Radiant Hệ thống tài sản kỹ thuật số ngang hàng
Các nhà phát triển rạng rỡ

Ngày 11 tháng 8 năm 2022

radiantblockchain.org

Tóm tắt. Mạng Radiant là hệ thống tài sản kỹ thuật số ngang hàng cho phép trao đổi giá trị trực tiếp mà không cần thông qua bên trung gian. Giao thức Bitcoin[1] ban đầu cung cấp những gì cần thiết để tạo ra hệ thống tiền điện tử ngang hàng, nhưng không có khả năng xác minh lịch sử giao dịch và do đó, không thể được sử dụng để xác thực tài sản kỹ thuật số. Chữ ký số và ràng buộc đầu ra cung cấp một phần của giải pháp, nhưng những lợi ích chính sẽ mất đi nếu vẫn cần bên thứ ba đáng tin cậy để xác thực tài sản kỹ thuật số. Tương tự như Bitcoin, mạng Radiant yêu cầu cấu trúc tối thiểu và đóng dấu thời gian giao dịch vào chuỗi bằng chứng công việc dựa trên hàm băm đang diễn ra. Chúng tôi giới thiệu hai kỹ thuật để xác thực tài sản kỹ thuật số: tham chiếu duy nhất và hệ thống bằng chứng cảm ứng mục đích chung, cả hai đều hoạt động trong thời gian và không gian O(1) không đổi. Có thể soạn thảo đầu ra theo bất kỳ cách nào mà không ảnh hưởng đến tính song song vốn có và các đặc điểm hiệu suất của kiến ​​trúc dựa trên đầu ra giao dịch chưa sử dụng (UTXO). Do đó, người dùng có thể rời khỏi và tham gia lại mạng Radiant theo ý muốn và được đảm bảo về tính toàn vẹn và tính xác thực của tài sản kỹ thuật số của họ.

1. Giới thiệu

Thương mại với blockchain, hay công nghệ sổ cái kỹ thuật số (DLT), trong nhiều trường hợp dựa vào bên phát hành và bên lưu ký đóng vai trò là bên đáng tin cậy để xác thực tài sản kỹ thuật số. Mặc dù các hệ thống đó hoạt động đủ tốt cho các giao dịch giống như thanh toán điện tử, nhưng chúng vẫn gặp phải những điểm yếu cố hữu của mô hình dựa trên sự tin cậy đối với các mục đích sử dụng nâng cao. Các blockchain dựa trên Ethereum Virtual Machine (EVM) [2] rất linh hoạt cho mọi loại chương trình, nhưng mức phí cao khiến việc sử dụng cho các ứng dụng thanh toán vi mô trở nên không thực tế.

Điều cần thiết là một hệ thống thanh toán điện tử có thể được sử dụng cho hệ thống quản lý tài sản kỹ thuật số với mức phí thấp, hiệu suất cao và khả năng lập trình tiên tiến. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một giải pháp cho vấn đề mở rộng quy mô và hợp đồng blockchain bằng cách sử dụng hai kỹ thuật mới cung cấp các tham chiếu duy nhất và một hệ thống chứng minh cảm ứng chung, giúp các chương trình Turing Complete [3] vượt qua ranh giới giao dịch trở nên khả thi. Hệ thống được đề xuất là phi tập trung, sử dụng cơ chế đồng thuận bằng chứng công việc như Bitcoin, nhưng với mức thông lượng cao hơn đáng kể, đồng thời cung cấp cùng tính linh hoạt của blockchain dựa trên EVM, với mức phí rất thấp.

2. Giao dịch
Tương tự như Bitcoin, chúng tôi định nghĩa một đồng tiền điện tử là một chuỗi chữ ký số. Điểm khác biệt trong giao dịch Radiant là mỗi chủ sở hữu chuyển đồng tiền cho người tiếp theo bằng cách ký số một hàm băm của giao dịch trước đó ngoài các tham số đầu vào bắt buộc để mở khóa đồng tiền. Một giao dịch cũng tạo ra các ràng buộc khóa đầu ra mới, có thể bao gồm khóa công khai của chủ sở hữu tiếp theo, trong số bất kỳ quy tắc nào khác do người dùng xác định.

