11月8日，由巴比特主辦的“2019年世界區(qū)塊鏈大會•烏鎮(zhèn)”正式開幕，大會聚集了百余位全球區(qū)塊鏈、數(shù)字資產(chǎn)、AI、5G領(lǐng)域的專家學者、技術(shù)大咖、意見領(lǐng)袖、熱門項目創(chuàng)始人，以“應(yīng)用無界”為主題，圍繞區(qū)塊鏈的應(yīng)用落地、技術(shù)前沿、行業(yè)趨勢和熱點問題進行探討，推動區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。
Conflux聯(lián)合創(chuàng)始人兼CTO伍鳴發(fā)表《讓去中心化的公鏈系統(tǒng)接近最優(yōu)的性能》主題演講。
精彩要點提煉：
1. 理想的公鏈系統(tǒng)應(yīng)該具備三個特點：A.足夠的魯棒性(Robustness);B.高性能;C.去中心化。
2. 比特幣和以太坊等公鏈采用“中本聰共識”，出塊慢、吞吐量低。
3. GHOST協(xié)議采用最重子樹規(guī)則，可以克服分叉帶來的安全性問題。
4. GHOST協(xié)議可以提高出塊速率，同時不用擔心雙花攻擊。
5. 結(jié)構(gòu)化的GHOST方法不會讓所有區(qū)塊影響主鏈的選擇，只讓很小部分的區(qū)塊影響主鏈選擇。
6. PAST集合和Epoch概念分別實現(xiàn)自動的模式切換和確定區(qū)塊出塊順序，讓所有的區(qū)塊能夠貢獻系統(tǒng)的吞吐率。
以下是演講全文，巴比特整理：
大家好，很高興今天有機會在這里分享一下Conflux的技術(shù)進展。
Conflux是一個高性能的公鏈項目，我們?nèi)ゴ蛟煲粋€高性能的公鏈系統(tǒng)。所謂高性能，我們能夠獲得上千TPS吞吐率，大概在3千-6千左右。并且我們的系統(tǒng)能夠在半分鐘之內(nèi)確認一筆交易，而Conflux取得這樣的性能不會犧牲任何去中心化和安全性。
先來看一下問題的背景，隨著比特幣的出現(xiàn)和發(fā)展，區(qū)塊鏈已經(jīng)被越來越多的人所熟知。區(qū)塊鏈最具代表性的一個特點是它的分布式賬本，它非常強大，可以提供互聯(lián)網(wǎng)級別的交易記錄，這使得在現(xiàn)在應(yīng)用領(lǐng)域都有很多技術(shù)創(chuàng)新，比如說金融系統(tǒng)、供應(yīng)鏈還有醫(yī)療健康等等。但現(xiàn)有的公鏈系統(tǒng)里，它仍然很大程度上受到性能問題的干擾，使得它在實際場景落地時受到一些阻礙。比如說比特幣，它每秒處理7筆交易，確認一筆比特幣交易需要1個小時。以太坊是30筆交易/秒，確認的話要10分鐘。但是像中心化的系統(tǒng)VISA，它可以很輕松提供3千TPS吞吐率，并且在秒級確認。
我們知道一個公鏈系統(tǒng)里有很多組件，不同的組件有不同的性能特點。比如說存儲，我們需要存儲來存區(qū)塊鏈賬本。網(wǎng)絡(luò)，需要網(wǎng)絡(luò)交換區(qū)塊和交易。我們需要計算資源執(zhí)行這個交易。但公鏈里還有一個很重要的一環(huán)：共識。現(xiàn)在的公鏈系統(tǒng)共識是一個最主要的。我們認識到這個問題，并且找到了一些解決方法，于是就有了這樣一個團隊。我們的團隊是以姚期智院士作為首席科學家，他也是唯一一個獲得圖靈獎的華人科學家。另外兩個創(chuàng)始人龍凡和周冬，海外留學回國來創(chuàng)業(yè)做這個項目，他們也是國際奧林匹克信息競賽金牌得主。
我們認為一個理想的公鏈系統(tǒng)應(yīng)該具備以下三個特點：
1.足夠的魯棒性(Robustness)。也就是說，它能夠抵抗雙發(fā)攻擊以及存活性攻擊，存活性攻擊就是說你的系統(tǒng)應(yīng)該在任何時候都能持續(xù)的有進展。
