共識協(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等諸多共識協(xié)議。

不過當(dāng)前行業(yè)所面臨的問題是，技術(shù)的不斷進(jìn)步與用戶需求的提升會要求區(qū)塊鏈共識協(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。

本文闡述了共識協(xié)議的特性與行業(yè)進(jìn)展，提出共識協(xié)議自我調(diào)整的可能方案，希望對大家有所啟發(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)施終因無法再滿足欲望所需而被遺棄，在新的技術(shù)與欲望的共同推動下實(shí)現(xiàn)變革。

人類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，若無法學(xué)習(xí)和成長，自然被淘汰。而技術(shù)本身也是，若技術(shù)無法跟上時(shí)代發(fā)展的步伐，技術(shù)本身也會被超越，被淘汰。

公鏈和圍繞公鏈形成的生態(tài)就如同一個(gè)社會體系，很多時(shí)候整個(gè)社會不是不想快速前進(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，盡量用最小化的變動完成對新情況的適應(yīng)。

我們必須承認(rèn)區(qū)塊鏈?zhǔn)穷愃?a target="_blank">硬件的軟件，回顧這項(xiàng)技術(shù)并不長的歷史，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，通過了 3 個(gè) EIP；

· Byzantium 分叉，通過了 8 個(gè) EIP；

· Constantinople 分叉，通過了 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。以太坊的核心開發(fā)者要清楚智能合約平臺目前面臨的情況，調(diào)查開發(fā)者們的需求，評估每一個(gè)協(xié)議改進(jìn)對以太坊本身的影響；而且在一個(gè)開源的體系中，每一次改進(jìn)都會有諸多的安全問題。

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)原本不會出現(xiàn)、但是改進(jìn)之后牽扯到其他代碼帶來的可重入漏洞問題。對于一個(gè)如此龐大的開源生態(tài)，在不斷權(quán)衡升級的利弊之后，你還不得不在升級之前在測試網(wǎng)反復(fù)進(jìn)行測試來確保安全性，確保任何指令不會由于本次對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，不斷會有新的硬件設(shè)施、軟件技術(shù)，會有全新的需求，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、足夠簡單，在需要升級的時(shí)候能夠盡可能避免過多的變動。

協(xié)議是否能夠自我調(diào)整？

若協(xié)議能夠自動適應(yīng)環(huán)境的變化，擁有某種類似自我進(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有太大的改觀。

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

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，存儲器也是遵循同樣的規(guī)律。也有表述稱每年增長 60%。

2） Nielsen‘s Law：這是一個(gè)和帶寬水平有關(guān)的定律，大致意思是用戶的帶寬每年增長 50%。相對于摩爾定律每年 60% 的計(jì)算速度增長速率，帶寬增長速率慢大約 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也是指數(shù)形式增長的。

在 Nervos 共識研究員張韌之前的分析中，我們知道衡量區(qū)塊鏈共識協(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，意味著共識會更加高效。

而共識協(xié)議是一開始就寫死的，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，需要的是開發(fā)者對網(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協(xié)議進(jìn)行升級。

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

如何設(shè)計(jì)可以自我調(diào)整的共識協(xié)議

那么我們需要去思考，有沒有一個(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)議能夠動態(tài)調(diào)節(jié)自己的吞吐量？

在 PoW 共識協(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，最長的鏈被認(rèn)為是絕對的正確。如果一個(gè)塊不是最長鏈的一部分，那么它被稱為是「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，而沒有能成為最長的鏈的一部分。在比特幣中，孤塊沒有意義，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)的獎勵。

以比特幣為例，一個(gè)在中國的礦工很幸運(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，然后他很開心地開始廣播這個(gè)區(qū)塊。但是這個(gè)區(qū)塊花了幾十秒還是沒有廣播到美國的礦工，十分鐘的時(shí)候美國的礦工發(fā)現(xiàn)了同樣高度的區(qū)塊，也開始廣播。

隨著兩個(gè)區(qū)塊通過比特幣的 P2P 協(xié)議不斷廣播開來，這時(shí)候大家會發(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)塊競爭中，雙方陣營的礦工必然有一個(gè)先搶出塊權(quán)，成為最長鏈，而后根據(jù)最長鏈原則，最后只能有一條最長鏈被所有礦工接受，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，礦工沒有收到新的區(qū)塊而自己出塊產(chǎn)生了競爭，而這個(gè)競爭必然帶來一方礦工的損失。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)帶寬無限好，區(qū)塊出塊能夠瞬間無縫廣播出去，那么就不會存在這樣的競爭出現(xiàn)孤塊，沒有人損失，也不會產(chǎn)生安全上的問題。

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)，來評估目前網(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，沒有太多的出塊競爭，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)生競爭。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，對比這個(gè)指標(biāo)評估網(wǎng)絡(luò)情況動態(tài)調(diào)節(jié)出塊難度會是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

帶寬利用率是評估共識效率的重要指標(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，通過設(shè)定孤塊率調(diào)節(jié)吞吐量，隨著未來帶寬水平的提升，協(xié)議也能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況的優(yōu)化提高吞吐量來適應(yīng)未來的發(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?Bitcoin Unlimited 漏洞的研究，被 Blockstream 邀請實(shí)習(xí)，實(shí)習(xí)期間和 Pieter Wuille 和 Greg Maxwell 對目前所有的 PoW 共識機(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》，近期該論文被頂級會議 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（孤塊的信息會被打包到區(qū)塊中用于統(tǒng)計(jì)和計(jì)算）動態(tài)調(diào)節(jié)難度，從而調(diào)節(jié)出塊間隔。這個(gè)共識協(xié)議的設(shè)計(jì)在比特幣 Nakamoto Consensus（即中本聰共識） 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 —— 我們稱這個(gè)共識算法為NC-Max，我們希望它能夠突破 Nakamoto Consensus 的吞吐量極限。

當(dāng)然細(xì)心的讀者可能會想到兩個(gè)問題：

1）出塊獎勵如何計(jì)算？

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

2）吞吐量提高之后，是否有存儲的問題？交易速度提高了，交易產(chǎn)生的存儲需求也會增加。

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

另外，在 NC-Max 的設(shè)計(jì)中，除了采用動態(tài)調(diào)整出塊間隔和區(qū)塊獎勵來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)來降低孤塊率：交易首先會提交交易的編號（編號是完整交易的 hash 值，和交易一一對應(yīng)）在區(qū)塊的交易提案區(qū)進(jìn)行共識，之后只有經(jīng)過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，來抵御「自私挖礦」攻擊。

總的來看，共識協(xié)議的自我調(diào)整會受到行業(yè)越來越多的關(guān)注，其解決方案也會越來越多。