解读Conflux的共识机制：如何解决公链可扩展性问题

2018 年 12 月 5 日，区块链协议项目 Conflux 获得了包括红杉资本在内的多家知名投资机构的 3500 万美元（约人民币 2.4 亿元）的融资。Conflux 作为一个可扩展的、分散的区块链系统，采用了工作量证明（PoW）与有向无环图（DAG）的机制，在去中心化的前提下，既保障了区块链的安全，又提升了区块链的可扩展性，在某些层面上，突破了“不可能三角”。

图灵奖获得者姚期智院士参与了 Conflux 项目，其有关区块链的论文也被更多人所关注：

《Scaling Nakamoto Consensus to Thousands of Transactions per Second 》(《扩展中本聪共识至上千交易每秒》）

我们今天将解读姚期智院士参与的这篇论文， 让大家进一步了解 Conflux 所提出的共识机制。

1、打破不可能三角

事实证明，中本聪共识对记账权和交易顺序做出了严格的规定，使得比特币在运行和发展过程中面临如下瓶颈：

• 只有一个参与者可获得算力竞争的胜利并给主链提供有效的区块，其他同时期产生的区块会被视做分叉而遗弃，这种记账权机制导致的算力竞争，极大地浪费了网络和算力资源；

• 最长链规则使得比特币网络工作效率低下（比特币每10分钟才出一个块，每秒仅处理7笔交易。用户需等待数小时才能来确认最长链，然后完成交易以确保自己的交易安全不被逆转）。

中本聪共识导致的生产效率低下和交易时滞过长的问题，引发了糟糕的用户体验、飙涨的转账费用和拥堵的网络，不利于区块链技术长期的推广和发展。虽然已有很多团队试图解决中本聪共识的瓶颈，但他们的方案仍存在不完美之处：

• 通过选举代理节点，降低无效竞争产生的资源浪费，虽然可以提升区块链的效率，但会使得链变得中心化。

• 增加区块大小或提升出块速度，只是表面上虚增了区块链的吞吐量，实际上会令同一时段产生更多的并发区块，增加区块链分叉的风险。

这种困境，被早期区块链开发人员称作为“不可能三角”，即：公链的三个属性：去中心化（Decentralization）、安全（Security）和可扩展性（Scalability），在技术实现上有二缺一，不能同时实现。

然而，Conflux 团队在论文中设计了一种对比特币的扩展方案，它结合了工作量证明（PoW）与有向无环图（DAG）的优势，在去中心化的前提下，既保障了区块链的安全，又提升了区块链的可扩展性，在某些层面上，突破了“不可能三角”。

2、Conflux 的实现方案

与中本聪共识在打包区块时对交易顺序进行严格规范不同，Conflux 乐观地假设，在并存的区块中，交易（Tx，Transactions）是不冲突的，只要所有节点对一致的交易顺序达成共识即可。

基于这一假设，Conflux 首先设立规则将区块们整合为有向无环图（DAG）：每个区块都需要引用一个它的父区块的边（Parent Edges），每个区块也可以引用发生在它之前的，还没有被引用过的区块的边作为他们的引用边（Reference Edges），父边和引用边确定了各个区块之间的先后关系，实现了 DAG 的整体框架，增加了同一时段一起被处理的区块的数量。相较于比特币一次只能处理一个区块的低效模式而言，DAG 结构大大提升了公链的速度。

然而 DAG 不能显示同一时段产生的不同区块之间的顺序（即区块全序），为进一步完善区块排序机制，Conflux 团队引入了 GHOST 算法、拓扑排序，并提出了 Epoch 概念，将细化排列区块全序的步骤拆分成了四步：

（图中实线箭头指向父区块边，虚线箭头指向引用区块边）

1. 确认枢轴链（Pivot Chain）：Conflux改采用GHOST算法，即选择拥有最多子区块的区块作为枢轴链（Pivot Chain）上的区块，然后再采用同样的算法将它之后的区块纳入枢轴链。如上图所示，区块A和区块B都是创世区块的子区块， 虽然区块B之后的的链是最长链，但区块A拥有更多的子区块（5个），所以GHOST算法会选择区块A作为枢轴链上的区块。枢轴链即确定整个公链方向的主链，Conflux团队表示GHOST算法让枢轴链和枢轴链以外其他分叉链上的区块，都对确认枢轴链做出了贡献，这样就可以进一步保障由诚实节点确定的枢轴链的安全性，除非攻击者的算力超过了50%。