2.高性能。所謂高性能，就是這個系統(tǒng)應(yīng)該同時有很高的吞吐率和很短的交易確認延遲。
3.去中心化。這個系統(tǒng)能夠承接成千上萬節(jié)點，這些節(jié)點不經(jīng)過允許可以加入和離開這個網(wǎng)絡(luò)。去中心化的好處可以不依賴于對每一個中心實體的信任。
據(jù)我們所知，現(xiàn)有所有系統(tǒng)，沒有任何一個公鏈系統(tǒng)在這三個方面同時取得很好的效果。比如比特幣和以太坊這類系統(tǒng)，它有很好的魯棒性、很好的去中心化，但它的性能非常糟糕。還有一類系統(tǒng)是基于拜占庭協(xié)議來做的，這樣的系統(tǒng)魯棒性可以，性能也OK，但是犧牲了去中心化，因為它的共識機制是靠選出一個很小的委員會完成的，Conflux是唯一一個可以在這三方面都可以做得非常好的系統(tǒng)。
為什么Conflux系統(tǒng)比現(xiàn)有其它系統(tǒng)更加優(yōu)秀呢，先看一下比特幣和以太坊是怎么工作的。比特幣、以太坊這類去中心化公鏈，它們要部署在一個P2P gossip network，區(qū)塊和區(qū)塊之間形成一條鏈，鏈實際上就是存儲交易記錄的賬本，這個賬本也會被復(fù)制到所有的節(jié)點上。雖然去中心化有信任的好處，但去中心化也會遭到攻擊。任何節(jié)點都可以加入到這個網(wǎng)絡(luò)，也就是壞人可以隨意構(gòu)造很多節(jié)點操控成本，于是在比特幣和以太坊里使用了工作量證明的機制，你要去對賬本產(chǎn)生影響，就要去付出算力。如果你想做的話，就要付出成本。
在比特幣和以太坊網(wǎng)絡(luò)里采用“中本聰共識”，一個很重要的原則就是最長鏈規(guī)則。在“最長鏈”規(guī)則里說的是，所有的好人節(jié)點，他們都只會是認為最長的鏈作為有效的交易記錄。這里一個安全假設(shè)，只要好人擁有超過50%的算力，最長鏈就應(yīng)該是好人節(jié)點所產(chǎn)生的。
這樣的系統(tǒng)通常會采用非常慢的出塊速度，比特幣是每10分鐘出1MB大小的塊，以太坊是出一個塊是15秒，吞吐率非常低。為什么不能直接把區(qū)塊大小增加，就可以讓系統(tǒng)吞吐率變高了?但簡單地這么做是不行的，因為如果這么做的話，賬本的結(jié)構(gòu)就會看起來如圖中所示，會有很多分叉。原因是出塊是并行的，所有節(jié)點都是并發(fā)的出塊。當出來一個塊之后，這個塊在網(wǎng)絡(luò)上傳播需要時間延遲。也就是說，當出了一個塊再往上廣播，其它的節(jié)點并不能馬上看到這個塊，他們還會跟著老的區(qū)塊去挖，這樣就會產(chǎn)生分叉。如果區(qū)塊大小越大，在網(wǎng)絡(luò)上延遲越長，所以產(chǎn)生的并發(fā)區(qū)塊就會更多，分叉也會越多。如果出塊率變高，效果也是一樣的。
分叉很多賬本會帶來什么問題，首先根據(jù)“最長鏈”規(guī)則，只有最長鏈里區(qū)塊才會被認為有效，其它分叉上的區(qū)塊就會被丟掉，這樣就會造成網(wǎng)絡(luò)和處理上資源的浪費。另外一個很重要的點，它也犧牲了安全性。具體來說，假設(shè)固定數(shù)目的區(qū)塊，如果分叉越多的話，最長鏈越短。假設(shè)最長鏈的區(qū)塊只占所有區(qū)塊10%，那就意味著壞人可以只用10%的算力，就可以隨意篡改你的賬戶。
后來有些研究人員發(fā)明了GHOST協(xié)議，克服分叉帶來的安全性問題。在GHOST里面，所有的節(jié)點仍然要選擇一條主鏈，它選擇的規(guī)則不是根據(jù)最長鏈規(guī)則，而是根據(jù)最重子樹規(guī)則。我們選擇主鏈也是從創(chuàng)世塊開始，把創(chuàng)世塊選擇主鏈。會迭代去看它的子區(qū)塊，比如創(chuàng)始區(qū)塊有兩個子區(qū)塊A和B，A的子樹有6個區(qū)塊，B有5個，因為A的子樹比B重，我們會把A加入主鏈里。根據(jù)相同規(guī)則依次做這樣的事情，可以把CEH選到主鏈。當產(chǎn)生一個新的區(qū)塊時，跟著主鏈里最后一個區(qū)塊產(chǎn)生就好了。
