区块链vs.DAG, 区别到底是什么? 一文读懂烧脑的数据结构之争
虹桥大宝剑
发表于 2022-12-2 21:22:53
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DAG(有向无环图)是一种非线性数据结构,可以替代区块链,用于分布式账本的存储。这种结构在并发的场景下有更好的性能表现,但在实际应用中会面临更多的技术挑战。) m# @; D0 t! |9 v9 B3 }
其中,最大的挑战在于,基于DAG结构实现智能合约,要比基于区块链结构困难得多。
本文将讨论DAG和区块链这两种账本结构,在加密货币和智能合约两个场景下的不同,以及如何基于DAG来实现智能合约。3 ~. l+ g( I( r+ h A8 d3 T
在谈什么是DAG之前,让我们先从最简单的场景出发——加密货币。加密货币是一个分布式数据库,存储了每个账户的余额信息。在加密货币网络上运行着很多台计算机,这些计算机称为节点(Node)。每一个节点都会存储一份关于账户余额的数据,这份数据通常被称为「状态」(State)。
与传统的中心化银行系统不同,这种分布式账本要求所有节点对状态达成某种共识。或者说,对任意一个账户来说,要求这个网络上每台计算机所存储的余额都是一致的。! m8 Z) M) n$ l& k# {; t
由于状态的数据量比较大,在网络上传输全部数据非常困难,因此,在这种系统中,往往只传输那些能够引起状态变化的事件,也就是「交易」(Transaction)。
想想看,你的钱不会无缘无故的增加或减少,只有在别人向你付款,或者你向别人付款的时候,账户余额才会发生变化。因此,只要知道一个账户所有历史转账(Transfer)记录,就可以很容易计算出当前的余额。
在加密货币系统中,所有发生过的转账交易,都记录在一个被称为「账本」(Ledger)的数据结构中。这种账本通过密码学的方式进行了某种加密,使得每一个节点都可以验证自己获取的账本数据是不是被篡改过。
###区块链和DAG
说完了加密货币,那么它跟DAG有什么关系呢?( t' @7 _% z3 k; D7 x
首先,要知道区块链是一种经典的账本结构,广泛应用于比特币、以太坊等去中心化系统。它将一组交易打包成区块(Block),通过哈希引用将区块组织成一个链式结构。& r) j; l# @8 `" @; d( e) }9 p
而DAG是在区块链的基础上扩展出来的另外一种账本结构。在DAG账本中,一个区块通常只包含一个交易,它们彼此之间通过哈希引用,构成一种有向图结构,并且保证图中不存在环路。: e; w* }2 D6 ^
DAG账本有很多不同的变体。例如,任意一个交易均引用两个其他交易作为其前驱节点,所构成的DAG被称为「Tangle」,应用于IOTA等项目;在另外一种DAG结构中,交易被组织成若干条链,并通过一些成对的交易彼此链接,这种DAG被称为「Block Lattice」,应用于Nano、Vite等项目。
然而,大部分人没有意识到,事实上,区块链结构也是DAG的一个特例。: d# \- i3 u# }
基于不同数据结构来组织账本( |+ L9 N( S4 |$ P* {% W) q2 ~1 g
基于区块链的加密货币
那么问题来了,假如每个节点拿到的账本是完全一样的,那么根据这个账本计算出来的状态是否也完全一样呢?- E- M o5 K' m" c( D& c+ V7 U
首先来看区块链这种结构。在这种结构中,所有的交易都是有序的,改变任何两个交易的顺序,都会破坏区块链的哈希引用关系,从而破坏账本的有效性。
因此,无论在哪个节点上进行计算,从同一个初始状态出发,经历同样的转账交易序列,总会产生相同的结果。看起来非常完美,不是吗?, a j- [8 ]8 F" L L
无论是比特币还是以太坊,节点之间不需要传输和比较庞大的状态数据,只需要就账本数据达成共识就行了。账本中所包含的信息,就足够一个节点计算出正确的状态了。
基于区块链账本的加密货币
基于DAG的加密货币
我们再来看看DAG账本,是不是还具有这样的特性。好运气还在,在DAG账本中,虽然一些交易之间的顺序从账本中已经获取不到了,但这些顺序并不影响节点计算状态。
因为加密货币中的状态计算,都是对余额的加减运算,这些运算是满足交换律的,只要保证任何账户的余额不小于0,交易的先后是无所谓的。0 L- g4 H" |4 A& A, W
