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

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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:

某地址今日使用2191枚ETH買入52159枚GMX:金色財經報道,據推特加密KOL余燼監測,6小時前,有鯨魚使用2,191枚ETH買入 52,159枚GMX,均價71.8美元。

這只鯨魚最近一直在買入GMX:3月13日從幣安提出5,300GMX;3月21日買入21,143枚GMX。目前該鯨魚已累計花費580萬美元資金買入了78,612枚GMX,綜合成本73.9美元。[2023/3/28 13:31:01]

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。

Yuga Labs:已發送全部TwelveFold銘文:3月21日消息,Yuga Labs 在推特上表示,此前由于接收地址未清空而未發送的銘文現已發送。完整的 TwelveFold 畫廊可以在 https://twelvefold.io/gallery 看到。[2023/3/21 13:16:26]

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。

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。

比特幣全網未確認交易數量為22089筆:金色財經報道,據BTC.com數據顯示,目前比特幣全網未確認交易數量為22089筆,全網算力為267.56EH/s,24小時交易速率為3.11交易/s,目前全網難度為36.84T,預測下次難度下降0.7%至36.58T,距離調整還剩2天7小時。[2022/11/5 12:18:23]

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。

安全團隊:Acala項目方對aUSD池子的獎勵倍率進行了修改,導致池子的獎勵被放大:8月14日消息,波卡生態項目Acala因鏈上設置錯誤,導致aUSD增發。以下是慢霧安全團隊分析:

1. 項目方在2022-08-13 22:23:12 (+UTC)調用了 update_dex_saving_rewards 對 aUSD 池子的獎勵倍率進行了修改,修改為500000000000000000。

2. 在區塊的 hook 函數 on_initialize 中會去調用 accumulate_dex_saving 函數,在函數中池子的獎勵總量是由 dex_saving_reward_rate 乘上 dex_saving_reward_base,由于 dex_saving_reward_rate 在上一步中已經被放大了導致池子的獎勵也被放大。

3. 最后用戶領取到了錯誤的獎勵。[2022/8/14 12:24:52]

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。

Coinbase:很容易追蹤使用加密貨幣的罪犯:6月9日消息,Coinbase告訴美國國會,很容易追蹤使用加密貨幣的罪犯。(金十)[2022/6/10 4:15:13]

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。

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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