Biểu đồ 1. Giao dịch bức xạ.

Để xác minh rằng không xảy ra chi tiêu gấp đôi, chúng tôi sử dụng máy chủ dấu thời gian phân tán, sử dụng hệ thống bằng chứng chỉ công việc dựa trên hàm băm để sắp xếp lịch sử chuẩn xác để xác định giao dịch nào trước đó . Các giao dịch được sắp xếp thành các khối. Theo quy ước, giao dịch đầu tiên, được gọi là "giao dịch coinbase", trong một khối là một giao dịch đặc biệt bắt đầu một đồng tiền mới thuộc quyền sở hữu của người tạo khối. Các giao dịch được kết nối lại với nhau và sắp xếp các khối giao dịch thành Merkle Cây [4]. Tất cả các giao dịch, ngoại trừ giao dịch đầu tiên, phải tham chiếu đến một giao dịch trước đó tạo thành sơ đồ có hướng dẫn không theo trình tự (DAG) trong đó tất cả số tiền cuối cùng sẽ kết nối trở lại ít nhất một trong những giao dịch đặc biệt ở đầu khối.

Sơ đồ 2. Cấu trúc khối; các giao dịch được tổ chức thành Cây Merkle.

Vấn đề với thiết kế này, trong bối cảnh tài sản kỹ thuật số, là chỉ có một loại tiền xu hoặc tài sản kỹ thuật số và không có khái niệm về tiền xu do người dùng xác định (hoặc loại tài sản kỹ thuật số). Thiết kế này hoạt động đủ tốt cho các giao dịch giống như thanh toán điện tử trong đơn vị tài khoản gốc, tuy nhiên, nó không ngay lập tức phù hợp để sử dụng cho các loại tiền xu hoặc tài sản kỹ thuật số khác. Một giải pháp phổ biến là giới thiệu một dịch vụ như trình lập chỉ mục giao dịch, dịch vụ này theo dõi các giao dịch để tìm chuỗi dữ liệu đặc biệt nhằm biểu thị việc tạo ra tài sản kỹ thuật số. Vấn đề với giải pháp này là nó phụ thuộc vào công ty điều hành dịch vụ, với tính xác thực của tài sản kỹ thuật số cần phải được tin cậy, giống như bất kỳ dịch vụ nào khác trên web.

Chúng tôi cần một cách để người dùng chỉ ra việc tạo ra các loại tiền tùy chỉnh, nhưng không cần phải dựa vào một dịch vụ đáng tin cậy để trình bày dữ liệu.

3. Tài sản số
Chúng tôi định nghĩa một đồng tiền điện tử tùy chỉnh hoặc tài sản kỹ thuật số là một chuỗi chữ ký số. Tài sản kỹ thuật số là một loại tiền do người dùng định nghĩa sử dụng một dấu hiệu giao dịch đặc biệt, được gọi là "giao dịch assetbase", để tạo hoặc đúc một tài sản kỹ thuật số. Tương tự như các giao dịch coinbase, đưa tiền mới vào hệ thống, giao dịch assetbase tô màu hoặc gắn thẻ cho đồng tiền điện tử bằng một mã định danh 36 byte duy nhất trong suốt vòng đời của nó. Đồng tiền điện tử tùy chỉnh được phủ lên trên loại tiền cơ sở và hoạt động theo cách tương tự. Giao dịch assetbase có thể xuất hiện ở bất kỳ đâu trong khối và có thể thực thi bất kỳ quy tắc và ràng buộc tùy chỉnh nào được quyết định trước.

Biểu đồ 3. Các giao dịch có thể hiện các loại tiền do người dùng xác định — hoặc tài sản kỹ thuật số.

