[论文解读] Scaling Nakamoto Consensus to Thousands of Transactions per Second

Chenxing Li, Peilun Li+4 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 12被引用 140

一句话总结

Conflux 引入基于 DAG 的 Nakamoto 共识以处理并发区块，推导全局区块序和交易顺序以实现千级 TPS，在最多 20k 节点下评估，确认时间为 4.5–13.8 分钟。

ABSTRACT

This paper presents Conflux, a fast, scalable and decentralized blockchain system that optimistically process concurrent blocks without discarding any as forks. The Conflux consensus protocol represents relationships between blocks as a direct acyclic graph and achieves consensus on a total order of the blocks. Conflux then, from the block order, deterministically derives a transaction total order as the blockchain ledger. We evaluated Conflux on Amazon EC2 clusters with up to 20k full nodes. Conflux achieves a transaction throughput of 5.76GB/h while confirming transactions in 4.5-7.4 minutes. The throughput is equivalent to 6400 transactions per second for typical Bitcoin transactions. Our results also indicate that when running Conflux, the consensus protocol is no longer the throughput bottleneck. The bottleneck is instead at the processing capability of individual nodes.

研究动机与目标

• 解决传统 Nakamoto 共识的吞吐瓶颈，通过在不丢失分叉的情况下实现并发区块处理。
• 提出一种基于 DAG 的共识，从总区块序中惰性地协调交易顺序。
• 在标准区块链假设下证明安全性和不可逆性属性。
• 在大规模云基础设施上实现并评估原型，以与 Bitcoin 和 GHOST 进行比较。

提出的方法

• 用父边和引用边将区块关系表示为一个 DAG，以捕捉并发区块。
• 通过 GHOST 规则使用枢轴链来定义账本的稳定且不可逆转的骨干。
• 使用枢轴链将 DAG 划分为纪元，并在每个纪元内对区块进行确定性拓扑排序。
• 通过乐观且冲突感知的交易对账，从区块总序推导交易总序。
• 修改基于 Bitcoin Core 的实现以支持 DAG 广播和陈旧区块处理，使 Conflux 能在高吞吐量下运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于 DAG 的共识是否能够在并发区块之间安全、有效地实现总区块序？
• RQ2 Conflux 的枢轴链和基于纪元的排序对交易确认时间和吞吐量的影响是什么？
• RQ3 在现实网络条件下，Conflux 的性能与基于链的 Nakamoto 协议（Bitcoin、GHOST）相比如何？
• RQ4 当诚实节点在区块生成速度上超过攻击者时，安全性和活性保证是什么？
• RQ5 在大规模部署（多达数万节点）时，实际吞吐量和确认延迟是多少？

主要发现

• Conflux 在每节点 40 Mbps 带宽下实现 5.76 GB/h 吞吐量（相当于典型 Bitcoin 交易的 6400 笔/秒）。
• 在每节点 20 Mbps 带宽下，Conflux 实现 2.88 GB/h 吞吐量，确认时间为 4.5–7.4 分钟。
• Conflux 在吞吐量上约比 Bitcoin 和 GHOST 高出 11.62 倍，在测试条件下超越 Algorand。
• Conflux 的瓶颈从共识转移到单个节点的处理能力，如网络带宽。
• 共识保证依赖于枢轴链的不可逆性和两边 DAG 结构来安全地整合并发区块。