近年来，区块链技术迅速发展，成为金融、科技乃至政治领域的热门话题。随着比特币 ETF 的批准以及特朗普发行 meme 代币，加密货币和区块链的讨论达到了新高度。比特币作为首个区块链金融应用，采用了线性区块链结构——每个区块依次连接，严格按时间顺序排列，以确保交易记录的一致性。然而，这种线性结构虽然保障了数据一致性，但限制了系统的吞吐量和扩展性。因此，业界开始探索新的设计，其中基于有向无环图（DAG）的区块链架构成为重要的研究方向和实践尝试。

比特币网络依赖最长链原则（Longest Chain Rule），即当出现多个分叉时，所有诚实节点都会选择最长的链作为合法交易历史。这一原则有助于网络收敛，并降低交易回滚的可能性。理论上，只要攻击者控制的算力不超过 50%，他们的分叉就难以成为最长链。

然而，在实际应用中，这一机制存在安全隐患。当区块传播速度跟不上出块速度或网络延迟较大时，矿工可能会在不同区块的基础上继续挖矿，形成竞争链，导致算力分散。此时，恶意节点实施双花攻击所需的算力不必达到 50%，只需超过当前最大算力的分支即可。

此外，最长链原则导致其他分支最终被丢弃，而这些分支无法为区块链的安全性提供贡献，造成大量算力浪费。这种线性结构也限制了区块链性能的进一步提升。

图1. 最长链原则和 GHOST 协议

有向无环图（DAG, Directed Acyclic Graph）是一种常见的数据结构，其中每个节点可以有多个父节点，但不会形成有向环。在区块链应用中，DAG 使得交易或区块不再严格按照线性结构组织，而是可以指向多个前序交易或区块，从而形成复杂的交易图。DAG 允许多个区块同时生成并行处理交易，显著提升吞吐量并减少交易确认时间。

GHOST（Greedy Heaviest-Observed Sub-Tree）协议是首个采用 DAG 思想的区块链协议，由 Sompolinsky 和 Zohar 提出^[1]，并被以太坊改良后采用, 该协议使得被丢弃的子树仍可对区块链安全性和最终确认有所贡献。其核心思想是在选择主链时，不仅考虑链的长度，还权衡子树的总权重，选择包含最多区块的子树作为主链。这样可以减少算力分散导致的安全性下降，使攻击者更难绕过 50% 限制。

GHOST 协议是 DAG 结构的一个特例，仅允许每个节点引用一个父节点，因此仍然保留一定的线性区块链特性。

DAG 区块链的进一步发展采用了更通用的 DAG 结构，即新区块可以引用多个父区块，并且所有 DAG 上的区块均可视为账本的一部分。

Wang et al.（2023）^[2]在对 DAG 区块链系统的研究中，总结了三种主要的拓扑结构：

图2. DAG 区块链拓扑结构

[1] Y. Sompolinsky and A. Zohar, "Secure High-Rate Transaction Processing in Bitcoin."  Financial Cryptography 2015: 507-527.

[2] Wang, Qin, et al. "SoK: DAG-based blockchain systems." ACM Computing Surveys 55.12 (2023): 1-38.

图 | 叶昊洋