共識(shí)協(xié)議是當(dāng)前區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)最重要的部分之一，并已經(jīng)由最早的PoW衍生出PoS與DPoS等諸多共識(shí)協(xié)議。

不過(guò)當(dāng)前行業(yè)所面臨的問(wèn)題是，技術(shù)的不斷進(jìn)步與用戶(hù)需求的提升會(huì)要求區(qū)塊鏈共識(shí)協(xié)議做出一定的改進(jìn)，但這往往相當(dāng)困難，以太坊就是最典型的案例。

本文闡述了共識(shí)協(xié)議的特性與行業(yè)進(jìn)展，提出共識(shí)協(xié)議自我調(diào)整的可能方案，希望對(duì)大家有所啟發(fā)。

新的基礎(chǔ)設(shè)施涌現(xiàn)出新的技術(shù)，而新技術(shù)中所帶來(lái)的欲望則孕育著技術(shù)的自否定。原有的基礎(chǔ)設(shè)施終因無(wú)法再滿(mǎn)足欲望所需而被遺棄，在新的技術(shù)與欲望的共同推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)變革。

人類(lèi)本身就是在不斷迭代的環(huán)境中自我進(jìn)化，不斷適應(yīng)新的技術(shù)和掌握新的技能，若無(wú)法學(xué)習(xí)和成長(zhǎng)，自然被淘汰。而技術(shù)本身也是，若技術(shù)無(wú)法跟上時(shí)代發(fā)展的步伐，技術(shù)本身也會(huì)被超越，被淘汰。

公鏈和圍繞公鏈形成的生態(tài)就如同一個(gè)社會(huì)體系，很多時(shí)候整個(gè)社會(huì)不是不想快速前進(jìn)，而是需要一個(gè)保守的方式，以穩(wěn)定和安全為第一優(yōu)先級(jí)，盡量用最小化的變動(dòng)完成對(duì)新情況的適應(yīng)。

我們必須承認(rèn)區(qū)塊鏈?zhǔn)穷?lèi)似硬件的軟件，回顧這項(xiàng)技術(shù)并不長(zhǎng)的歷史，我們已經(jīng)明顯感受到它這一項(xiàng)弱點(diǎn)：每一次分叉都是對(duì)整個(gè)社區(qū)的一種沖擊。比如，以太坊從 2015 年至今，經(jīng)歷了三次分叉：

· Homestead 分叉，通過(guò)了 3 個(gè) EIP；

· Byzantium 分叉，通過(guò)了 8 個(gè) EIP；

· Constantinople 分叉，通過(guò)了 5 個(gè) EIP。

而 GitHub 中的正在討論的 EIP 還有上千個(gè)。

每次分叉都是在千萬(wàn)個(gè)需求中艱難地做抉擇，找到當(dāng)下最必要的幾個(gè)需求做出改進(jìn)，并在社區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的探討。以太坊的核心開(kāi)發(fā)者要清楚智能合約平臺(tái)目前面臨的情況，調(diào)查開(kāi)發(fā)者們的需求，評(píng)估每一個(gè)協(xié)議改進(jìn)對(duì)以太坊本身的影響；而且在一個(gè)開(kāi)源的體系中，每一次改進(jìn)都會(huì)有諸多的安全問(wèn)題。

如最新的君士坦丁堡分叉，SSTORE 指令的改進(jìn)在最后關(guān)頭被 ChainSecurity 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)漏洞，是一個(gè)原本不會(huì)出現(xiàn)、但是改進(jìn)之后牽扯到其他代碼帶來(lái)的可重入漏洞問(wèn)題。對(duì)于一個(gè)如此龐大的開(kāi)源生態(tài)，在不斷權(quán)衡升級(jí)的利弊之后，你還不得不在升級(jí)之前在測(cè)試網(wǎng)反復(fù)進(jìn)行測(cè)試來(lái)確保安全性，確保任何指令不會(huì)由于本次對(duì)代碼的修改造成其他后果。

