DAG:一文看懂DAG技術的現狀與趨勢

作者：李強/DAG應用Bsure創始人

本文旨在向讀者介紹DAG技術的架構、發展趨勢以及典型應用，希望能為大家思考區塊鏈的未來發展提供一種新的思路。

一、什么是DAG？

DAG：DirectedAcyclicGraph，中文意為「有向無環圖」。

DAG原本是計算機領域一種常用數據結構，因為獨特的拓撲結構所帶來的優異特性，經常被用于處理動態規劃、導航中尋求最短路徑、數據壓縮等多種算法場景。

再看傳統區塊鏈和DAG的區別，簡單的說：

1）單元：區塊鏈組成單元是Block，DAG組成單元是TX；?

2）拓撲：區塊鏈是由Block區塊組成的單鏈，只能按出塊時間同步依次寫入，好像單核單線程CPU；DAG是由交易單元組成的網絡，可以異步并發寫入交易，好像多核多線程CPU；

3）粒度：區塊鏈每個區塊單元記錄多個用戶的多筆交易，DAG每個單元記錄單個用戶交易。

傳統區塊鏈技術存在的幾個問題：

1）效率問題：傳統區塊鏈技術基于Block區塊，比特幣的效率一直比較低，由于BlockChain鏈式的存儲結構，整個網絡同時只能有一條單鏈，基于POW共識機制出塊無法并發執行；例如比特幣每十分鐘出一個塊，6個出塊才能確認，大約需要一個小時；以太坊大幅改善，出塊速度也要十幾秒。

2）確定性問題：比特幣和以太坊存在51%算力攻擊問題，基于POW共識的最大問題隱患，就是沒有一個確定的不可更改的最終狀態；如果某群體控制51%算力，并發起攻擊，比特幣體系一定會崩潰；考慮到現實世界中的礦工集團，以及正在快速發展量子計算機的逆天算力，這種危險現實存在。

3）?中心化問題：基于區塊的POW共識中，礦工一方面可以形成集中化的礦場集團，另一方面，獲得打包交易權的礦工擁有巨大權力，可以選擇哪些交易進入區塊，哪些交易不被處理，甚至可以只打包符合自己利益的交易，這樣的風險目前已經是事實存在。

4）能耗問題：由于傳統區塊鏈基于POW算力工作量證明，達成共識機制，比特幣的挖礦能耗已經與阿根廷一個國家耗電量持平，IMF和多國政府對虛擬貨幣挖礦能源消耗持批評態度。

Digiconomist數據表明：全球挖礦業務總計，每年產生約2.9億噸碳排放。

由于以上問題，有人提出疑問：為什么一定需要區塊呢？DAG技術被用于嘗試解決區塊鏈的上述問題。

Matrixport：比特幣多頭應轉向看漲期權以優化其交易:金色財經報道，加密貨幣服務提供商Matrixport周四表示，加密貨幣交易者應考慮將資金從比特幣（BTC）轉為與加密貨幣相關的看漲期權，以優化其交易。Matrixport研究和戰略主管Markus Thielen表示，可以預見的是，加密貨幣市場在夏季的幾周內變得非常安靜。這導致交易量和波動性顯著下降。投資者可能最好用比特幣期權取代比特幣現貨，尤其是看漲期權，因為較低的波動性使期權價格更便宜。[2023/7/28 16:04:44]

二、DAG起源

最早在區塊鏈中引入DAG概念作為共識算法是在2013年，bitcointalik.org由ID為avivz78的以色列希伯來大學學者提出，也就是GHOST協議，作為比特幣的交易處理能力擴容解決方案；Vitalik在以太坊紫皮書描述的POS共識協議Casper，也是基于GHOSTPOW協議的POS變種。

后來NXT社區有人提出用DAG的拓撲結構來存儲區塊，解決區塊鏈的效率問題。區塊鏈只有一條單鏈，打包出塊無法并發執行。如果改變區塊的鏈式存儲結構，變成DAG的網狀拓撲可以并發寫入。在區塊打包時間不變的情況下，網絡中可以并行打包N個區塊，網絡中的交易就可以容納N倍。

