IOTA 交易,确认和共识

Last updated 5 months ago

原文:https://github.com/noneymous/iota-consensus-presentation

Tangle 初始状态

与区块链技术不同,IOTA 并不是一条有着时间序列概念,每个区块前后相连的链,链中的每个块包含一些交易。在 IOTA 中,每笔交易都可以其他交易连接(所谓连接,就是验证其他交易),并且可并行发生。下面的内容将就如何在 IOTA 中加入交易,验证交易及其共识机制展开。

初始 tangle 状态

上图是 tangle 的一个案例,下面内容都会围绕该图展开。绿色交易代表已经被网络以高确定性(high certainty)地确认,蓝色交易是部分确认,也就是确定性较低。灰色(以及下面的黄色)方框表示还没有任何人验证过的 tip (tip 有尖端,尾部的意思,比如手指尖就可以用这个词,这里的 tip 表示 tangle 中最新的尚无人验证的交易)。红色交易,表示有冲突,或无效交易。

在上图中,交易 α 并非一笔普通交易。它引用了交易 hl,由于交易 h 已经被交易 l 引用了, α 会选择一个 tip(l) 和 一个显然不是 tip 的交易(h)。这么做目前似乎并没有问题,网络也允许这样的行为。

加入一笔交易

加入一笔交易

为了向 tangle 中加入一笔新的交易,用户必须从 tangle 中随机挑选出两个 tip(tip 就是尚未确认的交易),并对两个 tip 进行验证。所谓验证,意味着用户需要检查 tip 的签名,即所谓的 PoW,并确保所选的 tip 与之前的任何交易(无论是直接相关还是间接相关)都没有冲突。如果所选的 tip 是合法的,用户就对其进行引用,也就是加入新的交易。

如果交易既没有被所选的 tip 直接引用,也没有被间接引用,那么对于当前的验证过程来说,这些交易就是不相关的交易。对于不相关交易,会由其他人或是之后的交易来进行验证,并将它们加入到 tangle 中。

另一笔交易

另一笔交易

与此同时(其实不必同时,早一点晚一点都无所谓),另一个用户可能正在一个不同的位置加入新的交易。它选择了 tip zy。如此一来,它就在更大的范围上验证了已经验证过的同样交易,即 akmn,加上额外的一些没有在交易 1 验证路径上的交易(l, o, r, t, v, yz)。

新的 Tangle 状态

Imgur

交易 12 的验证路径有重合之处,我们可以看到有一些交易仅被确认一次,有些交易被确认两次。被当前所有 tip 验证和确认的交易就被认为是完全确认。因此,交易 n 进入 tangle 更深一层,现在变成了绿色。从现在开始,随后所有连接到 1 与/或 2 或者它的孩子,将会保持再验证和再确认的交易状态。

我们已经学到了什么?

  • 没有人需要看到和验证所有的交易。每个用户仅需要选择和验证两笔交易及其父交易。如此一来,他们仅验证了 tangle 的一部分而已。当其他用户选择并验证不同的 tip 和路径,完整 tangle 的协同验证就出现了。

  • 在某个时间点以后,一旦一笔交易在 tangle 中进入足够深的位置,无论从最新的 tip 中的任意一个,无论从直接或是间接路径上它都存在。这样的交易就被认为是完全确认,并且会被每一个新的交易再验证,再确认。我们可以认为它被所有用户(和机器)确认,并且确定性很高。

  • 为了对确认进行检查,接收者只需要检查交易是否被已有的所有 tip 直接或间接引用(或者通过一个确定比率,如果确定性更低的话,比如 80%,也可以接受)。这时候就不需要再验证或是其他类似操作了。注意:可能会有上千个 tip。与其检查每个 tip 的父节点,更可能的是选择一个随机样本,并做一个统计评估。

注意交易 n 还没有被确认,因为现在我们的 tip 比较少。下面会展示更多 tip 的场景。

确认级别

Imgur

我加入了一些新的 tip 对上例进行了扩展。对于每个新的 tip,它的验证路径都被高亮了。通过颜色,你可以清楚地看到哪些交易被多少 tip 所验证,及其验证等级。

一个商家可能会根据自身情况设定个性化的确认/确定等级。如果交易速度比交易价值更重要(比如微支付或零价值支付),又或者发送方是一个朋友,一个人可能会以 75% 的确认等级接受交易。在 75% 的确定等级(3/4 tip)下,交易 l, o, 和 t 可能也会被确认。

