Kaspa 理论

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核心理念的诞生：从链到 DAG（有向无环图）

Kaspa 的故事始于一位杰出的计算机科学家和密码学家——Yonatan Sompolinsky。

• Yonathan Sompolinsky：他是整个项目的灵魂人物。在哈佛大学攻读博士学位时，他的导师是著名的密码学家和数学家 Yossi Gil。更重要的是，他曾在 Aviv Zohar 教授（耶路撒冷希伯来大学）的指导下进行研究。早在 2013 年，Yonatan 就在其博客上发表了一篇题为 《Secure High Rate Transaction Processing with Bitcoin》 的帖子，其中已经包含了 GHOST 协议的核心思想。这个协议后来被以太坊采纳，用于解决比特币最长链规则在高速出块时安全性下降的问题。

• 核心问题：Yonatan 的研究始终围绕一个核心问题：如何在不牺牲安全性和去中心化的前提下，极大地提升区块链的吞吐量（TPS）和缩短确认时间？

  • 比特币：安全但慢（~7 TPS，确认时间长）。
  • 传统高TPS链（如EOS）：通过牺牲去中心化（少量节点）来实现速度。

Yonatan 的答案是：放弃单一的链式结构，转向有向无环图（DAG）。

第一阶段：GHOST - 链式结构的优化 (2013)

• 论文标题: 《Secure High-Rate Transaction Processing in Bitcoin》 (最初是 Yonatan 的博客文章，后成为正式论文)

• 作者: Yonatan Sompolinsky, Aviv Zohar

• 发表时间: 2013年（博客），2015年（金融密码学与数据安全会议 FC）

• 论文：https://eprint.iacr.org/2013/881.pdf

• 论坛讨论：https://bitcointalk.org/index.php?topic=359582.0

• 核心思想:

  • 放弃“最长链”规则： 最长链是指包含区块最多的链。GHOST 规则改为选择 “子树最大” 的链作为主链。

  • 包含孤块： 在计算链的“重量”时，不仅算主链上的区块，也要算上被主链区块“抛弃”掉的孤块（它们也是合法算力的证明）。这使选择主链的规则更能反映总算力的分布。

第二阶段：PHANTOM - BlockDAG 共识的奠基之作 (2018)

• 论文标题: 《PHANTOM: A Scalable BlockDAG Protocol》

• 作者: Yonatan Sompolinsky, Aviv Zohar

• 发表时间: 2018 年

• 论文: https://diyhpl.us/~bryan/papers2/bitcoin/Phantom:%20A%20scalable%20block%20DAG%20protocol%20-%202018.pdf

• 核心贡献: 首次为 BlockDAG 模型提供了一个可证明安全的共识协议。PHANTOM 协议的核心思想是通过从​​链式结构转向 DAG 结构​​，并配以新的共识算法，来​​突破比特币协议中为了安全而牺牲可扩展性的根本限制​​。

• 技术细节:

  1. 数据结构: 允许区块引用多个父区块，形成DAG。这极大地提高了吞吐量，因为几乎不会产生孤块。

  2. 最大k-簇问题: PHANTOM 的核心是一个排序算法。它将 DAG 中的排序问题转化为一个图论问题：寻找一个最大的区块集合（称为“蓝色集”），其中任意两个区块之间的“距离”不超过 k 个区块。k 是一个可扩展的参数，与网络延迟相关。

  3. 染色算法:

     • 步骤1: 识别“诚实”区块（蓝色集）。算法会遍历DAG，选择那些在“过去”中相互关联紧密的区块染成蓝色。这些区块被认为是因网络延迟而暂时分叉的诚实区块。
     • 步骤2: 排序。先对蓝色集里的区块进行排序（形成主链），然后再将攻击者创建的“红色”区块（恶意区块）插入到排序中。

  4. 局限性: PHANTOM 的算法非常安全，但计算复杂度很高，因为它需要解决一个近似于“最大k-簇”的优化问题，这对于需要实时达成共识的区块链来说可能太慢。

第三阶段：GHOSTDAG - 从理论到实践的飞跃 (2021)

• 论文标题: 《PHANTOM GHOSTDAG: A Scalable, Generalization of the Nakamoto Consensus Protocol》

• 作者: Yonatan Sompolinsky, Shai Wyborski, Aviv Zohar

• 发表时间: 2021 年 9 月

• 论文: https://eprint.iacr.org/2018/104.pdf

• 核心贡献: 提供了一个与 PHANTOM 安全性相当，但计算效率极高、极其简单的 BlockDAG 共识协议。

• 与 PHANTOM 的关键区别:

  • 贪心算法: GHOSTDAG 不使用复杂的“k-簇”优化，而是采用一种贪心算法来选择主链。它简单地、递归地选择拥有 “最大过去” 的区块。这里的“过去”指的是该区块及其所有祖先区块构成的子图。

  • 直观理解: 这个规则是比特币的“最长链”（最重链）规则在 DAG 世界的直接推广。它选择的是“最重子树”（Heaviest Subtree）。

  • 等价性: 论文证明了在常见的网络条件下，GHOSTDAG 选择的“蓝色集”（诚实区块集）与 PHANTOM 选择的集合是相同或极其相似的，但计算速度天差地别。

  • 结果: GHOSTDAG 使得实时处理 DAG 和每秒出块成为可能，为 Kaspa 的主网上线扫清了工程障碍。

第四阶段：DAGKNIGHT - 面向未来的演进 (2022)

• 论文标题: 《DAGKNIGHT: A Parameterless Generalization of Nakamoto Consensus》

• 作者: Yonatan Sompolinsky, Michael Sutton

• 发表时间: 2022 年 10 月 31 日

• 论文内容：https://eprint.iacr.org/2022/1494.pdf

• 核心思想: 实现无参数（Parameter-less）的共识。

• 技术细节:

  • GHOSTDAG 的 k 参数问题: 在 GHOSTDAG 中，k 是一个预定义的值，代表了网络允许的“最大分叉深度”。它必须根据网络的实际延迟（如 1秒、3秒）来保守设定。如果 k 设得太小，诚实区块可能被错误地排除在蓝色集外；设得太大，又会降低安全性。这是一个需要人为权衡的参数。
  • DAGKNIGHT 的解决方案: DAGKNIGHT 协议是 “无参数” 的。它不预先设定 k，而是动态地、事后地观察整个 DAG 的拓扑结构，来自动确定什么样的区块集合可以被安全地确认为“诚实”的。
  • “先确认，后排序”: DAGKNIGHT 引入了一个新的安全原语。它首先快速地对区块进行“安全确认”，然后再进行全局排序。这意味着交易的确认时间可以大大缩短，甚至可以实现“亚秒级”的确认。

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• https://kaspa.org/publications/