此時DAG跟區塊鏈的結合依舊停留在類似側鏈的解決思路，交易打包可以并行在不同的分支鏈條進行，達到提升性能的目的。此時DAG還是有區塊的概念。

Nxt社區提出的DAGofblocks

2015年9月，SergioDemianLerner發表了《DagCoin:acryptocurrencywithoutblocks》一文，提出了DAG-Chain的概念，首次把DAG網絡從區塊打包這樣粗粒度提升到了基于交易層面，但DagCoin本身是一篇論文，沒有代碼實現。

DagCoin的思路，讓每一筆交易都直接參與維護全網的交易順序。交易發起后，直接廣播全網，跳過打包區塊階段，達到所謂的Blockless。這樣省去了打包交易出塊的時間。如前文提到的，DAG最初跟區塊鏈的結合就是為了解決效率問題，現在不用打包確認，交易發起后直接廣播網絡確認，理論上效率得到了質的飛躍。DAG進一步演變成了完全拋棄區塊鏈的一種解決方案。

2016年7月，基于Bitcointalk論壇公布的創世貼，IOTA橫空出世，隨后ByteBall也閃亮登場，IOTA和Byteball是頭一次DAG網絡真正技術實現，也是此領域最耀眼的領軍者；此時，號稱無塊之鏈、獨樹一幟的DAG鏈家族雛形基本形成。

NFT平臺Refinable被Artifact Labs收購:4月17日消息，NFT平臺Refinable宣布已被Artifact Labs收購，但收購金額暫未對外披露。Artifact Labs是一個多鏈 NFT 生態系統，由《南華早報》剝離了其基于區塊鏈的NFT業務而成立，《南華早報》目前仍是Artifact Labs的股東，本次收購Refinable將加速其推出去中心化NFT市場、以及Web3產品路線圖的開發。

此前報道，Refinable于2021年4月完成300萬美元私募融資，幣安、Mr. Beast等參投。[2023/4/17 14:09:13]

一句話來概括：DAG是面向未來的新一代區塊鏈，從圖論拓撲模型宏觀看，從單鏈進化到樹狀和網狀、從區塊粒度細化到交易粒度、從單點躍遷到并發寫入，這是區塊鏈從容量到速度的一次革新。

三、DAG發展現狀

DAG系當前的代表項目，最知名的無疑是DAG三架馬車----IOTA、字節雪球、Nano，作為最新的分布式賬本主力競爭技術，DAG開始引發大量關注始于IOTA在2017年下半年市值沖入幣值排行榜第四名，之后基于DAG技術的新項目不斷進入人們的視野。

1）IOTA

IOTA背后最主要的創新Tangle，是一個基于DAG全新設計的分布式賬簿結構，是一個既沒有塊也沒有鏈的區塊鏈。在Tangle中，每一個節點代表的是一個交易。IOTA里沒有區塊的概念，也沒有挖礦和礦工的概念，這就代表沒有交易費，整個網絡的吞吐量也很高，這是IOTA的最吸引人的亮點之處。

Tangle的核心原則與區塊鏈一致，依舊是一個分布式的數據庫、P2P網絡，以及共識算法來驗證交易。Tangle與傳統區塊鏈之間的主要區別，就是Tangle數據結構以及共識機制。

在IOTA里沒有區塊的概念，取而代之的是交易網絡，每一個交易都會引用過去的兩條交易記錄Hash，這樣前一交易會證明過去兩條交易的合法性，以及間接證明之前所有交易的合法性。

這樣，整個網絡都參與交易合法性的驗證，而不像傳統區塊鏈，只有全網中的礦工這樣少量節點來驗證交易合法性。因此，IOTA的共識就是它自身內化特性，可以使它在沒有交易費用的情況下進行規模化使用。IOTA中不再有區塊的概念，共識的最小單位是交易。

