【COSCUP演講】IOTA的帳本結構與共識創新

感謝主辦方邀請，讓我能在台灣開源人年會（COSCUP2022）和大家分享IOTA、也讓IOTA連續兩年在COSCUP露臉．我的講題題目「A Leaderless DAG and Reality-based UTXO Ledger」，是深入淺出的談論IOTA 兩篇學術研究成果（註一），從帳本創新到共識機制創新都有所討論，希望能讓聽眾理解到IOTA 堅持從第一原理出發、把事情做對的堅持．即使幣價長時間是躺著，這絲毫不影響我相信IOTA 科技是可以改變世界的DLT（大家也可以閱讀【IOTA社群語音紀錄】終極DLT的歷史衝突與科技創新、【分散式帳本與物理】共識、時間與資料結構）．希望大家能夠從文章/影片（註二）有所獲得，依照慣例，歡迎留言分享、轉發讚賞、甚至捐款：）

註一：我用兩篇論文的標題構建演講題目(Tangle 2.0 Leaderless Nakamoto Consensus on the Heaviest DAG, Reality-based UTXO Ledger）

註二：COSCUP的錄影仍然沒有上線，所以我先根據演講內容並發出文章，之後會更新Youtube 連結

UTXO Ledger

這篇網誌會遵循演講的架構，對於講題「A Leaderless DAG and Reality-based UTXO Ledger」進行說文解字，來帶領大家理解IOTA 在方方面面的思考．首先，既然我們談論的是去中心化帳本科技（DLT），我們就得有個帳本(Ledger)．現在主流的帳本有兩種形式：Account 以及UTXO．Account 是追蹤帳戶有多少錢，如下圖左，隨著帳本更新，帳戶裡面的錢有所增減；UTXO 是追蹤交易裡面的錢，這筆錢被誰花過，現在誰可以花，如下圖右。Account 作為帳本的優點在於容易執行智能合約，所有的帳本紀錄都能以序列形式執行和追蹤（舉例：可以追蹤誰持有LP token，或是可以透過一筆交易中執行多個動作），基本上執行智能合約的公鏈（如ETH）都是採用Account，而其中例如Solana 這樣的高速公鏈都在設計上提高交易的並行性來提高吞吐量．採用UTXO 架構的公鏈包含BTC、ADA 等，UTXO 帳本優點在於更小的帳本體積並允許了原生並行送交易的可能（如果我有10個UTXO能花費，我可以同時寄給十個地址，不用像是Account一筆筆寄出）、同時 UTXO也比較安全性（檢查 double spending 比較容易，看哪筆UTXO 被引用兩次就很清楚，Account 就相對困難），缺點在於不適合原生跑智能合約（如果跟ADA一樣硬要跑的話，每個UTXO代表的智能合約在每個區塊只能被呼叫一次，可用性非常堪憂）．

IOTA 原本是採用Account 作為帳本，後來在2021年的大升級中，重生成UTXO帳本．IOTA 認為要成為最安全、高速、去中心化的DLT，無法原生執行智能合約是必須的取捨：IOTA L1 可以定義原生資產、NFT、轉帳，成為清算層（settlement layer），將智能合約和計算層放到L2(Assembly 網路)，不過就算無法在L1跑圖靈完備的智能合約，光是Time locked hash contract 就可以有很多有趣應用，舉例：除了atomic swap 或是閃電網路外，「送出交易之後可以設定收款失效時間」可以避免手殘轉錯地址的燒幣行為．

DLT is about consensus

接下來我想和大家討論DLT本質的另外一面向：建立共識． DLT除了需要帳本存在之外、也需要節點們對於帳本達成共識．畢竟避免矛盾達成一致性是帳本的核心要求．在區塊鏈的世界中，這個問題可以說是被簡化成誰能當「出塊者」(不論是POW或POS）：因為所有事件是由首尾相連的區塊（全局排序）所構成，若本於任意區塊中都只有一個領袖(Leader)出塊，那麼確定哪個帳本為真就等同於如何獲得領袖．

區塊鏈世界常見的長鏈獲勝原則（中本聰共識），就是讓想要成為領袖的不同節點去中心化選出領袖的一種做法．區塊鏈中每筆交易都會包含收發雙方以及一個全局Hash．當不同節點都出塊自認為是領袖打包不同交易時，區塊鏈長得更像是「區塊樹」(一堆fork)，分支產生了多種可能性．而在經過幾個區塊的產生後，節點的社會共識就是長鍊獲勝原則，將其他的可能性剪除，讓區塊組成區塊鏈（這裡就不討論整個區塊鏈被監管的可能）．

