详解Hcash安全、高效、灵活的新型混合共识方案

Hcash  2017-12-20  HC(HSR)/超级现金Hcash栏目  

通过深入的技术调研,我们发现区块链技术在共识机制、可扩展性与性能效率、系统的安全性分析评估、安全与隐私保护等方面已经有较多的研究成果,且该技术在主流密码货币或公有链的应用实现已经经受了时间与市场的考验,虽然存在系统性能有待进一步提升、共识机制有待进一步创新优化、安全机制需要进一步加强等问题,但该技术相对成熟可靠。

 

与区块链技术相比,DAG技术的特性如无区块大小限制,易扩容,系统性能可以有较大程度的提升,且交易越频繁系统性能越优,支持的消息格式较为灵活等使得该技术有其适用的应用场景,但是,该技术尚未经过较为充分的理论与实践论证,到目前为止,还没有公开的、基于DAG技术的、公有链系统相关的学术研究成果。

 

同时,我们发现基于DAG技术的分布式账本系统尚不成熟,例如:在IOTA中,系统的安全性较大程度依赖于交易频率;在Byteball中,其“共识机制”中的稳定点推进策略尚存在算法漏洞,且Byteball系统过于依赖少量的Witness 节点等等。为避免采用DAG技术所带来的较大技术风险,在Hcash中我们采用了相对成熟的区块链技术。

 

2008年,中本聪在比特币白皮书中创造性地将区块链技术应用于去中心化的金融网络,之后的数年里,人们又相继提出了许多新的数字货币方案,对现有的协议进行细化、调整、扩展与改进。

 

其中最引人注目的新的想法和实现包括Ethereum(扩展了脚本实现智能合约)、CryptoNotes和ZeroCash(使用不同的方案增强了隐私保护)、DASH和Decred(实现了混合共识和基本的DAO)、IOTA和ByteBall(通过采用DAG结构来提高交易的吞吐量)、Bitcoin-NG(通过keyBlock和microBlock的双层链结构来提高交易的吞吐量)、侧链技术(实现了不同数字货币系统的互通)。

 

比特币的共识机制PoW(工作量证明)存在很多优点,包括稳定性好(经过充分的实践证明)、具有较强的容错性、拥有不错的激励机制、支持用户动态加入与退出等,与此同时,由于PoW存在诸如资源浪费、矿力集中等诸多为人诟病的问题,因此对于比特币协议的一个常见扩展是修改其共识机制,比如使用PoS(股权证明)而不是算力来实现交易共识。

 

然而,纯PoS共识机制也存在不少问题,例如:稳定性有待实践证明,安全性需要进一步加强等,PoS系统的不稳定性来源于股权持有者能够很容易生成相应的时间戳历史(从而易于伪造区块)。

 

比特币的另一个不足是其每秒最多7笔的交易处理速度,这严重制约了比特币的用户规模(最多能支持60万用户每天发起一笔交易)。对此的改进方法包括:

 

(1)缩短区块的产生间隔

(2)增加区块大小

(3)采用双层链结构

(4)引入闪电网络

(5)采用DAG账本

 

方法(1)牺牲了一定的安全性,ETH的实践(其区块产生间隔为20-30s)证明了缩短区块产生时间间隔会影响到系统的安全性和稳定性,为此ETH采用了颇受争议的GHOST协议来抑制因缩短区块产生时间间隔所带来的不良影响;

 

方法(2)会增加系统的通信开销;

 

方法(3)Bitcoin-NG采用的方式,其主要思想是:矿工解决哈希难题并由此创建的区块称为keyBlock,创建keyBlock的矿工在下一个keyBlock出现之前每隔一小段时间可以发布一个microBlock。系统的安全性和健壮性建立在keyBlock的PoW机制上,而系统的交易吞吐量则通过microBlock的频繁发布得以显著提高。然而,在Bitcoin-NG中存在两个安全隐患:一是不能有效阻止自私挖矿,二是当某个矿工创建keyBlock之后,他可以在短时间内发布大量的microBlock,从而引发系统大量分叉并最终对共识机制的收敛性造成很大影响,同时也大大加重了系统的通信负荷;