但是現(xiàn)實(shí)情況就是，技術(shù)是不斷進(jìn)步的，不斷會(huì)有新的硬件設(shè)施、軟件技術(shù)，會(huì)有全新的需求，要求區(qū)塊鏈協(xié)議做出一定的改進(jìn)。最理想的方式是區(qū)塊鏈能夠足夠的底層、足夠靈活、足夠簡(jiǎn)單，在需要升級(jí)的時(shí)候能夠盡可能避免過(guò)多的變動(dòng)。

協(xié)議是否能夠自我調(diào)整？

若協(xié)議能夠自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的變化，擁有某種類(lèi)似自我進(jìn)化的能力，是否能夠極大程度改善這一點(diǎn)？在這其中，共識(shí)的設(shè)計(jì)關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算能力，是其中關(guān)鍵的一個(gè)部分。

比特幣是目前運(yùn)行最久的區(qū)塊鏈，已經(jīng)運(yùn)行了十年，而十年前和十年后，帶寬水平發(fā)生了巨大的變化。

如同上圖中這個(gè)研究所指出的，鏈接到網(wǎng)絡(luò)中的比特幣 IPv4 節(jié)點(diǎn)在 2016 年時(shí)帶寬中位數(shù)為 33 Mbit/s，在 2017 年 2 月，這個(gè)數(shù)字達(dá)到了 56 Mbit/s。而比特幣的最大吞吐量至今沒(méi)有太大的改觀。

那是否有能力來(lái)讓共識(shí)算法能夠根據(jù)環(huán)境調(diào)節(jié)自己的吞吐量，而不需要通過(guò)分叉等方式進(jìn)行升級(jí)呢？這里有兩個(gè)規(guī)律我們需要去了解，雖然規(guī)律是對(duì)歷史的總結(jié)，但是某種程度上我們可以用這些規(guī)律預(yù)測(cè)未來(lái)。

1）摩爾定律 Moore’s Law：也就是集成電路性能18-24個(gè)月翻倍，同樣的，存儲(chǔ)器也是遵循同樣的規(guī)律。也有表述稱(chēng)每年增長(zhǎng) 60%。

2） Nielsen‘s Law：這是一個(gè)和帶寬水平有關(guān)的定律，大致意思是用戶(hù)的帶寬每年增長(zhǎng) 50%。相對(duì)于摩爾定律每年 60% 的計(jì)算速度增長(zhǎng)速率，帶寬增長(zhǎng)速率慢大約 10 %。

上圖是 1983 年到 2018 年帶寬的變化曲線，注意豎軸是 Log10，所以我們也能夠看到帶寬的增長(zhǎng)也是指數(shù)形式增長(zhǎng)的。

在 Nervos 共識(shí)研究員張韌之前的分析中，我們知道衡量區(qū)塊鏈共識(shí)協(xié)議的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是帶寬利用率。帶寬提高是節(jié)點(diǎn)間通信水平的提升，意味著共識(shí)會(huì)更加高效。

而共識(shí)協(xié)議是一開(kāi)始就寫(xiě)死的，如果需要修改則要進(jìn)行分叉。比特幣、以太坊如果需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況提高自己的吞吐量，需要的是開(kāi)發(fā)者對(duì)網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行估計(jì)，權(quán)衡效率和安全，然后采用一種保守的方案對(duì)協(xié)議進(jìn)行升級(jí)。

升級(jí)又是一件痛苦的事情，最好的情況是：設(shè)計(jì)一種共識(shí)機(jī)制能夠根據(jù)帶寬水平的提升「自我進(jìn)化」，來(lái)適應(yīng)帶寬增長(zhǎng)帶來(lái)的變化。

如何設(shè)計(jì)可以自我調(diào)整的共識(shí)協(xié)議

那么我們需要去思考，有沒(méi)有一個(gè)區(qū)塊鏈能夠感知的指標(biāo)，同時(shí)這個(gè)指標(biāo)能夠體現(xiàn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的情況。根據(jù)這個(gè)指標(biāo)協(xié)議能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自己的吞吐量？