TheTangle另外一個強大之處，就是可以隨意的讓交易從網絡中剝離出來或者合并回去。這種離線異步處理的能力在物聯網領域應用中尤為重要。

LV在線品牌保護主管：LV 與草間彌生的合作計劃不包括推出 NFT 系列:2月8日消息，奢侈品巨頭LouisVuitton（LV）在線品牌保護主管HadrienHuet證實，LV與日本藝術家草間彌生(YayoiKusama)進行了合作，但合作計劃不包括推出NFT系列。

此前報道，LV將與草間彌生發行10000枚聯名NFT，以紀念該品牌誕生200周年。（CryptoTimes）[2023/2/8 11:53:41]

IOTA目前的問題是：

第一，MIT報告指出，IOTA使用了自己開發的哈希算法curl，但是curl算法的哈希值極易發生碰撞，于是就能偽造數字簽名。

第二，因為共識是由全網交易確定的，那么理論上來說，如果有人能夠產生1/3的交易量，他就可以將無效交易變成有效交易。另一方面，由于IOTA無手續費，所以沒有礦工激勵，IOTA面臨著拒絕服務攻擊和垃圾信息攻擊可能，就像不收物業費的小區，靠業主自治很難掃清不法份子，

第三，IOTA引入閉源的中心化組件Coordinator來對全網交易進行檢查，如何有效移除Coordinator并建立一個具有良性激勵機制的去中心化「Coordinator群體」，IOTA還沒有給出解決方案。

2）Byteball

Byteball被稱為區塊鏈3.0的代表。具有DAG體系家族中最完善的應用生態，Byteball錢包內置豐富功能，包括類似Appstore模式的BotStore，自由開發者可以在上面自由開發應用，開發者非常活躍。

Byteball在DAGCoin的基礎上，創新性引入主鏈與見證人概念，鼓勵驗證多個父輩交易單元，形成一個隨著交易增長、相互驗證，安全性不斷加強的數字簽名Hash網絡，Byteball創造性的發明了「主鏈」概念，也就是經過見證人認定的最短路徑MC的Parents優選算法。主鏈創造了一個全網共識確定的交易時間序列，優雅地避免了雙花問題。

Byteball中「見證人」真正意義就是形成共識機制；12個「見證人」發布的交易單元，在理論上無限寬廣的DAG并發交易網絡中劃出了一道確定性的交易時間序列。正是這道無限延伸基于時間的確定性交易序列，打造了Byteball中的主鏈，在寬廣無序的有向無環哈希世界中形成了強健有序的唯一主干。基于見證人+主鏈的共識機制，雙重支付等問題得到了輕松解決。

Byteball取消了區塊鏈和工作量證明挖掘的概念，而是選擇了DAG數據存儲技術。與基于傳統區塊鏈的加密貨幣相比，這具有強大的優勢，Byteball中的所有交易都是以加密方式相互關聯的。新產生交易將添加到tips交易單元后面。這樣讓網絡上的所有節點都參與驗證交易，完全的去中心化。

Block第三季度比特幣銷售收入為17.6億美元:金色財經報道，支付公司Block Inc.公布的財報數據顯示，該公司第三季度凈收入為45.2億美元，同比增長17%，其中比特幣銷售收入為17.6億美元。公司凈虧損1470萬美元，其中包括與比特幣相關的200萬美元減值損失和5600萬美元的攤銷費用。除去這些費用，Block的凈利潤總計4300萬美元。與此同時，公司毛利潤為15.7億美元，同比增長38%。Square第三季度毛利潤為7.83億美元，同比增長29%，Cash App的毛利潤為7.74億美元，同比增長51%。此外，第三季度Block的比特幣毛利潤接近3700萬美元，低于第二季度的4100萬美元。[2022/11/4 12:15:37]