Để thực hiện điều này, chúng tôi cần tạo một mã định danh duy nhất ổn định nhất và một chế độ giao dịch cơ bản để theo dõi tính xác thực của các loại tiền xu (tài sản kỹ thuật số). Người sử dụng hệ thống cần phải có bằng chứng rằng các loại tiền xu tùy chỉnh này không phải là hàng giả và có thể hiện thực số tài sản kỹ thuật chính xác.

iểu đồ 4. Các loại tiền xu tùy chỉnh do người dùng xác định được xác định từ một giao dịch đúc tiền đặc biệt. Một mã định danh duy nhất được sử dụng để phân loại loại tiền xu.

4. Mã định danh duy nhất
Để triển khai một định danh duy nhất cho một loại tiền xu, chúng tôi sử dụng một giao dịch đánh dấu đặc biệt, được gọi là "giao dịch cơ sở tài sản", đóng vai trò là điểm bắt đầu (đúc) của chuỗi chữ ký số. Thay vì yêu cầu một cấu trúc dữ liệu mới cho định danh duy nhất, chúng tôi sử dụng lại định danh giao dịch và chỉ mục đầu ra, được gọi là "outpoint", làm định danh duy nhất cho loại tiền xu. Đảm bảo rằng các outpoint (36 byte) là ngẫu nhiên và duy nhất trên toàn cầu.

Một lệnh lập trình, được gọi là OP_PUSHINPUTREF, được sử dụng để đính kèm tham chiếu đến một đầu ra. Lệnh này chấp nhận chính xác một tham số 36 byte phải khớp với 1) điểm đầu ra của một trong các đầu ra đang được chi tiêu hoặc 2) cùng một giá trị 36 byte đã xuất hiện trong một đầu ra đã chỉ định trước đó OP_PUSHINPUTREFtrong một trong các đầu ra đang được chi tiêu. Cách duy nhất để bất kỳ giá trị nào xuất hiện trong đầu ra giao dịch là thông qua một số giao dịch tổ tiên, nó khớp với điểm đầu ra từ giao dịch cơ sở tài sản đúc ban đầu. Các giao dịch chỉ định một giá trị không đáp ứng bất kỳ điều kiện nào đều không hợp lệ.

Sơ đồ 5. Các mã định danh duy nhất được khởi tạo bằng cách khớp với điểm đầu ra của một trong các đầu ra đang được chi tiêu, sau đó được duy trì miễn là ít nhất một trong các đầu ra đang được chi tiêu chứa cùng một mã định danh duy nhất trong nội dung tập lệnh.

Hướng dẫn lập trình đơn giản này cung cấp một mã định danh duy nhất có thể được sử dụng làm tham chiếu ổn định để tạo các quy tắc nâng cao. Ví dụ, các loại tiền xu khác nhau, tài sản kỹ thuật số, giờ đây có thể phụ thuộc vào các loại tiền xu khác. Vì tất cả dữ liệu đều cục bộ đối với giao dịch, thông qua các giao dịch đầu vào cha mẹ trực tiếp của nó, nên khách hàng và dịch vụ có thể dễ dàng xác thực tính xác thực của tài sản kỹ thuật số trong thời gian và không gian hằng số O(1), tránh nhu cầu về một dịch vụ đáng tin cậy.

5. Chứng minh bằng quy nạp
Có thể tạo ra các mã định danh duy nhất theo một cách thay thế và cũng cung cấp một cơ chế cho các bằng chứng cảm ứng toán học [5] bằng cách sử dụng thuật toán băm giao dịch đã sửa đổi. Bằng cách cho phép các tập lệnh đầu vào chấp nhận giao dịch cha đang được chi tiêu, các quy tắc có thể xác minh rằng cha và ông bà của nó tuân thủ các quy tắc bắt buộc. Vấn đề rõ ràng là khi mỗi bản sao đầy đủ của các giao dịch cha được nhúng, một vụ nổ kích thước theo cấp số nhân xảy ra và ngăn cản việc sử dụng kỹ thuật này một cách thực tế. Điều cần thiết là một cách để nén giao dịch, để có thể sử dụng một cấu trúc dữ liệu có kích thước cố định thay vì yêu cầu toàn bộ nội dung giao dịch.