最重子樹規(guī)則和最長鏈規(guī)則區(qū)別在于，我們對子樹的選擇不僅是最長鏈上子樹做出貢獻，包括分叉上區(qū)塊也會對主鏈選擇做出貢獻，這樣的話“壞人”必須需要50%的算力，才能影響主鏈的選擇。A假設(shè)是主鏈上的區(qū)塊，如果壞人想用A.上區(qū)塊，替換A在主鏈上的位置，需要產(chǎn)生A.指數(shù)，比A還要重。壞人需要超過50%的算力，才能夠篡改A在主鏈上的位置。這樣的情況下我們想確認一筆交易，需要A的子樹比A.大很多。A.想替換A在主鏈上的位置，概率隨著時間是下降的。出塊量越高的話，確認的時間越短。
有了GHOST協(xié)議之后，可以以很高的出塊率出塊，同時不用擔心雙發(fā)攻擊。問題是不是解決了呢?沒有，GHOST還會受到存活攻擊的影響。假如好人區(qū)塊會分成GroupA和B，假設(shè)Group內(nèi)部區(qū)塊之間通信沒有延遲，好人和壞人之間通信沒有延遲。因為兩個Group之間有延遲，某一個時候有可能賬本會結(jié)構(gòu)A和B兩個分叉。壞人可以暗自觀察賬本結(jié)構(gòu)，偷偷在這兩個分叉上產(chǎn)生新的區(qū)塊，這些區(qū)塊不告訴好人。當GroupA節(jié)點產(chǎn)生一些新的區(qū)塊時，它會把這個節(jié)點傳給B，但傳輸需要一段時間。在這個過程中壞人先發(fā)生這件事情，于是就把原來在B分叉上偷偷挖的區(qū)塊告訴B，B就會認為原來B的分叉是比A分叉更加重，它就會接著B的分叉去挖。相反，壞人也會選擇適當?shù)臅r機把它在A分叉上預(yù)先挖的塊再告訴A，會認為A的節(jié)點是更重的，這個過程可以持續(xù)下去，造成分叉一直保持，也就是交易沒有辦法確認。
解決這個問題的方法叫做結(jié)構(gòu)化的GHOST方法，我們不應(yīng)該讓所有區(qū)塊都能影響主鏈的選擇，只讓一個很小部分的區(qū)塊去影響主鏈的選擇。很小部分的區(qū)塊能夠影響主鏈的選擇，意味著這些區(qū)塊出現(xiàn)的概率是比較低的，它們并發(fā)出現(xiàn)的概率是比較低的。在這些影響主鏈選擇的區(qū)塊之間，它們不容易出現(xiàn)分叉。
比如上圖里虛線區(qū)塊就是沒有權(quán)重的區(qū)塊，不影響主鏈。在某一時刻，比如A的分叉上出現(xiàn)一個有權(quán)重的區(qū)塊，這時候B可能不會馬上看，所以B仍然會在B的分叉上產(chǎn)生區(qū)塊。但當過了一個延遲以后，B早晚會發(fā)現(xiàn)有權(quán)重的A區(qū)塊，這時候B就可以判斷出原來A的分叉是比B的分叉重，因為A上面有一個有權(quán)重的區(qū)塊，這時候B就可以在A的分叉上產(chǎn)生新的區(qū)塊，從而打破平衡。
那些沒有權(quán)重的區(qū)塊怎么辦呢，我們?nèi)匀幌Ｍ切﹨^(qū)塊的交易能夠貢獻系統(tǒng)的吞吐率，所以我們需要一個確定性的排序算法，能夠讓所有區(qū)塊交易順序被一致的決定出來，這樣的話系統(tǒng)的吞吐率就可以提高。但是這樣的系統(tǒng)仍然有確認延遲問題，因為我們?nèi)匀恍枰却銐蚨嗟挠袡?quán)重區(qū)塊出現(xiàn)以后，才能去確認這個區(qū)塊，時間仍然是很長的。