這不僅可以更快地驗證付款，還可以讓網絡保持足夠的分散。避免在比特幣中的一些問題：例如可能威脅網絡的大型集中式礦池；同時Byteball通過收取存儲在DAG網絡的每字節數據存儲費用，通過類似Gas機制減少網絡上的SPAM垃圾信息。

有人說Byteball的Witness存在中心化依賴，這里也為Witness正名，在Byteball的Witness節點設計中，witness節點是高度安全的，僅僅能發出見證單元，無法接觸交易，所以Witness并不是礦工，Witness扮演的是WatchMan的角色，幫系統錨定交易發生時間順序，沒有留出作惡的空間；另外Witenss數量也可以根據需要設置和選擇，并不局限于目前的12個見證人。

Byteball由于每個交易都有發起者的私鑰簽名，同時每筆交易都驗證與引用從前發生的交易，以此編織成一個巨大的網絡，對網絡的篡改牽一發而動全身，同時不可能有人擁有全網所以用戶的私鑰，所以Byteball具備銀行級最終確定性。

Byteball的問題是：由于主鏈算法和見證人發布頻率有關系，交易確認的時間是不確定的；由于Byteball基于關系數據庫來存儲數據，SQL語言過于緊耦合算法邏輯，在一定程度上限制了Byteball目前的擴展能力和速度。

3）NANO(XRB)

Nano，是一種基于區塊點陣(BlockLattice)結構的新型加密貨幣。

Nano創新性地采用了一個用戶一條鏈的方式，只記錄自己的交易，也只有自己可以修改記錄，不與其它帳戶共享數據，從而使所有的交易都可以并行執行，能提供秒級的交易速度和無限可擴展性，并且允許他們異步地更新到網絡的其余部分，從而以極小的資源開銷獲得快速的交易確認。

時尚品牌Salvatore Ferragamo在紐約開設以太坊NFT展位:6月24日消息，奢侈時尚品牌Salvatore Ferragamo周五在紐約市Soho區開業的新概念店安裝了一個NFT展位，客戶可以在其中從特征菜單中創建和鑄造自己的以太坊NFT。在Ferragamo展臺上創建的所有NFT將對參觀者免費，但總共只能鑄造256個。該品牌與藝術家Shxpir合作，為其NFT創建特征和視覺元素。Shxpir用故障和超現實主義元素創造了迷幻的3D數字藝術，還為Ferragamo設計了限量版膠囊系列，包括200件T恤和150件運動衫。[2022/6/25 1:30:18]

Nano一個節點可以存貯所有賬戶的歷史賬本，也可以只存貯每個賬戶的最后修剪記錄。當一筆交易發生的時候，發出金額的一方會生成一個sendtx的區塊，包含記錄扣除的金額；而收款賬戶則生成receivetx區塊記錄對應獲得的金額。交易數據的收發是可以異步進行的，所以就算同時有多筆金額匯入一個賬戶也沒有問題，最終的金額是收到的金額的加法。如果接收方不在線也沒關系，未到賬的金額會單獨標記，等到接收賬戶上線之后，這筆金額就會從未結算區打入接收區塊，完成交易。

NANO使用了DPOS共識機制，賬戶可以指定代表為其投票，得票最多的代表將處理分叉，這個代表會將分叉廣播到網絡，并觀察來自高權賬戶節點在固定時間內的投票接結果，以此來確定保留哪一個區塊。DPOS可以保證區塊的合理低能耗運行。NANO也使用到了POW機制，確認交易需要非常少的工作證明。

NANO的問題是：沒有被充分測試、缺乏同行評議，共識算法可能有嚴重缺陷的風險。例如，如果沒有足夠的法定人數投票來解決網絡沖突會發生什么？另一個大問題：如果NANO網絡的某些部分長時間分離，當分離的網絡重新加入時會發生什么？重新加入的網絡是否會在不可避免發生的投票過程中癱瘓？