2. 排列分叉链的区块：在确认了主链之后，为了让所有节点对区块全序产生共识，Conflux又提出了“时段”（Epoch）概念，每个枢轴链上的区块，都对应某一时段，分叉链上区块的时段，由产生在它之后的第一个引用它的枢轴链区块决定。如下图所示，区块D的时段属于Epoch E，因为区块E是最先引用D的枢轴链区块。

3. 时段（Epoch）内排序：Epoch内的区块，都产生于同一时段，这些区块之间的顺序，由拓扑排序（Topologically Sorting）来决定，如果两个区块的排序一样，那就根据他们的哈希ID来排序。

4. 交易（Tx）排序：此时，每个区块之间的顺序已经确定了，Conflux按照区块顺序给交易排序。区块内部的交易顺序由交易自己在区块出现的顺序来确定。

（枢轴链区块 E 确认分叉链区块 D 和区块 F 的时段（Epoch））

3、安全性分析和性能检验

在区块全序和交易全序确认之后，Conflux 还设定了规则来应对公链容易面对的交易问题和双花问题：

• 交易问题：冲突交易和重复打包是最常见的交易问题。如下图所示，Tx2（X转8个币给Y）和Tx3（X转8个币给Z）属于冲突交易，因为X的账户里只有10个币，所以这两笔交易只能实现一笔；而另一种问题如Tx4（Y转8个币给Z）所示，Tx4被重复打包到了区块B和区块G当中。当出现这类交易问题时，Conflux只承认在全序中位置靠前的那一笔交易，让排序靠后的冲突交易无效化；

• 双花问题：Conflux防止双花的思路和比特币基本一致。由于Conflux中的交易顺序是由枢轴链决定的，攻击者要进行双花交易，就需要改变枢轴链上的区块顺序以逆转已经被确认过的交易。除非攻击者掌握50%以上的算力，分叉出有更多子节点的链来取代枢轴链，否则不可能实现双花。理论上讲，Conflux的运行时间越长，受到这类攻击的概率越小。

此外，Conflux 团队还在 Amazon EC2 上搭建了原型系统，运行了 10,000 个带宽为 20Mbps 的 Conflux 节点，用控制变量法来测试在区块大小、出块率变化之下，Conflux、GHOST 和比特币的吞吐率和交易确认时间。

结果显示，尽管区块大小和出块率发生了变化，Conflux（下图中以蓝色三角线表示）都能实现 100%的高区块利用率，它有能力去处理所有的区块，鲜少遗漏掉分叉中的区块，减少了出块时的资源浪费，实现了更大的吞吐量。此外，Conflux 可实现分钟级别的确认时间（即用户高度相信区块全序不会改变所需要花费的时间），然而和其他共识一样，区块越大，确认时间也会变长。

（不同区块大小或出块率对应的各共识机制的区块利用率）

Conflux 团队以带宽和用户数量作为变量，对 Conflux 的可扩展性做出了测试。测试结果显示：Conflux 可以实现 5.68GB/h 的吞吐量，即如果参考比特币网络在现实中的交易量，Conflux 可以提升公链的每秒处理量至 6400tps。Conflux 团队认为：限制区块链可扩展性的瓶颈已不再是共识机制，而是网络带宽与节点算力了。

寻弊索瑕的一点，我们认为 Conflux 在证明区块链性能的过程中，过分乐观地假设了交易之间不冲突（即假设节点打包的都是独一无二的交易），忽略了被重复打包的交易对真实交易处理量的影响，如果 Conflux 希望在未来实现大规模应用的话，这是一个有待完善的方面。

Conflux 在实现原理上也有一些显著的问题点。首先枢轴链的确认依赖区块数量而不是重量，而 DAG 上数量基本可以靠刷，两根枢轴链数量相近时看上去枢轴链会经常变动（摇摆）；枢轴链的摇摆又会引发时段的摇摆，时段的摇摆会对排序造成影响，并且影响所有后续规则的前提条件。如果重量就是数量，那其实还是要靠算力去支撑安全性。其次对于交易的确认依旧是分钟级而且是基于概率的，并且带宽是个大麻烦，重复交易要么无法广播，要么将会挂满整棵树，带宽的需求是几倍甚至是几十倍。这些问题的存在都让 Confulx 的实现存在现实的困难。