CON:一文速覽頂級國際學術會議USENIX ATC收錄的Conflux論文

編者注：原標題為《錄用率18.6%頂級國際學術會議USENIXATC收錄Conflux論文》。本文作了不改變作者原意的刪減。

日前，Conflux團隊創作的論文《ADecentralizedBlockchainwithHighThroughputandFastConfirmation》被國際頂級學術會議USENIXATC錄用，并受邀參加2020USENIXAnnualTechnicalConference做主題報告。在2019年，中國計算機學會依據技術專業、舉辦屆數、參會人數、錄用率等相關因素，同時重點聽取了院士成員的意見，并且向廣大學者們也征集了建議，將USENIXATC列為A類國際學術會議。

隨著近幾年中國計算機理論研究水平的迅速提高USENIXATC上也出現了越來越多的中國高校與企業。本次Conflux投遞的論文旨在從共識協議出發，通過合理的系統設計與優化來提升區塊鏈的性能，同時保證區塊鏈的安全性。文章指出，在共識層面提升區塊鏈的吞吐率，減少區塊確認的等待時間對于區塊鏈技術的應用有著重要的意義。與最近兩年其他的前沿學術工作相比，Conflux論文的亮點在于：

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1.提出了自適應權重的概念，根據網絡是否受到攻擊，在樂觀策略和保守策略之間切換，兼顧效率與安全。

2.實現了3倍網絡延遲時間內的區塊確認，相比之前的結果大幅提升。

3.在20Mbps的網絡條件下，實現了9.38Mbps的共識協議數據運載能力。以每交易100字節計算，相當于每秒11000筆交易。

4.執行以太坊的真實歷史交易測試系統性能，達到了每秒1392筆交易。而其它系統開發團隊暫無該測試數據。

協議設計

論文首先指出了，當我們通過調整工作量證明的參數，調高區塊生成速率時，中本聰共識協議存在安全性的問題，而GHOST共識協議存在活性攻擊的問題。

在這個攻擊模型中，假設攻擊者對礦工之間的網絡有一定的控制能力：當一個誠實的礦工挖出或收到一個區塊后，經過一個固定的時間d秒,模型保證所有的誠實礦工都收到了這個區塊。但在此期間，攻擊者可以決定誰能收到區塊，誰無法收到區塊。

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在中本聰協議中，過高的區塊生成速率會導致大量的區塊分叉，最長鏈增長速度緩慢，攻擊者更容易構造一條側鏈反超。

在GHOST協議中，攻擊者利用其控制網絡的能力，將誠實節點分成算力大概均等的兩組。組內的通訊是順暢的，但是組與組之間的通訊延遲是d秒.于是，每一組礦工都看不到另一組礦工在最近d秒生成的區塊。利用網絡延遲造成的差異，攻擊者讓兩組參與者對于“X,Y誰的子樹權重更大觀點不一”，從而導致誠實參與者的觀點出現了分裂。

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為了解決這一問題，Conflux首先提出了結構化的GHOST。與GHOST協議不同的是，在結構化的GHOST中，只有1/h的區塊是有權重的，其他區塊是沒有權重的。h是一個共識協議參數。而哪些區塊有權重，是根據區塊頭哈希值，通過一個確定的方法選出來的。為方便理解，我們舉一個例子，如果h=1024，當前的難度要求每個合法區塊的哈希值前50位都是0，那么此時，只有前60位都是0的區塊，才可以有權重。

通過這種方法，在安全性上，等價于將GHOST的區塊生成速率降低至1/h。而前文所述的攻擊方式，只在區塊生成速率很高時成立。這樣，就解決了GHOST的活性攻擊問題。

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然而，更慢的“含權重區塊”生成速率，導致了更慢的區塊確認時間。于是，Conflux設定了兩種區塊生成策略，樂觀策略使用普通的GHOST規則，而保守策略使用結構化的GHOST。當攻擊真的發生時，共識協議非同步地切換到保守策略。沒有攻擊發生時，使用樂觀策略。特別在保守策略下，每個含權重區塊的權重被設為h,以保證兩種策略下生成區塊的期望權重不變。兩種策略之間的切換規則顯得尤為重要，Conflux設計了一套規則來保證：

1.如果攻擊發生并持續一段時間，所有誠實節點都切換到保守策略。

2.在誠實節點沒有探測到攻擊發生時，攻擊者不能使用保守策略挖一條側鏈。

同時，為了提高吞吐率，不浪費主鏈以外的區塊，Conflux采用了樹圖結構。在GHOST規則里，每個區塊通過父邊指向另一個區塊，所有區塊構成樹的結構。而Conflux允許每個區塊通過引用邊引用其他分支上的區塊，形成樹圖結構。樹圖結構不丟棄任何區塊，大大提高了共識層面的吞吐率。

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在樹圖結構之上，Conflux通過GHOST規則選出一條主鏈。然后基于主鏈，將區塊進行排序。區塊的排序進而決定了哪些交易在前，哪些交易在后。

系統實現與優化

將吞吐率提高后，Conflux在系統實現過程中遇到了大量的挑戰。Conflux針對性地提出了若干優化方案。

1.檢查點機制：當一個區塊以高概率被確認，并持續一段相當長的時間后，Conflux全節點將刪除這個區塊更早的交易內容與賬本狀態，僅保留區塊頭，以節約內存空間。

2.引導機制：如果一個區塊鏈系統的吞吐率接近帶寬極限，當一個新節點加入時，從創世塊開始同步會導致新節點永遠無法追上最新狀態。因此Conflux從檢查點開始同步交易。

3.交易轉發：Conflux使用了更有效、對帶寬占用更小的去重方式來實現交易轉發。

4.簽名驗證：簽名驗證的計算開銷巨大，Conflux使用多線程并行化簽名驗證。

5.激勵機制：Conflux設計了若干激勵機制細節，以應對樹圖結構里可能的攻擊行為。

6.延遲執行：在高區塊生成速率下，GHOST規則所選取的主鏈末端往往是不穩定的。在trivial的實現中，每次主鏈末端“擺動”，區塊的順序都會發生改變，于是Conflux需要重新執行交易。這帶來了不必要的開銷。在延遲執行策略中，對于高度為x的主鏈區塊，區塊只需要執行高度x-c區塊之前的交易并填入賬本MerkleRoot中。c是一個經驗參數滿足：在系統正常運行時，主鏈上最后c個區塊以外的區塊，“擺動”的頻率很低。

7.使用Link-cuttree維護樹圖結構。將維護子樹權重的計算開銷從O(n)降低到O(logn).

實驗數據

Conflux在800臺AmazonEC2m5.2xlarge虛擬機上進行實驗。在可擴展性實驗中，每臺機器運行15個Conflux全節點，以模擬最高12000個全節點。在其他實驗中，每臺機器運行1個Conflux全節點。所有實驗都將各節點網絡帶寬限制在20Mbps.

在不同的區塊大小和區塊生成速率等系統參數下，Conflux區塊傳輸延遲和確認時間均在幾十秒量級上。最高支持9.38Mbps共識吞吐率。

當網絡中全節點增多時，交易轉發和確認時間沒有明顯的增長。

在交易執行實驗中，Conflux重跑了以太坊上的真實數據，達到了1392筆/秒的速度。交易執行實驗說明了，Conflux不僅僅設計了一個高效的共識協議，并且為區塊鏈系統的效率問題提供了端到端的解決方案。

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