四、DAG革新與趨勢

DAG技術正快速的發展與革新，除了三駕馬車之外，新出現的DAG項目在共識算法、去中心化機制、速度與并發上，都取得了更新的進展，近期引發大家重點關注的項目包括：

1）HashGraph

Hashgraph是由LeemonBaird開發的一種Gossip八卦協議共識算法。所有節點隨機地與其他節點共享其已知交易，因此最終所有交易可傳遞到各個節點。Hashgraph速度非常快，由于閉源和專利，HG適用于私鏈或者聯盟鏈，短期內不會應用于公鏈和得到規模驗證。

Hashgraph開創性的在公鏈環境下做異步BFT共識，傳統BFT的一大問題是消息復雜度太高，大量消耗系統的網絡帶寬，無法很好的應對動態網絡。這里Hashgraph引入了傳統GossipProtocol，并加以獨特的創新，另外再加上虛擬投票機制，這樣在需要共識的時候不會引起突發大規模消息傳遞風暴。

Hashgraph和Algorand通過從不同角度改良了BFT應用的場景和條件來使得BFT共識可以被應用到公鏈系統中，HG通過八卦傳播哈希圖以及基于哈希圖做虛擬投票將傳統共識所需的瞬時通信要求降到了最低，并且本地計算保證了共識高效性。

最新的Hashgraph的商業介紹書上講述計劃切換到POS，并且支持DOPS，并可以讓不運行全節點的持幣者選擇代理人，分享收益。

Hashgraph集各家所長，在擴展性，安全性和共識達成成本上都有很大突破，但是技術難度大，還未在大規模公鏈環境下運行，如果能夠實現嚴密的數學及應用檢驗HG白皮書中描述，那么Hashgraph足以成為可信互聯網上探索的一個重要里程碑。

2）SPECTRE/PHANTOM

SPECTREProtocol采用了Block+DAG的「區塊有向無環圖」技術，可以并行挖礦，從而帶來更大的吞吐量和更快的交易確認時間；2018年2月SPECTRE的擴容協議–Phantom發布，能夠大大擴充網絡交易容量，并兼容智能合約。該項技術是「對中本聰提出的區塊鏈的泛化」，解決了前者需在安全性與擴容能力之間進行取舍的問題，因而更加適合建立速度更快或規模更大的區塊。

不同于閃電網絡等鏈下解決方案，PHANTOM是鏈上擴容方案。同時PHANTOM采用線性排序會在一定程度上犧牲SECTRE可實現的交易確認速度。

3）Hycon

Hycon是韓國的DAG項目，定位平臺型公鏈，還要做生態，包括價值交換媒介去中心化交易所，準備募集近一個億美金的資金，另外70%是要靠以后挖礦挖出來的。

Hycon整個生態系統的建立分為三個階段：價值交換媒介、區塊鏈平臺以及去中心化交易所，旨在打造集價值交換、商業應用以及Token流通等屬性于一身的價值生態系統。其中，區塊鏈平臺是整個生態系統的核心，將解決交易確認速度低、吞吐量有限的區塊鏈性能瓶頸，從而實現商業級應用。

Hycon公鏈平臺的主要特性是：快速交易確認時間、鏈上交易擴展性、同步出塊以及智能合約。

4）Algorand

最近在海內外大火的明星項目Algorand，目標是建立一個低能耗、高速度、民主化、可拓展性好而且幾乎不會出現分叉的分布式賬本。Algorand沒有引入激勵機制或發行數字加密貨幣。Algorand由圖靈獎得主、MIT教授SivioMicali募集400萬美元開發。

GHOST、SPECTRE和Meshcash是最近用來提升比特幣吞吐量的部分提議，通過使用樹或者有向無環圖來代替底層區塊鏈的賬本結構，解決區塊鏈分叉的沖突問題。這些協議使用POW證明共識，通過精心設計的樹/圖分支之間的選擇規則，能大幅提高吞吐量。

中國的新技術領域跟隨創新的腳本并不緩慢，基于DAG的區塊鏈系統正在快速涌現，但在底層共識設計革新和方法創新上還有差距，我們統計了部分目前國內基于DAG技術的典型項目：