因此,无论如何遍历DAG账本,最终计算的账户余额数据都一样,也就是说,任何节点都可以通过DAG账本来恢复正确的状态。, {+ W5 Q# W6 E; K" Y6 S f# u$ D* V
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基于DAG账本的加密货币
###基于DAG的智能合约$ E5 J4 |: z* I
看完了加密货币,我们再来看看智能合约。
在现实世界中,很多应用场景不像加密货币那样只记录一个余额就足够了。例如飞机票预订应用,在状态中需要记录一个航班上每一个座位的归属。这个时候,交易也不再仅仅表示转账了,可能包含任何对智能合约的请求数据,例如一张机票的预订请求。
这个时候,改变两个交易的先后顺序,就有可能产生不同的状态。想想看,如果Alice和Bob都尝试去预订同一班飞机上的同一个座位,那么这个座位将归属于先预订的那个人。8 w# b2 |" ~, H2 r$ ] k
在智能合约的场景下,好运气终结了,交易之间不再完全满足交换律了。这就迫使我们不得不去认真对待账本中每个交易之间的顺序。: d) i, ~& ]" }
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基于DAG账本(Tangle)的智能合约; X5 m1 K K, n" S% D; }% ] \
那么,到底哪些交易是必须进行排序的,而哪些交易不用关注顺序呢?最理想的情况是,写一个函数,可以根据系统中部署的智能合约逻辑,判断任何两个交易顺序是否会影响最终状态。
假如有这样的函数存在,我们就可以在构造DAG账本时,知道哪些交易之间必须建立一个哈希引用。或者通俗的说,在表示DAG账本的图中,明确的知道哪些圆圈之间必须加一个箭头连接起来。0 h! D& }8 h2 g$ l, Q
不过遗憾的是,这个的函数的计算量非常大,无法用于现实的系统。所以我们只能放弃这种“完美”的方案,采用另一种更为简单粗暴的方法。( i3 h" N7 G8 `# \' `1 Q6 M
###构造对智能合约友好的DAG
为了给出一个简单的交易排序规则,我们需要对系统做一些限制。
首先,我们将系统的状态,或者称“世界状态”,看作是由每个账户的状态组合而成的。其中任何两个账户的状态都是独立的,不会互相影响。一个用户的余额不会根据另一个用户余额的变动而发生改变,一个合约的数据也不会受另一个合约影响。
然后,我们限制每一个交易只能影响一个账户的状态。比如转账交易,在我们的方案中,一个交易要么使某一个账户余额减少,要么使某一个账户余额增加,而不能同时改变两个账户的余额。也就是说,转账交易被拆分成“出账交易”和“入账交易”。同样的,智能合约调用的交易也被拆分成“请求交易”和“响应交易”。
有了上面两条限制,排序规则就变得简单了:那些影响同一个账户状态的交易之间必须进行排序;另外,一对「请求交易」和「响应交易」也必须满足请求交易在响应交易之前。
按照这种规则进行排序的DAG账本,每个账户都有一组有序的交易,或者说每个账户都拥有一条自己的区块链,称之为「账户链」。另外,不同的账户链之间也会通过一对请求-响应交易之间的顺序建立起联系。这种结构的DAG就是前文提到的「Block Lattice」。+ e# i) \1 W) c! d2 a
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基于DAG账本(Block Lattice)的智能合约8 H& R7 q4 A8 U+ c: ?, R
基于这样的账本结构,你会发现,世界又恢复了秩序。无论以什么样的顺序遍历DAG账本,只要遵循账本中记录的交易顺序,总可以计算出同样的世界状态。
这也是Vite等项目选择这种结构作为账本的原因。而采用Tangle结构实现智能合约,就必须引入另外一套排序规则。这在逻辑上相当于在原来DAG结构之外,针对同一组交易,另外建立一个不同的DAG结构,专门服务于智能合约,增加了工程实现上的难度。
###结束语
本文简要描述了去中心化系统中的不同账本结构,以及基于DAG结构实现加密货币和智能合约的区别。% S% I+ d7 @% u I+ @
最后总结出一种在工程上易于实现智能合约的DAG结构。
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