DAG（有向无环图）——区块链从容量到速度的一次革新

什么是DAG

DAG：Directed Acyclic Graph，中文意为“有向无环图”

DAG原本是计算机领域一种常用数据结构，因为独特的拓扑结构所带来的优异特性，经常被用于处理动态规划，导航中寻求最短路径，数据压缩……等多种算法场景。

再看传统区块链和DAG的区别，简单的说：

1 单元：区块链组成单元是Block（区块），DAG组成单元是TX（交易）；

2 拓扑：区块链是由Block区块组成的单链，只能按出块时间同步依次写入，好像单核单线程CPU； DAG是由交易单元组成的网络，可以异步并发写入交易，好像多核多线程CPU；

3 粒度：区块链每个区块单元记录多个用户的多笔交易，DAG每个单元记录单个用户交易。

传统区块链技术的几个问题

1 效率问题：传统区块链技术基于Block区块，比特币的效率一直比较低，由于BlockChain链式的存储结构，整个网络同时只能有一条单链，基于POW共识机制出块无法并发执行；例如比特币每十分钟出一个块，6个出块才能确认，大约需要一个小时；以太坊大幅改善，出块速度也要十几秒。

2 确定性问题：比特币和以太坊存在51%算力攻击问题，基于POW共识的最大问题隐患，就是没有一个确定的不可更改的最终状态；如果某群体控制51%算力，并发起攻击，比特币体系一定会崩溃；考虑到现实世界中的矿工集团，以及正在快速发展量子计算机的逆天算力，这种危险现实存在。

3 中心化问题：基于区块的POW共识中， 矿工一方面可以形成集中化的矿场集团，另一方面，获得打包交易权的矿工拥有巨大权力，可以选择哪些交易进入区块，哪些交易不被处理，甚至可以只打包符合自己利益的交易，这样的风险目前已经是事实存在。

4 能耗问题：由于传统区块链基于POW算力工作量证明，达成共识机制， 比特币的挖矿能耗已经与阿根廷一个国家耗电量持平，IMF和多国政府对虚拟货币挖矿能源消耗持批评态度。

Digiconomist 数据表明：全球挖矿业务总计，每年产生约2.9亿吨碳排放

由于以上问题，所以有人提出疑问：“为什么一定需要区块呢？”，DAG技术被用于尝试解决区块链的上述问题。

DAG起源

最早在区块链中引入DAG概念作为共识算法的是2013年，bitcointalik.org上由ID为avivz78的以色列希伯来大学学者提出，也就是GHOST协议，作为比特币的交易处理能力扩容解决方案；Vitalik在以太坊紫皮书描述的POS共识协议Casper，也是基于GHOST POW协议的POS变种。

后来NXT社区有人提出用DAG的拓扑结构来存储区块，解决区块链的效率问题。区块链只有一条单链，打包出块无法并发执行。如果改变区块的链式存储结构，变成DAG的网状拓扑可以并发写入。在区块打包时间不变的情况下，网络中可以并行打包N个区块，网络中的交易就可以容纳N倍。

此时DAG跟区块链的结合依旧停留在类似侧链的解决思路，交易打包可以并行在不同的分支链条进行，达到提升性能的目的。此时DAG还是有区块的概念。

2015年9月，Sergio Demian Lerner发表了 《DagCoin: a cryptocurrency without blocks》一文，提出了DAG-Chain的概念，首次把DAG网络从区块打包这样粗粒度提升到了基于交易层面，但DagCoin本身是一篇论文，没有代码实现。

DagCoin的思路，让每一笔交易都直接参与维护全网的交易顺序。交易发起后，直接广播全网，跳过打包区块阶段，达到所谓的Blockless。这样省去了打包交易出块的时间。如前文提到的，DAG最初跟区块链的结合就是为了解决效率问题，现在不用打包确认，交易发起后直接广播网络确认，理论上效率得到了质的飞跃。DAG进一步演变成了完全抛弃区块链的一种解决方案。

2016年7月，基于Bitcointalk论坛公布的创世贴，IOTA横空出世，随后ByteBall也闪亮登场，IOTA和Byteball是头一次DAG网络真正技术实现，也是此领域最耀眼的领军者；此时，号称无块之链（Block Less）、独树一帜的DAG链家族雏形基本形成。

一句话来概括：DAG是面向未来的新一代区块链，从图论拓扑模型宏观的看，从单链进化到树状和网状、从区块粒度细化到交易粒度、从单点跃迁到并发写入；是区块链从容量到速度的一次革新。