Conflux研究院|交易转发中的带宽优化（下）

我们先来回顾一下上一期讲到的交易转发中带宽优化的问题。

回顾

一个节点将一笔交易转发给另一个节点时，为了节约带宽，可以发送这笔交易的 FID (Forwarding ID) 而不是直接发送完整的交易，由接受者根据 FID 判断是否需要向发送者请求完整的交易。我们的目标是将 FID 的长度降低到 4 个字节。

上一期的最后部分还提到如果每笔交易的 FID 固定不变，则攻击者可以用不高的成本阻塞特定交易的广播。基本方法是攻击者先构造一个覆盖所有 232 个可能的 FID 的交易库，当受害者发出一笔交易时，攻击者从交易库里选择具有相同 FID 的交易并抢先发送给其他节点，从而使其他节点都误以为已经收到了受害者交易，而选择不接收完整交易。

为了解决静态 FID 易被攻击阻塞的问题，我们将 FID 的取值由静态转变成动态的。因为 FID 只是在节点与节点之间转发交易时的临时取值，与共识逻辑无关也不需要被记录在区块链上，所以 FID 值没有必要是一个不变的数值。

考虑如下方案：

每个节点在计算 FID 时，并不仅仅由交易的 ID （交易的 32 字节哈希值）计算，而是选择一个随机数 r，通过 ID 和 r 共同计算出一个 4 字节的 FID，并将r 与 FID一同发送。这样，当随机数 r 改变时，交易的 FID 也会随之发生改变，收到 FID 和 r 的节点需要根据 r 重新计算已有交易的 FID 来完成对比，并确定需要请求哪些 FID 对应的完整交易。因为一次转发的多笔交易可以共享同一个随机数 r， 所以这个随机数 r 几乎不会在带宽上带来额外的负担。

由于 r 的随机性，攻击者并不能预计一笔交易在每次转发时选择的 r 和由此算出的 FID 分别是多少，自然也就无法预先构造冲突的交易了。

这个设计的另一个好处是，即便节点 B 给节点 A 发送交易时发生了 FID 值冲突，导致某笔交易没有成功发送给节点 A，另一个节点 C 发送这笔交易给 A 时，大概率将采用不同的随机数 r 计算 FID，相当于增加了一次把这笔交易发给 A 的机会。

只要计算 FID 的过程足够随机（如使用伪随机函数），则 B 发送成功和 C 发送成功可看作是两个独立的事件。根据我们之前的计算，一笔交易因为 FID 值冲突而发送失败的概率是 0.04%，而节点 B 和 C 两次独立发送都失败的概率是 0.04% × 0.04%，失败率大大降低。

然而，从随机数计算 FID 的设计也有一个缺点：每当节点收到一个新的随机数 r 时，就要为所有已经收到的交易（根据上一期的假设，全节点会将过去 5 分钟内收到的 180 万条交易和刚刚收到的 FID 对比）重新算一遍 FID，这会带来了极大的计算负担。

现在我们有两种不甚满意的方案：

静态的 FID 方案在一些攻击策略下有安全性问题，而完全随机的动态的 FID 方案又有计算负担过大的问题。如何同时解决两边的问题呢？

我们选择了一种静态和动态相结合的方案：?FID 由 3 个静态字节和 1 个动态字节构成。其中静态字节部分直接取交易 ID (即交易 32 字节的完整哈希值)的前 3 字节，动态字节由交易 ID 和 r 共同计算得出。

这样，根据交易 ID 的前 3 字节，我们把所有的交易放在了 224 个“桶”里。每次一个节点收到其他节点发来的 FID 和 r 时，先根据 FID 的前 3 字节判断交易所在的桶，再将自己已经收到的，落在这个桶里交易根据 r 重新计算 FID 值并比对。

简单地计算可以发现，对于 180 万条随机生成的交易，平均每个桶里只有 0.1 笔交易，即使是含有交易最多的桶里也不会超过10 条。重新计算一个桶里交易的 FID 所需花费的成本远远低于重新计算所有交易的 FID。

在上面这个 3+1 动静结合的方案下，攻击者其实仍然可以重复类似的攻击策略。之前的攻击策略中，攻击者为每一个静态的 FID 准备一笔交易。在这一策略中，攻击者为每个桶预先准备一些交易。当受害者的交易出现后，攻击者在短时间内大量广播与受害者交易在同一个桶里的交易，就能够降低受害者交易被转发到其他节点的概率。即使同一笔交易每次转发时采用一个完全随机的动态字节，但是这个动态字节只有 256 种可能的取值，所以一个桶中的交易越多，冲突概率也会越高。

为了应对上述攻击，我们引入了一个额外的规则：如果一个节点收到一个 FID 时，发现这个 FID 对应的桶里已经有不少于 10 条交易，就不再使用 FID 来判断，而是直接请求完整的 32 字节交易哈希值来对比是否接受过这笔交易。这样，攻击者就不能再通过制造冲突的 FID 来阻塞交易广播了，因为冲突过多的时候反而无法起到阻塞的作用。

这条额外的规则触发时会让交易转发退化到没有使用 FID 优化的情况。但是因为正常情况下每个桶里期望只有 0.1 笔交易，几乎不可能发生超过 10 笔交易落在同一个桶里的情况，所以这条额外的规则在系统没有遭到攻击时并不会被触发。而当系统真的遭到攻击的情况下，保护系统的安全性和稳定性才是最重要的，即便为此而降低系统的吞吐量也是可以接受的妥协。

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编译者/作者：Conflux中文社区

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