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技术深探 | 最长链规则的优势与不足

时间:2019-08-23

15: 00

来源:链得到了

技术探索|最长链规则的优点和缺点

在本系列的第一期中,我们来谈谈比特币采用的最长链规则,即“中本聪共识算法”。

由于Conflux使用与最长链规则不同的最重链规则,在过去的文章中我们经常解释为什么Conflux没有选择最长的链规则,而是介绍了最长链规则本身的优点。这次我们将从更全面的角度讨论最长链规则的优缺点。

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规则的优点。

从比特币开始,无论是改变参数的原始Litecoin,还是后来提出的Bitcoin-NG [1],以及使用DAG结构的OHIE [2],许多公共链共识算法的核心概念都是最长的连锁规则。

是最长链的规则?

OHIE的论文[2]提到了一个非常重要的观点:对于区块链系统,最重要的是“端到端”安全证明 - 只有少数特定攻击证明安全性远远不够,因为没有办法避免聪明的人在未来设计更智能的攻击策略。

在端到端的安全证明中,最长的链规则具有足够的先发优势。作为开放加密货币的第一个比特币的核心规则,最长的链规则是最广泛和深入的研究。

规则,直到2016年9月康奈尔大学密码学教授Rafael Pass和其他人首先完成[3]的安全性时,才能完全证实。 Rafael的证据可以直接扩展到任何合理设计的基于最长链规则的公共链系统。

相比之下,其他共识算法,包括最重链规则,在2019年以下没有安全证书。我们将在接下来的几个问题中留下关于最重链规则和Conflux响应的问题,我们不会在此扩展。

那么为什么Conflux没有采用最长的连锁规则呢?

主要原因是最长链规则对“孤立块”非常敏感。

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没有任何贡献的“隔离区块”。

一旦系统中存在太多“隔离块”,最长链的增长率将受到影响,这将给攻击者一个机会。例如,当50%的诚实区块成为“孤立区块”时,最长链的平均增长率仅为诚实区间的一半。此时,攻击者只需要总计算能力的34%(超过诚实计算能力的一半)就任何早期交易发起双花攻击。

“孤独块”的出现频率与比率有关:平均生成块所需的时间/块在对等网络中广播所需的时间,我们将其称为安全因子。比率越高,孤儿出现的频率越低,他们就越安全。根据[3]中的分析,当比值大于7时,双花攻击所需的计算能力的理论阈值约为45%;当比率大于60时,双花攻击所需的计算能力的理论阈值约为49.5%。目前的比特币比率约为60.

所以我们有以下四个公式:

1.安全系数=生成块/块广播时间的平均时间2.网络带宽系数=块大小/块广播时间3.单个事务加载=块大小/每个块的事务数量4 TPS=每个块的事务数量/生成块的平均时间

换句话说,安全比率*单个事务负载* TPS=网络带宽系数

除TPS之外,上述等式中的每个项对应于在最长链规则下改善TPS的入口点:

1.降低安全系数:简单地改变比特币的参数并牺牲一些安全性以换取更高的效率。例如,缩短块时间或增加块大小(相当于增加块广播时间)。 2.减少单个事务负载:使用紧凑块技术将每个事务的整个传输(大约几百KB)转换为传输事务的短ID(4-6 B)。 3.增加网络带宽因子:增加加入共识节点的门槛,牺牲分散度来换取更高的效率。在极端情况下,您只能保留少量直接连接到光纤的超级节点(例如21)。

这些修改的方向是非常直接和有效的,但是可以带来的性能改进是有限的,并且由于过度使用造成的牺牲也非常大。例如,将块的大小增加到数百MB或将共识节点的数量减少到20可能不值得。

实际上,Bitcoin-NG和OHIE使用一些特殊设计来规避上述限制。另一方面,如果将树结构与最长链规则相结合,则可以轻松设计高TPS共识机制。在这方面,我们将写一篇文章进行详细讨论,并不在此扩展。

规则受上述分析的影响,但最高限额可以通过合理的设计来绕过。

最长链规则的最大弱点是块确认时间。

如果安全系数设置为10,则等待6个确认块的平均时间是块广播所需的时间60 *;如果有必要在两分钟内确认交易,则需要将块广播时间控制在2秒内。

实际上,在块广播的每一跳中,每个节点需要在转发到下一跳之前执行一系列操作,例如验证和执行。当节点数量很大时,即使是一个小块也希望在2秒内传播整个网络中的所有(或大多数)节点。这非常困难。从当前的网络环境来看,3到5分钟的确认时间基本上是最长链规则的限制。

规则。确认速度.

最重要的连锁规则中最具吸引力的是什么?并将在下一个时期分解。

[1] Eyal I,Gencer A E,Sirer E G,et al。 “Bitcoin-NG:可扩展的区块链协议。”USENIX 2016。

[2] Yuifeng Yu,et al。 “OHIE: Blockchain Scaling变得简单。”arXiv: 1811.(2018)。

[3] Rafael Pass,Lior Seeman和Abhi Shelat。 “分析异步网络中的区块链协议。”EUROCRYPT 2017。

[4] Yonatan Sompolinsky和Aviv Zohar。 “比特币安全高速交易处理。”2015年金融密码与数据安全国际会议。

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