传播延迟

传播延迟

理论上,由于更慢的 PoW 或者传播延迟,可能在稍后出现一笔慢速交易 5。鉴于我们已经知道了交易 5,交易 n 就不会再被所有的 tip 完全确认。但是,他们的确认确定性(confirmation certainty)仍然很高,有 4/5 tip 确认(实际上会有上千而不是 5 个 tip)。记住,所有一切都是为了一个高概率的确定性 -- 就像在区块链里面,区块的每次确认就是增加了确定性的概率。

请注意,本例中的交易 5 的状态并非从 “确认” 转变为 “未确认”。它仅是从改变了数学上精确的确定性比率(比如,如果一共有 100 个 tip,从 100% 到 99%)。一旦一些随后的交易引用了交易 15,交易 n 就会被所有的 tip 再次完全确认。这样小的确认等级变化将不太可能会发生,更进一步的交易会进入 tangle。

请注意,100% 的确认/确定等级无论如何都很难达到,因为总会出现一些无正面贡献的 tip(比如,引用一些无用的交易,或是根本不遵守协议)。

双花

双花

想象这样一种情况,一个用户在 tangle 的两个不同的地方加入了两笔冲突的交易(wy)。对于随后的用户,在他们的验证路径上可能只有这些冲突交易里面的其中一笔(取决于他们的 tip 选择,和一些可能的传播时延)。比如,加入了交易 12 的用户就不会看到冲突,并会确认他们所选的 tip。因此,双花就得到了第一次确认。但是,迟早必然会发生的是,这两笔冲突的交易会出现在一笔交易的验证路径上。比如,交易 5 就会看到冲突,继而不会确认选出的 tip。相反,为了确保它自身会是一笔有效的交易,它会重新选择 tip 直到找到不冲突的交易。

依赖于 tip 的选择和 tangle 的推进,在冲突变得逐渐清晰之前,可能会有更多的用户在 wy 后面附加交易。取决于用户在哪里附加最多新的交易,w 或者 y 都会在某个点确认,但是其他会被丢弃。被丢弃交易(因为它们看不到即将到来的冲突)后面的所有交易也会被丢弃。但是,这些交易并不会丢失,而是可能被任何人(但最可能是交易接收方)接受,并为了新的确认机会再次附加到 tangle。这时,PoW 就需要重新来过,但是并不需要从发送方发送新的签名了。

解决双花

解决双花

上面已经说到,一个用户尝试将交易 5 与 tip 12 相连。由于冲突,它重新进行选择 tip,并且决定连接到 tip 14。另一个用户(也可能是同一个)选择 tip 23 连接到交易 7。虽然出现了多个分支,但是由于 wy的双花,只有一个能够存活。基于 tip 的随机选择(和交易的累积权重),这两个分支的其中一个会接收更多的的子交易(独立的,权重)直到 tangle 进入一个状态,在这个状态里就不可能再合法地附加任一片段。在上面的示例中,用户可能继续与交易 568 相连,但是不会连接到交易 7。因此,交易 y237 将永远也不会成为一个完全确认的状态。

正如上面所说的,交易 y237 可能被再次加入 tangle 。只要他们(仍然)是有效的,就会新的机会被确认。交易 237 可能然后被确认,但是交易 y 仍然无效。

离线 Tangle

离线 tangle

tangle 能够让用户在离线的情况下,仍然能够继续构建交易,比如在公司内部的局域网,或者在断电的情况下与邻居继续交互。如此,依照协议规定创建交易,并相互连接。

在上面的案例中,交易 12 是首先离线的一批。它们与在线 tangle(online tangle) 最后已知的 tip 相连。随后的交易与往常一样不断地附加到后面。一旦有向主 tangle(main tangle) 的提交(commit),离线的子 tangle 就会通过创建交易 8 得到最终确定,它会将离线 tangle 与当前在线 tangle 的 tip 进行合并。随后,交易 8 变为一个合法的 tip,并且可供后面的在线交易进行选择和验证。在线连接到交易 8 的下一个用户,将会在他们的验证路径上包含所有的离线交易。

请注意,正如上文,只有当离线交易跟其他交易一样,被加入到主 tangle 中,离线交易才会被完全确认。如果离线分支中的任何交易与主 tangle 冲突,交易 18 就不会被确认。再一次的,它可能会花费随后几个交易的时间,直至冲突对于主 tangle 的所有(或者大部分) tip 都可见(也就是上面所说的 “双花”)。