[论文解读] Faithful Simulation of Randomized BFT Protocols on Block DAGs

Attiya, Hagit, Enea, Constantin+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 164被引用 57

一句话总结

本文對基於DAG的區塊鏈系統進行了系統性分析，提出了一種廣義的二維模型，識別出六種不同的設計模式。該模型從結構、共識、安全性、性能和特性等多個維度對這些系統進行評估，提供了一套全面的框架，以指導未來在可擴展、高吞吐量區塊鏈架構方面的研究與開發。

ABSTRACT

Blockchain plays an important role in cryptocurrency markets and technology services. However, limitations on high latency and low scalability retard their adoptions and applications in classic designs. Reconstructed blockchain systems have been proposed to avoid the consumption of competitive transactions caused by linear sequenced blocks. These systems, instead, structure transactions/blocks in the form of Directed Acyclic Graph (DAG) and consequently re-build upper layer components including consensus, incentives, extit{etc.} The promise of DAG-based blockchain systems is to enable fast confirmation (complete transactions within million seconds) and high scalability (attach transactions in parallel) without significantly compromising security. However, this field still lacks systematic work that summarises the DAG technique. To bridge the gap, this Systematization of Knowledge (SoK) provides a comprehensive analysis of DAG-based blockchain systems. Through deconstructing open-sourced systems and reviewing academic researches, we conclude the main components and featured properties of systems, and provide the approach to establish a DAG. With this in hand, we analyze the security and performance of several leading systems, followed by discussions and comparisons with concurrent (scaling blockchain) techniques. We further identify open challenges to highlight the potentiality of DAG-based solutions and indicate their promising directions for future research.

研究动机与目标

• 為解決基於DAG的區塊鏈系統中缺乏系統性理解的問題，特別是關於設計模式與架構權衡的問題。
• 基於結構與共識特性，提供一個統一的框架，用於分類現有的基於DAG的區塊鏈系統。
• 對比分析基於DAG的系統與傳統區塊鏈及替代性擴容技術，在性能、安全性與可擴展性方面的表現。
• 識別未來在基於DAG的區塊鏈設計與部署方面的開放性挑戰與研究方向。
• 澄清關於DAG語義、共識機制以及區塊在基於圖的賬本中角色的常見誤解。

提出的方法

• 提出一種基於數學的二維模型，用以抽象化基於DAG的區塊鏈系統，以「單元類型」與「拓撲」作為核心維度。
• 通過兩種維度的組合，將現有系統分類為六種明確類型，從而實現對實際部署系統的系統性分類。
• 將共識機制拆解為組成部分，如區塊/交易選擇、投票機制與最終性判定，以進行比較分析。
• 使用定性與定量指標，在五個維度（結構、共識、特性、安全性與性能）上對系統進行評估。
• 將基於DAG的方法與替代性擴容技術（如分片、Layer-2、混合共識）進行對比，以突出其獨特優勢與局限性。
• 識別並討論開放性研究挑戰，包括對智能合約的支援、最終性保障，以及去中心化、安全性與可擴展性之間的權衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 基於DAG的區塊鏈系統中，其基本的結構與共識設計模式是什麼？
• RQ2 基於DAG的系統如何實現比傳統線性區塊鏈更高的吞吐量與更短的確認時間？
• RQ3 在不同網絡條件與對抗模型下，基於DAG的系統在多大程度上仍能維持安全性保障？
• RQ4 在基於DAG的設計中，去中心化、安全性、可擴展性與性能之間的關鍵權衡是什麼？
• RQ5 基於DAG的系統是否能原生支援智能合約與狀態化應用？其架構上的障礙是什麼？

主要发现

• 作者通過基於單元類型與拓撲的二維分類模型，在基於DAG的區塊鏈系統中識別出六種不同的設計模式。
• 基於DAG的系統透過支持並行交易處理，實現了毫秒級的確認時間與更高的吞吐量，而傳統線性區塊鏈則無法做到。
• 雖然大多數DAG系統提升了可擴展性與性能，但往往會削弱嚴格的一致性保障，因此在缺乏額外機制的情況下，不適合用於智能合約等狀態化應用。
• 結合Nakamoto共識與BFT風格最終性的混合共識方法，正成為平衡性能與安全性的有前景路徑。
• 現有的DAG系統尚未能同時實現高吞吐量、強安全性與存儲效率，這表明仍存在開放性研究挑戰。
• 本文結論指出，目前尚無任何基於DAG的區塊鏈能完全滿足去中心化、安全性與可擴展性之間的理想權衡，這也成為未來創新的一個關鍵領域。