Biểu đồ 6. Xác thực toàn bộ giao dịch cha, chứng minh quy nạp toán học bằng cách nhúng toàn bộ giao dịch cha vào các đầu vào dẫn đến tăng kích thước giao dịch theo cấp số nhân.

Chúng ta có thể thực hiện điều này bằng cách sửa đổi thuật toán băm giao dịch được sử dụng trong Bitcoin, trong đó một bản tóm tắt sha-256 kép được tính toán từ giao dịch được tuần tự hóa, thành một phiên bản mới tóm tắt nội dung giao dịch trước để lấy băm. Chúng tôi giới thiệu thuật toán băm giao dịch phiên bản 3, để phân biệt với việc sử dụng phiên bản 1 và phiên bản 2 trong Bitcoin. Quá trình này là băm từng trường hoặc thành phần của giao dịch thành một băm trung gian, có thể được sử dụng làm đầu vào có kích thước cố định và do đó tránh được sự tăng trưởng theo cấp số nhân của kích thước giao dịch.

Chúng tôi sử dụng cấu trúc dữ liệu 112 byte sau, thay vì các byte giao dịch được tuần tự hóa hoàn chỉnh, sau đó được băm kép theo thuật toán sha-256 để cuối cùng thu được giá trị băm giao dịch.

Trường tiền ảnh băm của giao dịch phiên bản 3:

nVersion(=3) của giao dịch (little endian 4 byte)
nTotalInputs (4 byte little endian)
hashPrevoutInputs (băm 32 byte)
hashSequence (băm 32 byte)
nTotalOutputs (4 byte little endian)
hashOutputHashes (băm 32 byte)
nThời gian khóa của giao dịch (little endian 4 byte)
Bằng cách sử dụng thuật toán băm giao dịch cho các giao dịch phiên bản 3, chúng tôi có thể nhúng giao dịch cha và giao dịch ông bà vào từng bước của phép chứng minh cảm ứng toán học để ngăn chặn việc tăng kích thước giao dịch và có thể thực thi bất kỳ quy tắc nào cần thiết.

Sơ đồ 7. Xác minh thực thi giao dịch được nén, chứng minh quy trình tải học bằng cách nhúng bản dịch băm thứ 3 của cấu hình tiền tệ dữ liệu cấu trúc của cha và ông bà để thực hiện quy tắc và tắt tùy chọn ý.
6. Mạng lưới
Mạng cấu trúc là một sơ đồ gần như hoàn chỉnh, trong đó mọi Nút khai thác đều được kết nối với mọi Nút khai thác khác. Các bước để chạy mạng giống như Bitcoin, với một số điểm khác biệt cho các loại nút khác nhau: Nút khai thác, Nút tác nhân, Nút lưu trữ. Mining Node là nhà sản xuất bản tích cực của các khối và duy trì sự đồng thuận với tất cả các nút khác, Archive Node phục vụ lịch sử dữ liệu khối và Agent Node được thiết kế để lọc các khối và theo dõi giao dịch những ứng dụng nào chúng phục vụ quan tâm. Archive Node và Agent Node có thể hoạt động trên cùng một hàng ngang mạng nhưng không tạo ra khối. Các Non-Mining Node như Archive Node và Agent Node đôi khi được gọi là "nút nghe" để phân biệt vai trò của chúng trong mạng.

Sơ đồ 8. Các nút khai thác được kết nối tốt và xây dựng trên các khối của nhau. Các nút lưu trữ lưu trữ các khối hoàn chỉnh để phân tích lịch sử và mục đích khởi động. Các nút tác nhân là các nút lắng nghe lọc và lưu trữ các giao dịch để phục vụ khách hàng.

