[论文解读] CDAG: A Serialized blockDAG for Permissioned Blockchain

Himanshu Gupta, D. Janakiram|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 17被引用 11

一句话总结

CDAG 为许可制区块链提出了一种序列化块DAG结构，通过将交易划分为非重叠的桶并使用分布式时间屏障来同步块提议，实现了高吞吐量、低延迟的交易处理。它在不到两分钟内实现超过2,000笔/秒的交易吞吐量并达成最终性，结合了DAG的可扩展性与智能合约所需的全序性。

ABSTRACT

Blockchain is maintained as a global log between a network of nodes and uses cryptographic distributed protocols to synchronize the updates. As adopted by Bitcoin and Ethereum these update operations to the ledger are serialized, and executed in batches. To safeguard the system against the generation of conflicting sets of updates and maintain the consistency of the ledger, the frequency of the updates is controlled, which severely affects the performance of the system. This paper presents Converging Directed Acyclic Graph (CDAG), as a substitute for the chain and DAG structures used in other blockchain protocols. CDAG allows multiple parallel updates to the ledger and converges them at the next step providing finality to the blocks. It partitions the updates into non-intersecting buckets of transactions to prevent the generation of conflicting blocks and divide the time into slots to provide enough time for them to propagate in the network. Multiple simultaneous updates improve the throughput of CDAG, and the converging step helps to finalize them faster, even in the presence of conflicts. Moreover, CDAG provides a total order among the blocks of the ledger to support smart contracts, unlike some of the other blockDAG protocols. We evaluate the performance of CDAG on Google Cloud Platform using Google Kubernetes Engine, simulating a real-time network. Experimental results show that CDAG achieves a throughput of more than 2000 transactions per second and confirms them well in under 2 minutes. Also, the protocol scales well in comparison to other permissioned protocols, and the capacity of the network only limits the performance.

研究动机与目标

• 解决传统区块链与块DAG协议在许可环境下的可扩展性与最终性限制。
• 通过允许多个无冲突的块并行提出，实现高交易吞吐量。
• 在保持低孤儿率的同时，确保块的全序性以兼容智能合约。
• 通过汇聚块机制实现快速最终性，降低确认延迟。
• 在实际部署中，于网络拥塞条件下具备高效可扩展性，并能容忍恶意节点。

提出的方法

• 将交易划分为互不相交的桶，以防止并发块提议过程中的冲突。
• 使用分布式时间屏障将时间划分为时隙，以确保块具备足够的传播时间。
• 在每个时隙中提出多个无冲突的块，并在每个步骤结束时汇聚成一个汇聚块（C-Block）。
• C-Block 在账本中建立全序，支持智能合约的确定性执行。
• 采用重链协议的变体以不可逆地确认交易并解决临时分叉。
• 通过在 Google Cloud Platform 上使用 Kubernetes 的实时网络仿真对协议进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 混合块DAG结构能否在保持智能合约全序性的同时实现高吞吐量？
• RQ2 交易分桶与时间屏障的使用如何影响块传播与孤儿率？
• RQ3 在不同网络负载下，该协议的吞吐量与确认延迟性能上限如何？
• RQ4 该协议对验证者与守护者恶意行为的鲁棒性如何？
• RQ5 随着节点数量增加，该协议能否实现高效扩展并保持低延迟？

主要发现

• CDAG 在实验评估中实现了超过 2,000 笔/秒的交易吞吐量。
• 在实时网络条件下，交易最终性在两分钟内完成。
• 通过延长时隙，孤儿率显著降低，归因于块传播与网络稳定性的提升。
• 即使高达 20% 的验证者与守护者为恶意节点，协议仍能在 120 秒内确认交易，表现出强鲁棒性。
• 性能随网络规模扩展良好，仅受限于底层网络基础设施的容量。
• 由于高效的交易分桶与时间屏障同步，协议保持了低延迟与高吞吐量。