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

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：

Coinbase將上線Sperax（SPA）交易:金色財經報道，據官方消息，Coinbase 將在滿足流動性后于太平洋時間 2023 年 5 月 3 日上午 9 點或之后開放 Sperax（SPA）交易。Sperax 是 Arbitrum 生態穩定幣協議。受此消息影響，SPA 短時漲幅達 24.74%，現報價 0.013 美元。[2023/5/3 14:39:16]

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。

Tether CTO：Tether沒有接觸過Silvergate:金色財經報道，在涉及陷入困境的美國銀行Silvergate的重要公告之后，至少有兩家加密貨幣公司今天在社交媒體上宣布了這一消息對它們的影響。該銀行與貸款人FTX有聯系，現在正面臨越來越多的資本外逃財團和監管機構的審查。

與美元掛鉤并由\"100%由Tether儲備支持\"的穩定幣Tether，今天在Twitter上宣布它與加州銀行沒有任何風險敞口。根據Tether的首席技術官（CTO）Paolo Ardoino的說法，該穩定幣沒有接觸過Silvergate。[2023/3/3 12:39:49]

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。

Layer2跨鏈轉賬項目LayerSwap上線Immutable Core SDK:2月16日消息，Layer2跨鏈轉賬項目LayerSwap上線Immutable Core SDK，支持用戶從中心化交易所將ETH、IMX、USDC發送至Immutable平臺。[2023/2/16 12:10:31]

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。

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。

比特幣全網未確認交易數量為6922筆:金色財經報道，BTC.com數據顯示，目前比特幣全網未確認交易數量為6922筆，全網算力為260.74 EH/s，24小時交易速率為2.53交易/s，目前全網難度為35.61T，預測下次難度上調4.11%至37.08 T，距離調整還剩7小時33分。[2022/10/24 16:36:26]

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。

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：

數據：比特幣巨鯨在7月份增持132878枚BTC，價值超30億美元:8月2日消息，在7月份，一個未被標記的比特幣地址（1LQoWist8KkaUXSPKZHNvEyfrEkPHzSsCd）在3天內增持132,878枚BTC，總價值超過30億美元。7月19日，該地址增持15,499枚BTC。7月20日，該地址再次購買了45,499枚BTC。7月21日，鯨魚再次增持71,879比特幣。

據悉，該地址目前擁有131,882.78枚BTC，占比特幣流通量的0.7%，已上升到BitInfoCharts網址統計的可用BTC錢包排行榜的第三位。（beincrypto）[2022/8/2 2:53:46]

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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