Các nút khai thác được kết nối tốt thành một đồ thị gần như hoàn chỉnh giữa các nút khai thác khác. Nhiệm vụ của chúng là xây dựng trên các khối của nhau và duy trì sự đồng thuận cho vài trăm khối gần đây nhất và duy trì bộ UTXO để ngăn chặn chi tiêu gấp đôi.

Agent Nodes chỉ cần lưu trữ một tập hợp các giao dịch, ví dụ, một loại tiền cụ thể hoặc tài sản kỹ thuật số. Ngay cả với các khối lớn, Agent Node có thể nhanh chóng lọc các giao dịch theo tham chiếu hoặc chuỗi byte cụ thể, sau đó lưu trữ các giao dịch đó để phục vụ thông qua giao diện lập trình ứng dụng. Giữa các tác nhân hợp tác, một hàm băm gốc Merkle Tree có thể được công bố công khai cho các giao dịch trong mỗi khối khớp với một mẫu được xác định trước để báo hiệu cho các Agent và người tiêu dùng khác về các giao dịch mà Agent đã xử lý.

Archive Nodes được sử dụng để tạo bản sao lưu của toàn bộ khối cho nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm kho dữ liệu, phân tích và học máy. Vì Archive Nodes không tham gia trực tiếp vào khai thác nên chúng không có cùng yêu cầu về hiệu suất thời gian thực và băng thông như Mining Nodes hoặc Agent Nodes.

7. Tính toán
Chúng tôi xem xét kịch bản trong đó mạng Radiant tiếp tục phát triển và những gì nó đòi hỏi đối với các yêu cầu xử lý của Mining, Archive và Agent Nodes. Để so sánh, tại thời điểm viết bài, có khoảng 83 triệu đầu ra giao dịch chưa sử dụng cho chuỗi khối Bitcoin, tổng cộng khoảng 6 GB dữ liệu cần thiết để ngăn chặn chi tiêu gấp đôi. Chỉ cần vài trăm khối gần đây nhất được Mining Nodes lưu giữ, với các khối cũ hơn có sẵn từ Archive Nodes. Đối với Agent Nodes, cần phải giữ phân vùng có liên quan của các đầu ra giao dịch chưa sử dụng liên quan đến các ứng dụng mà chúng phục vụ, khả năng mở rộng là một chức năng của băng thông chứ không phải yêu cầu lưu trữ.

Đối với mục đích của chúng tôi, chúng tôi giả định rằng sẽ có các khối có kích thước 3 GB cứ sau 5 phút được đóng dấu thời gian và phân phối trên toàn mạng, hoặc khoảng 20.000 giao dịch mỗi giây với kích thước giao dịch trung bình là 500 byte, hoặc khoảng 6.000.000 giao dịch mỗi khối. Chúng tôi chỉ ra rằng đối với mỗi loại nút, mạng có thể mở rộng quy mô đủ để đáp ứng nhu cầu toàn cầu. Điều này tương đương với khoảng 1 giao dịch cứ sau 5 ngày cho mỗi người trong số 8 tỷ người trên hành tinh.

Khai thác các nút
Mining Nodes là loại node duy nhất được xây dựng dựa trên các khối của nhau. Để duy trì sự đồng thuận, chỉ cần đồng bộ hóa tập hợp đầu ra giao dịch chưa sử dụng (UTXO) và chỉ duy trì khoảng một trăm khối cuối cùng. Tại thời điểm viết bài, ổ đĩa thể rắn hàng hóa hiệu suất cao có khả năng đạt tới 120.000 IOPS, với chi phí khoảng 500 đô la Mỹ cho 280 GB và do đó có thể xử lý khoảng 20.000 giao dịch mỗi giây (giả sử mỗi giao dịch có 2 đầu vào và 2 đầu ra). Có 2 lần đọc cho đầu vào, 2 lần cập nhật cho đầu vào và 2 lần ghi cho đầu ra mới: 120.000 / 6 = 20.000 giao dịch/giây.