1）ITC

基于區塊鏈的安全物聯網輕操作系統，解決方案融合了區塊鏈技術，結合密碼學非對稱加密技術，半同態加密秘文計算技術，以及無數據中心的分布式架構，旨在解決目前物聯網嚴重的安全問題，滿足物聯網高度并發的使用場景，實現萬物互聯互通。

2）TrustNote

TrustNote是支持POW挖礦的DAG公有鏈，具有創新的雙層共識機制，面向數字通證發行、區塊鏈游戲和社交網絡等應用場景，基礎代幣稱為「TTT」，核心在于底層公鏈開發，應用生態可以應用在金融征信、信息安全、物聯網、游戲、社交等領域。目前，已經在應用領域有所涉及。

3）Bsure

Bsure是專業數字保險和大健康區塊鏈智能平臺，構建基于DAG技術的數字保險和健康醫療行業公鏈。目前測試鏈已經上線，并在開發Bsure.cloud鏈云基礎設施，賦能健康醫療和保險科技行業產品與服務創新。

Bsure行業公鏈平臺的開發中的主要特性包括：快速交易確認時間、交易擴展性、Package+DAG共識創新，分層賦能架構：包括獨立的智能合約層、去中心化存儲層、DAPP應用層、同構跨鏈等等。

4）Nerthus

2017年下半年發起的低調項目，Nerthus基于的是字節雪球DAG結構加以改良，并使用GO語言實現了服務層，核心層，和應用層三層架構。目前還沒上交易所。納爾圖應該是中國第一個的基于DAG技術開發的平臺型公鏈項目，項目正在開發中。

5）CyberVein

CyberVein是基于DAG架構，包含了自己的Vein編程語言、虛擬機、新型智能合約的底層系統，致力于從技術層面和商業邏輯兩方面解決大數據時代面臨的數據價值定義和管理問題。

CyberVein由DAG+PoC機制+數據庫虛擬機共同完成的，DAG架構只是CyberVein的一部分，CyberVein平臺上還可以創建自己的智能合約，擁有操作數據庫的虛擬機和編程語言，共識機制還有創新。如果把項目比作一個精裝修樓房來說的話，DAG架構僅僅只是CyberVein的地基，數據庫虛擬機是樓房的鋼筋水泥，編程語言和智能合約是每一間房子的裝修，PoC貢獻證明是樓房的智能門禁系統！

6）Mixin

Mixin計劃建立一個最大的對開發者友好的移動區塊鏈網絡，無限吞吐鏈接所有現存的區塊鏈，基于DAG實現。

Mixin規劃宏大，包括跨鏈、無限吞吐、基于手機號的賬號和資產管理等等，立志要做中國未來用戶量最大的公鏈。目前一款基于其的Dapp-MixinMessenger測試版已經上線。另外幾個基于Mixin的項目如Pressone,Motion,Show.one也在持續開發。

7）Travelflex

基于DAG技術的去中心化社交旅游網絡和支付系統，旨在解決比特幣等其他代幣目前面臨的可拓展性問題。

五、小結

凡事有利必有弊，DAG的速度快，吞吐量高，但作為一個很年輕的數據結構，安全性和一致性還有待更多驗證和認可，應用場景也還不像傳統區塊鏈那么廣泛；但DAG技術的優勢和創新速度已經嶄露頭角，越來越多后繼基于DAG的創新項目和DAPP正源源不斷的迅速涌現。

當前人們喜歡把DAG與傳統區塊鏈做比較，但是我們認為，DAG僅是分布式賬本應用的一種技術實現，部分創新的區塊鏈項目已經在探索Block+DAG的融合模式。

從廣義上講，DAG僅是廣義區塊鏈的一種組成技術。區塊鏈和Token經濟驅動作為關鍵組件，與AI人工智能、大數據、AR/VR虛擬現實、5G高速無線網絡等共同迎接第四次價值互聯網浪潮的到來。

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