串行交易引发的吞吐量瓶颈

上次我们讲到 GHOST 算法 [2]，它在中本聪共识的基础上提出的确定主链的算法，在保障了在高吞吐量的同时还保障了安全性（即不容易分叉，依然保证 51% 攻击）。但是 GHOST 算法的吞吐量是否还有进一步的提升空间呢？

答案是肯定的！Conflux 团队注意到不论是中本聪共识还是 GHOST 共识，他们都是只维护一条主链，非主链的区块则被抛弃了，因此也就导致了这些被丢弃的块不能为整个区块链系统提供安全性，并且也降低了吞吐量（因为这些块被抛弃了，实际上也就是说系统的带宽被浪费了，因此他们就不能为系统贡献吞吐量）。

并且注意到，比特币的吞吐量很低的原因是它是串行执行交易的，也就是说交易必须先排好序才能够执行，这产生了很多不必要的依赖，也是导致分叉的根源。于是 Conflux 就采用延迟排序交易的方式，先乐观地并行执行交易（不论是否有依赖或者冲突）和出块（不论是否会产生分叉），然后经过一段时间再全局地对所有的交易排序，并删除哪些冲突的交易。

顺着这个思路，我们发现最核心的问题就是如何解决并行出块的时候，还能对区块的全局序达成一致，从而保证账本的不可篡改。那么 Conflux 是如何做到的呢？

父边 / 引用边与 DAG 排序

为了并行出块，就需要把所有的块纳入到整个区块链之中。Conflux 采用采用了两种关系来定义区块之间的关系：父边 (parent edge) 和引用边 (reference edge)，参考下图：

•父边：新出的块指向祖先块，类似于比特币那样•引用边：节点新出的块发现整个区块链中目前没有指向他的块，并建立一条指向他的边

全局区块排序就顺利成章了：

1. 先按照 GHOST 规则 [3] 排序只包含父边的块，形成一个枢轴链 (pivot chain), 它类似于比特币的主链，不一样之处在于它还会引用比特币系统中丢弃的块 2. 根据枢轴链对区块分成各个纪元（epoch）, 然后对每个 epoch 里面的区块拓扑排序。确定 epoch 包含的区块的划分原则是需要同时满足以下两个条件：

•该区块可以通过枢轴链的父边或者引用边遍历到•该区块没有被之前的 epoch 包含

1. 根据 happens-before 原则 (就是谁在谁前面）对不同 epoch 之间的块进行排序

上述内容，可能涉及到一些专业术语 不好理解，举个排序例子 (参考下图):

先根据最终子树 GHOST 原则确定枢轴链为 G->A->C->E->H->NewBlock，然后由于 C 引用了 B，所以拍 B->C；那么 D 和 F 如何排序呢？D 的父亲是 A，F 的父亲是 B，A 的 epoch 大于 B，所以 D 在 F 前面。按照这样的顺序排完就是：

G->A->B->C->D->F->E->G->J->I->H->K->New Block

当然还有一些细节，比如两个区块在同一个 epoch 内，并且父边也在一个 epoch 里，那么就根据区块的 hash 值 id 的绝对大小排序，比如假设区块 DD 的 id 是 011，FF 的是 111，011<111，所以 DD 在 FF 前面

具体的算法如下，图中相关名词对应的解释参考其论文《[4]Scaling nakamoto consensus to thousands of transactions per second》[5]：

交易的排序

区块排好序之后，在每个区块内，按照交易的出现顺序排序，如果有冲突交易，那么只保留最先出现的那个，丢弃所有冲突的交易。

看起来很厉害是吧，那么实际实验结果如何呢？

性能

吞吐量

限制带宽 20M，在 4M/5s 的出块速度下，每秒能处理比特币网络中 3200 笔交易！

这个还是非常恐怖的数字，要知道以太坊现在每秒才 30~40Tps，Visa 才 6000 多 Tps。

确认时间

因为交易的序受枢轴链影响很大，而枢轴链的序是按照 GHOST 规则来定的，可以证明，Conflux 的安全性与 GHOST 一致。那么按照攻击者有 20% 全网算力，并且只有 0.01% 的概率（由 GHOST 安全性计算规则算出）篡改交易的假设，得到的数据是：4M 的区块，5 秒出一个块的话，在保证安全性的同时确认时间也只有 10 分钟。

可拓展性

带宽

带宽 20M 时 3200Tps，近 11 分钟确认时间；

带宽提升到 40M，交易处理速度几乎线性上升到 6400Tps，确认时间也只有 5.68 分钟。

节点数目

如下图，可以看出，随着节点数据增多，确认延迟几乎只是随之线性增长（不像 BFT 算法那样指数增长，受节点数据拓展影响很大）。

因此可见，Conflux 提出的共识算法已经不在是 PoW 公链性能上的共识瓶颈！

未来

如何处理带宽限制，高吞吐量带来的存储问题 (20M 带宽就消耗 2.88G/h) 和交易验证速度等问题，都是继续需要解决的问题。

如何应对存活性攻击等安全性问题，也就是说恶意网络阻塞，也是很值得研究的问题，可参考详解自适应权重 “GHAST”[6]

来源链接：mp.weixin.qq.com
来源：登链社区