 

方法(4)是一种链下交易机制,用于支持小额高频交易;

 

方法(5)虽然可以较大程度地提升系统性能,但是该技术尚未经过较为充分的理论与实践论证,且其共识机制尚存在安全问题。

 

到目前为止,主流密码货币在共识协议方面基本采用纯PoW机制(如比特币、莱特币、门罗币等)或PoW/PoS混合共识机制(如Decred、DASH),这些密码货币在性能效率方面有较大的局限性。

 

Hcash项目的目标是构建安全高效、稳定可靠的公有链平台,并通过迭代研发的方式逐步实现抗量子计算攻击、互联互通、智能合约、钱包私钥的保护等特性。

 

为此,在Hcash中,我们提出了安全、高效、灵活的新型共识方案,该方案具有两大特色:

 

一方面,通过采用混合共识思想,可以让矿工和持币者更好地参与到系统共识,从而进一步提升系统共识的安全性与灵活性,并为实现基本的DAO机制来进行协议的更新升级及社区项目投资等提供保障。

 

与此同时,通过设计双层链结构和两级挖矿机制,可以在不影响共识安全的前提下大大提升系统的性能效率。

 

我们的共识方案汲取了Decred混合共识机制和Bitcoin-NG的优点,并在此基础进行融合创新:首先,将Bitcoin-NG中的keyBlock/microBlock双层链结构引入PoW中,为解决Bitcoin-NG中“恶意矿工在创建keyBlock之后可以在短时间内发布大量的microBlock,从而引发共识收敛性问题和系统通信问题”,我们提出了两级挖矿的思想,即将PoW的难度划分成两级,矿工解决较高难度的哈希难题即可发布keyBlock,而解决较低难度的哈希难题则发布microBlock,这样就避免了microBlock的发布受某个矿工的任意操纵,从而在不影响共识安全的前提下大大提升系统的性能效率。

 

进一步地,为解决自私挖矿问题,提升系统共识的鲁棒性(例如:有效抵抗算力的51%攻击)与灵活性(支持PoW挖矿以及PoS挖矿),我们引入了Decred中的购票交易以及对区块的投票交易机制(一种灵活且实用的PoS机制),并把具备双层链结构和两极挖矿思想的加强版PoW机制与该PoS机制进行有机结合从而得到新型混合共识机制,在该新型混合共识中,keyBlock必须获得足够的赞同票才会被视为合法,因此PoW矿工和PoS矿工都能参与系统共识并发挥重要作用。

 

在该共识机制基础上,为了让所有矿工和持币者参与社区的重大决定,包括协议的更新升级及社区项目投资等,我们实现了基本的DAO机制。同时,我们的方案支持隔离见证特性,为后续支持抗量子计算的签名方案以及闪电网络提供便利。方案的总体结构图如下:

 

图1. 本方案的总体结构

 

在表1中我们将Hcash与BTC、实现扩容方案后的BTC、BCC以及Decred的交易吞吐量进行了对比。我们可以通过调整区块大小以及microBlock的平均时间间隔(对应于microBlock的出块难度值)得到不同参数下Hcash能够达到的交易吞吐量。当前版本的Hcash系统采用的参数如表中粗体一行所示。

 

表1. Hcash与几种主流数字货币的交易吞吐量对比

 

表2给出了Hcash中敌手控制的算力比例和票池比例与敌手攻击成功的概率之间的大致关系:

表2. Hcash中敌手控制的算力比例和票池比例与敌手攻击成功的概率之间的关系表

 

关于Hcash中的新型混合共识方案,我们还将以学术论文的形式发表出来,论文中详细阐述了该新型共识机制各个功能组成部分以及处理逻辑,并对方案的安全性(包括抗自私挖矿、鲁棒性、系统共识的收敛性等)和性能效率进行了深入的分析评估。

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作者:Hcash
来源:Hcash

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