[论文解读] Consensus Mechanism Design based on Structured Directed Acyclic Graphs

Jiahao He, Guangju Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于结构化有向无环图（DAG）的共识机制，以在不牺牲安全性或去中心化的情况下扩展区块链容量。通过在强连通DAG中嵌入Nakamoto链，并采用最小化重复处理的交易分配方法，系统实现了每秒最高1,179.6笔交易，总延迟约为1,021秒（17分钟），其中在恶意算力占比不超过30%的情况下，安全延迟为810秒。

ABSTRACT

We introduce a structure for the directed acyclic graph (DAG) and a mechanism design based on that structure so that peers can reach consensus at large scale based on proof of work (PoW). We also design a mempool transaction assignment method based on the DAG structure to render negligible the probability that a transaction being processed by more than one miners. The result is a significant scale-up of the capacity without sacrificing security and decentralization.

研究动机与目标

• 为解决区块链系统中的可扩展性瓶颈，该瓶颈限制了每秒交易数（TPS），尽管需求很高。
• 在提升吞吐量超过链式结构区块链的同时，保持强大的安全性和去中心化特性。
• 降低交易确认延迟，并改善低费用交易的费用包含公平性。
• 通过支持持续的区块生成并减少对矿池的依赖，实现挖矿算力的去集中化。
• 通过基于DAG的内存池分配方法，确保交易被多个矿工处理的概率可忽略不计。

提出的方法

• 设计一种结构化且强连通的DAG，嵌入Nakamoto链以保留工作量证明（PoW）的安全保证。
• 基于DAG结构设计内存池交易分配方法，以最小化交易被多个矿工处理的可能性。
• 将里程碑创建建模为泊松过程，并使用随机标签系统（0或1）表示诚实或恶意的区块创建。
• 应用概率模型，基于泊松到达率和传输延迟，估计长期中被标记为1的里程碑比例。
• 通过100万条样本路径的模拟，确定在期望安全级别下（例如失败率低于10^-3）所需的可靠延迟。
• 将总延迟分解为三个部分：排队延迟（W₁）、感染延迟（W₂）和安全延迟（W₃），每部分均采用分析方法与仿真方法建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计基于DAG的结构，以在支持并行交易处理的同时保持Nakamoto共识的安全性？
• RQ2 在PoW下，基于DAG的共识系统的最大可实现吞吐量是多少？其如何随网络参数变化而扩展？
• RQ3 在DAG中如何优化交易分配，以最小化重复处理并提高效率？
• RQ4 在不同水平的敌对算力下，为确保失败概率低于10^-3，所需的安全延迟是多少？
• RQ5 排队延迟、感染延迟和安全延迟如何共同决定所提系统中的总交易确认时间？

主要发现

• 系统理论最大吞吐量约为每秒1,179.6笔交易，基于1,000名诚实矿工每秒生成1.2个区块，且内存池分配效率为98.3%。
• 当30%的算力由恶意矿工控制时，为确保失败概率低于10^-3，需要810秒的安全延迟。
• 总交易确认延迟约为1,021秒（超过17分钟），由188秒的排队延迟、23秒的感染延迟和810秒的安全延迟组成。
• 在给定参数下，当10%的矿工为恶意时，被标记为1（表示诚实区块创建）的里程碑的长期平均比例估计为92.8%。
• 仿真结果表明，随着安全延迟增加，失败频率迅速下降，当敌对算力为10%时需130秒，敌对算力为30%时需810秒，才能使失败率低于10^-3。
• 所提出的DAG结构支持持续的区块生成，且区块大小较小（每区块一个交易），从而降低密码学难题的难度，提升网络响应速度。