Leaderless : solve Blockchain Trilemma with DAG

區塊鏈透過每個區塊中擁有領袖進行打包出塊，（在線性時間中）來達成共識．不過也因此在架構上產生諸多問題．領袖模型有以下問題需要克服：首先是溝通複雜度，由於同時間只有一個領袖節點出塊，透過常見的gossip model 傳遞訊息就限制了整個帳本同步的速度（Solana 確實在區塊鏈中對降低通訊複雜度有創新）；另外就是節點硬體效能浪費，（在不考慮分片的情況下）每個區塊都只有一個節點擔任領袖、代表其他節點都是待機或驗證交易．因為區塊鏈網路多數的硬體資源沒有發揮作用，整個網路效能最多就和一個節點一樣快．也就是說節點數量上升沒有辦法讓區塊鏈網路的效能輕易上升（這點Move 系SUI確實有用DAG 創造水平效能擴展）；最後一個領袖模型難以避免的問題就是手續費(fee)，當使用者沒有辦法自己更新DLT帳本時，必須得要透過給予領袖節點經濟誘因來打包交易，這個要透過領袖節點打包所造成的瓶頸，會使得使用者難以免手續費使用區塊鏈．

簡單來說，區塊鏈普遍透過要求「事件排序」並透過「領袖節點出塊」來達成共識，並創造了極為豐富的可能性．不過這個架構也因此產生了著名的區塊鏈不可能三角「安全性、去中心化、效能」無法兼具．用之前的視角來分析，如果是區塊鏈透過中本聰共識讓「事件排序」達成安全的話，那整個網路的效能會和「領袖節點」去中心化程度有所取捨（當然這不是「不可能定理」）．

若是用更高層式的視角來思考此問題，或許區塊鏈三難只是區塊鏈架構設計招致的自身侷限，如果把帳本架構以及共識架構都換掉，或許一切能豁然開朗．IOTA DAG則嘗試從第一原理出發則提出了DLT 四難的典範轉移：是「全域帳本排列、安全性、去中心化、效能」無法兼具．IOTA DAG指出優秀的L1 完全可以兼具區塊鏈三難的三個性質，這個典範就相當於從二維空間的三角形平面國（上圖），進入三維空間正四面體的現實世界（下圖）；當然更哲學的說，IOTA DAG是離開了柏拉圖洞穴寓言中的影子世界．只要帳本犧牲了必須「全局排列」的要求，釋放出來的潛能是「非線性帳本」可以「無領袖的達成共識」，透過無需領袖的共識機制（因此沒有出塊瓶頸）來達成安全的話，去中心化與效能就不再是不可兼得的良好特性．相反的，去中心化和效變成相輔相成，更多人使用IOTA DAG網路，會讓IOTA DAG網路有「更高的」效能，節點們能一同處理交易後產生了革命性的效果．

DAG : Reality-based Consensus

DAG 有原生能平行處理交易的優點外，也此更容易產生帳本衝突（也沒有線性全局順序來揪錯）．為了建構適用於無領袖、非同步的共識機制，IOTA 提出了第四次帳本革命：從單純流水帳、（有收發方）複式記帳簿演化到（有收發方與交易Hash）的區塊鏈後，IOTA將帳本中的每筆交易賦予「收發方、交易Hash以及節點ID（與其Mana）」，來創造「基於現實的共識」．

就讓我們以下圖為例，IOTA 每筆交易（框框)都會指向之前的交易，UTXO則一定是從青色格子指向酒紅色格子．基於最左邊的UTXO DAG，我們能夠發現有許多衝突交易，接著可以將UTXO DAG 簡化成中間下圖的Conflict DAG ；並且根據哪些UTXO(酒紅色格子)被指向超過一次，畫出中上圖Confilict Graph（相鄰的框框代表有矛盾）．這裡要注意的是已經喪失UTXO 資訊的中上圖和中下圖是無法互相推導的．然後我們就來定義「分支」和「現實」：「分支」是由無矛盾的交易所構成，所以n個交易產以產生指數等級的「分支」，故所有右圖中的框框都是「分支」，而盡可能包含更多無矛盾交易的「分支」就是「現實」，右下圖是八個「分支」中有四個「現實」（「現實」由灰色框框標記）．

「基於現實的共識」可以由下圖來說明：由於給個節點在透過傳遞交易訊息時會包含送出交易的相應節點ID(與其Mana)，每個節點都可以因此能消除Conflict Graph 的框框和Confilct DAG 的「分支」，這個計算權重的過程無需節點之間的投票就能進行，最終每個節點都會獲得沒有矛盾的Conflict Graph 、以及權重最高的「現實」．透過將IOTA DAG 網路中每筆交易增添一筆欄位：節點ID（與其Mana），IOTA 做到了前所未見的共識機制．