在 PoW 共識(shí)協(xié)議的研究中，有一個(gè)很重要的概念是孤塊。

百度百科的定義是：在比特幣協(xié)議中，最長(zhǎng)的鏈被認(rèn)為是絕對(duì)的正確。如果一個(gè)塊不是最長(zhǎng)鏈的一部分，那么它被稱(chēng)為是「孤塊」。一個(gè)孤立的塊是一個(gè)塊，它也是合法的，但是發(fā)現(xiàn)的稍晚，或者是網(wǎng)絡(luò)傳輸稍慢，而沒(méi)有能成為最長(zhǎng)的鏈的一部分。在比特幣中，孤塊沒(méi)有意義，隨后將被拋棄，發(fā)現(xiàn)這個(gè)孤塊的礦工也拿不到采礦相關(guān)的獎(jiǎng)勵(lì)。

以比特幣為例，一個(gè)在中國(guó)的礦工很幸運(yùn)的在上個(gè)區(qū)塊出塊之后的 9 分鐘的時(shí)候挖到了區(qū)塊，然后他很開(kāi)心地開(kāi)始廣播這個(gè)區(qū)塊。但是這個(gè)區(qū)塊花了幾十秒還是沒(méi)有廣播到美國(guó)的礦工，十分鐘的時(shí)候美國(guó)的礦工發(fā)現(xiàn)了同樣高度的區(qū)塊，也開(kāi)始廣播。

隨著兩個(gè)區(qū)塊通過(guò)比特幣的 P2P 協(xié)議不斷廣播開(kāi)來(lái)，這時(shí)候大家會(huì)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)里有兩個(gè)相同高度的區(qū)塊，這時(shí)候比拼的就是全網(wǎng)算力的支持，一部分算力認(rèn)可北美礦工的區(qū)塊，根據(jù)這個(gè)區(qū)塊所在的鏈進(jìn)行挖礦，另一個(gè)則在中國(guó)礦工所在鏈上挖礦，這時(shí)候就是產(chǎn)生了分叉。

在隨后的幾個(gè)區(qū)塊競(jìng)爭(zhēng)中，雙方陣營(yíng)的礦工必然有一個(gè)先搶出塊權(quán)，成為最長(zhǎng)鏈，而后根據(jù)最長(zhǎng)鏈原則，最后只能有一條最長(zhǎng)鏈被所有礦工接受，結(jié)束分叉。另一條被遺棄的鏈上面的區(qū)塊就是孤塊。

孤塊就是因?yàn)閹捪拗飘a(chǎn)生的延遲，礦工沒(méi)有收到新的區(qū)塊而自己出塊產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)，而這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)必然帶來(lái)一方礦工的損失。并且短暫的分叉其實(shí)也是損害了網(wǎng)絡(luò)的安全性，這也是我們應(yīng)該避免的。如果我們能夠假設(shè)帶寬無(wú)限好，區(qū)塊出塊能夠瞬間無(wú)縫廣播出去，那么就不會(huì)存在這樣的競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)孤塊，沒(méi)有人損失，也不會(huì)產(chǎn)生安全上的問(wèn)題。

而孤塊是區(qū)塊鏈能夠感知的，我們可以用全網(wǎng)的孤塊率作為指標(biāo)，來(lái)評(píng)估目前網(wǎng)絡(luò)帶寬情況。孤塊率低的時(shí)候意味著網(wǎng)絡(luò)情況良好，沒(méi)有太多的出塊競(jìng)爭(zhēng)，高的時(shí)候則表示網(wǎng)絡(luò)情況太差，需要調(diào)高出塊難度，提高出塊間隔避免密集的出塊產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。因此設(shè)置一個(gè)合理的孤塊率作為指標(biāo)，協(xié)議根據(jù)當(dāng)前孤塊率，對(duì)比這個(gè)指標(biāo)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)出塊難度會(huì)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

帶寬利用率是評(píng)估共識(shí)效率的重要指標(biāo)。在孤塊率較低的時(shí)候，這意味著網(wǎng)絡(luò)情況良好，能夠承載更多的吞吐量。因此這時(shí)候可以降低出塊難度，降低出塊間隔，提高吞吐量，更好地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。