Các nút lưu trữ
Archive Nodes cung cấp dữ liệu khối lịch sử và phù hợp với các ứng dụng học máy, phân tích và kho dữ liệu. Archive Nodes có thể bổ sung cho việc khởi động của Mining Nodes và chạy các kiểm tra tính nhất quán định kỳ trên bộ UTXO. Tại thời điểm viết bài, ổ cứng hàng hóa 18 TB có giá khoảng 350 USD. Giả sử 3 GB dữ liệu cứ sau 5 phút thì tương đương với 732 GB yêu cầu lưu trữ dữ liệu mỗi ngày hoặc khoảng 22 TB mỗi tháng. Chi phí phần cứng trong một năm là 15 ổ cứng, với dung lượng 18 TB, với chi phí gia tăng hàng năm là 5.000 USD.

Các nút đại lý
Agent Nodes mở rộng quy mô dễ dàng nhất trong số các loại nút vì chúng chỉ xử lý các loại giao dịch có liên quan cho các ứng dụng mà chúng phục vụ. Do đó, Agent Nodes có thể dao động từ máy chủ web đến thiết bị IoT nhẹ với khả năng xử lý và lưu trữ hạn chế, nhưng vẫn giữ được sự bình yên với các khối 3 GB hoặc 20.000 giao dịch mỗi giây. Ví dụ, một công ty có thể muốn theo dõi việc sử dụng điểm trung thành của mình, được tạo dưới dạng tài sản kỹ thuật số và do đó chỉ cần chọn một tập hợp con nhỏ các bản cập nhật giao dịch từ mỗi khối khớp với mã định danh duy nhất cho loại tiền đó.

Vào thời điểm viết bài, một thiết bị điện toán thương mại, Raspberry Pi 4, được bán với giá khoảng 275 đô la Mỹ, có bộ xử lý quadcore 1,5 GHZ và RAM 4 GB, có thể được sử dụng để lọc nhanh và loại bỏ các giao dịch không liên quan, với tốc độ 5.000 giao dịch trên mỗi lõi. Tất nhiên, đây chỉ là một ví dụ về việc xử lý các khối lớn hợp lý như thế nào, trong một ứng dụng web thông thường có thể có nhiều lõi hơn.

Tốc độ băng thông trung bình của 25 quốc gia hàng đầu vượt quá 100 MBPS, hoặc khoảng 10 MB/giây tải xuống, với nhiều nhà cung cấp dịch vụ internet cung cấp tải xuống không giới hạn. Yêu cầu băng thông cho các khối 3 GB mỗi 5 phút là khoảng 10 MB/giây, tổng cộng là 22 TB mỗi tháng. Phân cấp của các nút đại lý cũng có thể được tạo để lọc xuống tổng yêu cầu băng thông cho các nút đại lý có dung lượng băng thông thấp hơn.

8. Kết luận
Chúng tôi đã đề xuất một hệ thống quản lý tài sản kỹ thuật số mà không cần dựa vào lòng tin. Chúng tôi bắt đầu với các khối xây dựng cơ bản của tiền xu được tạo ra từ chữ ký số, cung cấp khả năng kiểm soát quyền sở hữu mạnh mẽ. Từ các quy tắc và động lực cần thiết, chúng tôi đã giới thiệu hai phương pháp mới để xác thực và theo dõi tài sản kỹ thuật số trong thời gian và không gian O(1) không đổi. Cả hai phương pháp đều cung cấp một hệ thống chứng minh cảm ứng toán học chung một cách độc lập, có thể mã hóa bất kỳ cấu hình tài sản kỹ thuật số nào có thể. Hệ thống này là Turing Complete trong và giữa các ranh giới giao dịch, không cần các lớp thứ cấp. Radiant là một thiết kế đột phá cung cấp các lợi ích về hiệu suất và tính song song của chuỗi khối đầu ra giao dịch chưa chi (UTXO), nhưng có khả năng hợp đồng của chuỗi khối dựa trên tài khoản dựa trên Máy ảo Ethereum (EVM).