[论文解读] Directed Acyclic Graph Based Blockchain Systems

Anand Devarajan, Erkan Karabulut|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Blockchain Technology Applications and Security被引用 2

一句话总结

本文对基于有向无环图（DAG）的区块链系统进行了对比分析，评估其在性能、可扩展性和安全性方面相较于传统区块链的表现。研究结果表明，IOTA、Nano 和 DAGCoin 等 DAG 系统可实现近乎零费用、低于一分钟的交易时间以及高吞吐量（例如超过 10,000 TPS），使其非常适合物联网和微支付场景，同时识别出关键局限性，如易受低流量攻击，且缺乏通用智能合约支持。

ABSTRACT

Blockchain technology has been revolutionizing many fields since last decade. Its true potential is not practically utilized yet. In a very short period of time, it has evolved twice - Smart contracts and Directed Acyclic Graph (DAG). DAG based blockchains currently referred to as Blockchain 3.0 solves many issues in the current conventional blockchain technologies including transaction fees, transaction approval times and scalability. In this paper, we present a comparative analysis of blockchain implementations based on DAG including IOTA, NxT, Byteball, Nano, DAGCoin, Fantom, XDAG and Caixapay. We discuss limitations of both conventional and DAG based blockchains and suggest when to prefer DAG based blockchains.

研究动机与目标

• 评估基于 DAG 的区块链系统相较于传统区块链在性能和可扩展性方面的表现。
• 识别传统区块链与 DAG 区块链在安全性、去中心化程度以及智能合约支持方面的局限性。
• 根据使用场景需求，为选择基于 DAG 的区块链而非传统区块链提供决策框架。
• 评估新兴 DAG 区块链系统的成熟度及其安全风险，包括共识机制和密码原语中的漏洞。

提出的方法

• 对七种具有代表性的 DAG 区块链系统（IOTA、NxT、Byteball、Nano、DAGCoin、Fantom 和 CaixaPay）进行了对比分析。
• 基于交易吞吐量（TPS）、交易费用、确认时间、共识机制和去中心化程度对系统进行评估。
• 分析了底层 DAG 结构，其中交易直接引用并批准先前的交易，无需区块。
• 研究了共识机制，如 CaixaPay 和 DAGCoin 中的‘见证人’选择机制，以及 IOTA 中协调器的作用。
• 评估了安全风险，包括对低流量攻击的易感性，以及自定义密码函数（如 Curl-P-27）中的漏洞。
• 提供了基于可扩展性和交易量需求的 DAG 系统选择决策框架（附录 A）。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于 DAG 的区块链在交易吞吐量、费用和确认时间方面如何优于传统区块链？
• RQ2 在低流量场景下，基于 DAG 的区块链设计在安全性和去中心化方面存在哪些关键权衡？
• RQ3 在何种条件下应优先选择基于 DAG 的区块链而非传统无许可区块链？
• RQ4 当前基于 DAG 的系统在多大程度上支持智能合约？其性能开销如何？
• RQ5 现有基于 DAG 的区块链实现中存在哪些关键漏洞和可扩展性风险？

主要发现

• 基于 DAG 的区块链在交易吞吐量方面显著优于传统区块链，DAGCoin 的吞吐量超过 10,000 TPS，而比特币仅为 7 TPS。
• 基于 DAG 的系统交易费用近乎为零——DAGCoin 的费用约为 0.0005 美元，而比特币在 10,000 美元转账中费用为 3.35 美元。
• DAG 系统中的交易确认时间通常低于 30 秒，而基于 PoW 的区块链则需数分钟甚至数小时。
• 当交易量较低时，IOTA 等 DAG 系统易受大权重攻击影响，表明其在可扩展性与安全性之间存在权衡。
• 许多 DAG 系统仍依赖于中心化组件（如 IOTA 的协调器），从而削弱了完全去中心化。
• 大多数 DAG 系统尚未支持通用智能合约，而支持的系统（如 Fantom）因采用类似 EVM 的执行机制而产生性能开销。