孤塊率較高的時(shí)候，意味著網(wǎng)絡(luò)情況比較差，這時(shí)候可以提高出塊難度，提高出塊間隔，降低吞吐量。

這樣，通過(guò)設(shè)定孤塊率調(diào)節(jié)吞吐量，隨著未來(lái)帶寬水平的提升，協(xié)議也能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況的優(yōu)化提高吞吐量來(lái)適應(yīng)未來(lái)的發(fā)展和變化，在保證一定安全性的同時(shí)，充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。

在張韌博士的設(shè)計(jì)中，就采用了這樣的設(shè)計(jì)思路。

張韌因?yàn)閷?duì) Bitcoin Unlimited 漏洞的研究，被 Blockstream 邀請(qǐng)實(shí)習(xí)，實(shí)習(xí)期間和 Pieter Wuille 和 Greg Maxwell 對(duì)目前所有的 PoW 共識(shí)機(jī)制作出研究。目前張韌在魯汶大學(xué) COSIC 實(shí)驗(yàn)室?guī)煆?Bart Preneel ，并和導(dǎo)師完成了研究論文《Lay Down the Common Metrics： Evaluating Proof-of-Work Consensus Protocols’ Security》，近期該論文被頂級(jí)會(huì)議 IEEE S&P 收錄。

在他的設(shè)計(jì)中，在每一個(gè)難度周期根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的孤塊率（孤塊的信息會(huì)被打包到區(qū)塊中用于統(tǒng)計(jì)和計(jì)算）動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)難度，從而調(diào)節(jié)出塊間隔。這個(gè)共識(shí)協(xié)議的設(shè)計(jì)在比特幣 Nakamoto Consensus（即中本聰共識(shí)） 的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，能夠在不損失安全性的同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量 —— 我們稱(chēng)這個(gè)共識(shí)算法為NC-Max，我們希望它能夠突破 Nakamoto Consensus 的吞吐量極限。

當(dāng)然細(xì)心的讀者可能會(huì)想到兩個(gè)問(wèn)題：

1）出塊獎(jiǎng)勵(lì)如何計(jì)算？

出塊間隔是變化的，出塊獎(jiǎng)勵(lì)其實(shí)也是變化的。但是在一個(gè)難度調(diào)節(jié)周期，總出塊獎(jiǎng)勵(lì)保持不變。

2）吞吐量提高之后，是否有存儲(chǔ)的問(wèn)題？交易速度提高了，交易產(chǎn)生的存儲(chǔ)需求也會(huì)增加。

很巧的是，根據(jù)之前提到的 Moore’s Law 以及 Nielsen’s Law ，帶寬增長(zhǎng)速度略慢于存儲(chǔ)水平的提升。因此，在帶寬提升、吞吐量提升的同時(shí)，計(jì)算能力和儲(chǔ)存能力會(huì)不斷跟上甚至超越，不會(huì)出現(xiàn)由于 TPS 過(guò)高對(duì)計(jì)算能力的要求而需要更強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，損失去中心化。

另外，在 NC-Max 的設(shè)計(jì)中，除了采用動(dòng)態(tài)調(diào)整出塊間隔和區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)來(lái)提升帶寬利用率以外，還有兩個(gè)設(shè)計(jì)亮點(diǎn)：

1）采用兩步交易確認(rèn)來(lái)降低孤塊率：交易首先會(huì)提交交易的編號(hào)（編號(hào)是完整交易的 hash 值，和交易一一對(duì)應(yīng)）在區(qū)塊的交易提案區(qū)進(jìn)行共識(shí)，之后只有經(jīng)過(guò)提案的交易才能完整發(fā)送，從而能夠一定程度降低孤塊率；

2）在難度調(diào)整的時(shí)候考慮周期中所有的區(qū)塊，包括孤塊，來(lái)抵御「自私挖礦」攻擊。

總的來(lái)看，共識(shí)協(xié)議的自我調(diào)整會(huì)受到行業(yè)越來(lái)越多的關(guān)注，其解決方案也會(huì)越來(lái)越多。