiàn)象，誠實算力不會被浪費，惡意節(jié)點會被最大程度地壓制。

DAG是一種特殊的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，其拓?fù)渑判蚴俏ㄒ坏?。一方面，DAG中海量的分叉結(jié)構(gòu)使得交易之間聯(lián)系更加緊密，另一方面普通用戶也有存儲數(shù)據(jù)的權(quán)利，所以即使攻擊者獲得了系統(tǒng)的掌控權(quán)，他也不可能偽造一份新的歷史交易，從而消除自己的歷史花費。特殊的結(jié)構(gòu)使得SDAG也不會遭受PoS鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中的無風(fēng)險支持分叉攻擊、理性分叉、幣齡攻擊、長程攻擊等攻擊。

5 結(jié) 語

本文提出一種基于DAG的區(qū)塊鏈新模型，并將PBFT共識算法與PoS結(jié)構(gòu)相結(jié)合作為新模型的主鏈共識算法PoS-PBFT。由于DAG結(jié)構(gòu)的特性，該模型吞吐量較高，交易間聯(lián)系更緊密。特殊的主鏈共識方法使得模型一致性比多數(shù)DAG模型更高。該模型同時還具有快速確認(rèn)、交易更有序等特點。

未來工作將會進一步降低網(wǎng)絡(luò)通信量，根據(jù)實際場景對主鏈共識算法進行優(yōu)化，尋求主鏈交易時間間隙和網(wǎng)絡(luò)傳輸交易數(shù)量的平衡。