有向无环图（Directed Acyclic Graph, DAG）是一种重要的数据结构，近年来在电子货币和分布式账本技术中展现出巨大潜力。与传统的区块链结构不同，DAG通过其独特的拓扑特性，为解决扩容、效率和能耗问题提供了新思路。
DAG 基础概念解析
DAG，全称“有向无环图”，是指一种由顶点和有向边组成，且不存在任何环路的图结构。
从任意顶点出发，沿有向边经过若干条边后，无法回到起始顶点，即构成有向无环图。
DAG具有以下特点：
- 不一定能转化为树，但树一定属于DAG
- 支持拓扑排序，可确定顶点之间的依赖与顺序关系
DAG 的基本工作原理
一个常被用来理解DAG共识过程的比喻是：
教授安排学生互评作业。规则要求每位学生在提交自己的作业前，必须批改两份已提交的作业。只有完成批改，自己的作业才能被接收。
这个过程模拟了DAG中交易确认的协作与依赖机制。
DAG 相较于区块链的优势
传统区块链技术面临若干挑战，DAG试图从以下角度提出改进：
- 效率提升：解决低TPS（每秒交易处理数）问题，支持更高并发
- 增强确定性：降低51%算力攻击风险，并对量子计算威胁有一定抗性
- 去中心化增强：避免算力集中和矿工垄断，促进更公平参与
- 能耗降低：改变竞争性挖矿机制，显著减少能源消耗
DAG 在电子货币中的实现方式
在分布式账本中，DAG的每个顶点代表一个交易或一个区块。系统没有单一主链，允许节点异步产生新区块，每个交易就是一个区块，通过多指向引用形成网络结构。这种设计具有较强的扩展性——参与者越多，系统总体安全性越高，交易确认速度也可能越快。
目前，具代表性的DAG电子货币项目主要包括IOTA、Byteball和Nano。
IOTA 的 Tangle 结构
IOTA采用名为“Tangle”的DAG结构。其特点包括：
- 新交易需要选择并验证两个先前交易（父顶点），并完成少量工作量证明（PoW）
- 通过交易确认度（权重）机制防止双花，子顶点数量多的父顶点权重更高
- 早期通过“协调器”（Coordinator）提供中心化保护，以确保网络初期安全
Nano 的点阵架构
Nano（原Raiblocks）采用独特的块点阵（Block-Lattice）结构：
- 每个用户拥有自己的链，仅处理与该账户相关的交易
- 交易分为发送和接收两种类型，异步更新到账本
- 支持预先完成PoW，提升交易速度，但对提前挖矿攻击的防护机制尚不完善
Byteball 的见证人机制
Byteball的共识依赖见证人节点：
- 明确一条公认的主链，其他交易顶点附着于主链
- 设立12个见证人节点，通过投票机制决定主链选择
- 被见证次数最多的交易顶点被确定为主链部分，防止影子链攻击
除上述项目外，也有如Vite、CyberVein等项目尝试通过分组、分级DAG结构或新的共识算法进一步提升安全性及支持智能合约。
DAG 的共识算法与发展
DAG的共识算法多由DAGLabs等研究机构推动，近年来涌现多种方案：
- 早期方案：如Inclusive、Spectre，其中Spectre支持PoW机制
- 新近发展：如Phantom通过对交易排序支持智能合约的高并发处理；Avalanche结合经典BFT与DAG，提出高度可扩展的共识协议
DAG 中的挖矿与安全机制
在传统区块链中，挖矿需要竞争打包权，共识与交易生成分离，易导致中心化。DAG尝试改变这一模式：
- 交易即挖矿：每位交易者同时参与验证他人交易，实现更广泛参与
- 无手续费设计：通过交易者自行完成PoW，消除交易费用
- 安全增强：多层多块结构使分叉攻击更难成功，节点自动识别并信任子顶点更多的链
然而，DAG也面临特定攻击向量，如攻击者可能构建影子链并秘密与主链嫁接，在某些情况下甚至可能取代主链共识。
DAG 对智能合约的支持
智能合约是DAG生态发展的关键方向之一：
- Constellation：使用交易序列支持智能合约，采用Scala语言编写合约逻辑
- Off-chain方案：如Hashgraph结合微服务、Docker容器等技术实现链下智能合约
- 分组结构：如Vite通过共识组、快照组等多层DAG结构平衡效率与安全性
应用总结
DAG通过见证人优化、分组权重、异步交易验证等机制，为高并发、低费用的交易场景提供了新架构。目前，该技术仍处于发展初期，共识机制持续演进，在物联网（IoT）、微支付等特定领域具有广阔前景。
常见问题
DAG 如何防止垃圾交易拥堵网络？
部分DAG项目采用Gossip协议（如Hashgraph的Gossip about Gossip）来高效传输数据，极大降低带宽占用，减少网络拥堵和垃圾交易的影响。
号称千万级TPS是如何实现的？
高TPS常通过多层扩展实现，例如结合多条侧链并行处理（每条链处理一定量交易），再通过多线程技术进一步提升整体吞吐量。实际性能取决于网络条件和实现细节。
IOTA 和 Nano 的容错率如何？
IOTA通过交易被确认的次数来计算置信度，达到一定次数（如100次）后可视为数学上高度安全。Nano因结构相对新颖，容错机制和安全性仍在不断完善中。
为什么有人说 IOTA 是中心化的？
IOTA在早期发展中采用名为“协调器”的中心化节点，定期发布里程碑交易以确保网络不会回滚。该机制是临时安全措施，未来计划逐步去除，以实现完全去中心化。
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