回顧一下剛才說的兩個情況，一個是原始的GHOST方法，它可以在沒有攻擊情況下迅速的確認交易。但有攻擊的情況下沒有progress(進展)。有沒有一種方法，讓這兩個系統(tǒng)在有攻擊的情況下，沒有攻擊的情況也能保證progress。有的，我們的一個方法是GHAST，讓所有節(jié)點選一個主鏈，最重子樹規(guī)則。我們的主鏈叫做數(shù)軸鏈，我們還發(fā)明一個確定的排序算法，使得所有節(jié)點根據(jù)主鏈就能對所有區(qū)塊做一個一致排序，可以讓所有區(qū)塊交易貢獻系統(tǒng)的吞吐率，從而提高系統(tǒng)的效率。系統(tǒng)操作在原有GHOST模式上，從而取得最有的效率。我們的系統(tǒng)會去attack攻擊發(fā)生，如果攻擊發(fā)生會給一部分區(qū)塊很小的權(quán)重，從而保證系統(tǒng)的progress。
如何自動的做模式切換，區(qū)塊組成樹突的結(jié)構(gòu)，這里一個重要概念是PAST集合，根據(jù)這個集合，如果follow所有的邊(Edges)可以編輯到一個區(qū)塊的集合，這個區(qū)塊都是發(fā)生在這個區(qū)塊之前，這個叫做PAST集合。比如這個圖顯示的是E的區(qū)塊PAST集合，這個顯示的是A區(qū)的PAST集合。怎么自適應(yīng)給區(qū)塊權(quán)重呢，看一個區(qū)塊Past樹突長什么樣子。如果發(fā)現(xiàn)Past集合不夠穩(wěn)定，我們以很小的概率，1/H，把區(qū)塊賦為H，把其它區(qū)塊賦為0。一個賬本每個Past是固定的，所有節(jié)點能夠一致決定一個區(qū)塊的權(quán)重。一個正常的情況，對于一個區(qū)塊，比如區(qū)塊A來講，系統(tǒng)運行一段時間之后，賬本結(jié)構(gòu)，賬本的子樹會聚集在某一個孩子下，比如A.下，A.的子樹應(yīng)該在A所有的后繼區(qū)塊里占絕大部分。對于每個區(qū)塊Past集合里，判斷有沒有違反，如果違反了就切換到GHOST結(jié)構(gòu)下。
如何確定區(qū)塊的順序，讓所有的區(qū)塊能夠貢獻系統(tǒng)的吞吐率?我們的想法是引入一個Epoch概念，每個樹軸鏈上區(qū)塊都定義Epoch，其它分叉區(qū)塊可以根據(jù)規(guī)則散到相應(yīng)的Epoch里。這樣的話根據(jù)Epoch給區(qū)塊做排序，在Epoch內(nèi)部根據(jù)圖的拓撲序做排序。這樣的方法可以抵御雙發(fā)攻擊，主要原理是這樣的，因為區(qū)塊的排序是由樹軸鏈決定的，樹軸鏈如果不變的話，區(qū)塊排序不會被改變。另外，我們樹軸鏈的選擇，因為是應(yīng)用了最重子樹規(guī)則，只有超過50%算力的人才能夠去改變樹軸鏈的選擇。基于這兩點假設(shè)，系統(tǒng)能夠和比特幣一樣假設(shè)條件下，取得對雙發(fā)攻擊防范。
確認規(guī)則是說對于任何一筆交易，我們會先發(fā)現(xiàn)交易在哪個Epoch里，找到Epoch對應(yīng)的樹軸鏈區(qū)塊，可以理論去估計這個區(qū)塊被篡改了一個概率是不是小于用戶所能承擔的風險，如果小于用戶所能承擔的風險，我們就能確認這筆交易。正常情況下，確認時間是非常短的。我們上層執(zhí)行環(huán)境是兼容以太坊智能合約，測試網(wǎng)已經(jīng)發(fā)布，主網(wǎng)計劃在明年Q1上線，也就是3月份時上線。
再說一下應(yīng)用場景的事情，我們認為在Conflux最關(guān)注的應(yīng)用場景，一個是跨境的支付，跨境的匯款。另一個是如何去支持更加高效的去中心化交易所。還有關(guān)注一個場景，如何支持toC端存證應(yīng)用，讓用戶可以在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中享受到具有信用價值的數(shù)據(jù)。我們相信有了Conflux這樣高性能的公鏈后，這些場景的落地都是有可能實現(xiàn)的。
另外，我們最近在上海市政府的支持下落地了樹突區(qū)塊鏈研究中心，以此不斷推動區(qū)塊鏈技術(shù)進步，使我國的區(qū)塊鏈技術(shù)能夠在世界上保持領(lǐng)先的地位。
