導(dǎo)讀

本文是Rebase社區(qū)的Harry在《全名挖礦月》Nervos專場(chǎng)活動(dòng)上做的分享。

比特幣共識(shí)也稱為中本聰共識(shí)（Nakamoto Consensus），經(jīng)歷了10年的運(yùn)行證明了它的安全性和眾多優(yōu)點(diǎn)，不過中本聰共識(shí)也因?yàn)樗耐掏铝坎桓咭恢憋柺茉嵅　KB共識(shí)是中本聰共識(shí)的改進(jìn)版，通過三大創(chuàng)新，在不妥協(xié)安全性的前提下，實(shí)現(xiàn)了吞吐量的提升，并解決了自私挖礦的問題。

中本聰共識(shí)的優(yōu)點(diǎn)

1.安全性高

中本聰共識(shí)經(jīng)歷了很多的攻擊，仍然穩(wěn)定運(yùn)行了十年。而且，目前沒有任何一個(gè)工作量證明機(jī)制整體超越中本聰共識(shí)。其它的協(xié)議要么有很強(qiáng)的安全假設(shè)，要么會(huì)引入新的攻擊。

?安全假設(shè)： 比如使用PoS的Algorand要求持有Token的人時(shí)刻保持在線來(lái)接收消息。

?新的攻擊： PoS的Nothing-at-stake Attack，Long-range Attack，這些攻擊在PoW中是不存在的。

2.帶寬利用好

在帶寬利用方面，我們可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型來(lái)衡量共識(shí)協(xié)議的吞吐量。

最左側(cè)藍(lán)色的部分是用來(lái)同步最終確認(rèn)交易的帶寬比例，這部分是真正的TPS；中間紅色部分是被共識(shí)協(xié)議“浪費(fèi)”的帶寬比例；最右側(cè)白色部分是未被利用的帶寬。

在帶寬一定的情況下，想要提高 TPS，能夠做的只有兩件事：

1）降低共識(shí)協(xié)議“浪費(fèi)”的帶寬比例

2）降低未被利用部分的帶寬比例

為了加快區(qū)塊的傳播，中本聰共識(shí)使用了Compact block relay，Compact block中包含：

?80字節(jié)的區(qū)塊頭

?短交易id

?預(yù)測(cè)的發(fā)送方有而接收方?jīng)]有的交易

最終1MB的區(qū)塊只需要廣播13KB的區(qū)塊消息，節(jié)約傳輸?shù)拿恳粋€(gè)字節(jié)。在這一點(diǎn)上，中本聰共識(shí)已經(jīng)做得非常好了，沒有被共識(shí)協(xié)議浪費(fèi)什么帶寬。

其它很多協(xié)議，它們將珍貴的帶寬資源浪費(fèi)在成員間的通訊上，比如Algorand用一個(gè)大小為300KB的區(qū)塊證書來(lái)向用戶證明一個(gè)區(qū)塊被提交。

3.通用性好

中本聰共識(shí)可以確保在區(qū)塊生成時(shí)就能確定全局交易順序，這是和智能合約的編程模型相兼容的。而很多其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的替代協(xié)議要么放棄全局交易順序，要么需要經(jīng)過很長(zhǎng)的時(shí)間才能確認(rèn)，這極大地限制了其效率上的提升或者功能上的豐富。

中本聰共識(shí)哪些地方可以改善

1.帶寬利用不足

在比特幣隔離見證（Segwit）之后每個(gè)區(qū)塊對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)增加到了4MB（1MB區(qū)塊+3MB隔離見證數(shù)據(jù)）；比特幣的IPv4 節(jié)點(diǎn)帶寬中位數(shù)在 2016 年時(shí)是33Mbit/s，在 2017 年 2 月，這個(gè)數(shù)字達(dá)到56Mbit/s，是2016年的1.7倍。帶寬增加了，而比特幣網(wǎng)絡(luò)的吞吐量卻沒有增加。

我們可以想到，如果能夠根據(jù)帶寬狀況來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)吐吞量就好了。

2.激勵(lì)問題

中本聰共識(shí)中，自私挖礦是有利可圖的，自私挖礦會(huì)增加孤塊率，使得正常的出塊數(shù)量減少。在下一個(gè)難度調(diào)整周期，協(xié)議會(huì)認(rèn)為挖礦難度太高，會(huì)降低挖礦難度，結(jié)果會(huì)使自私挖礦一方在單位時(shí)間內(nèi)挖到的幣增加，從而獲得比正常挖礦更多的收益。

我們可以想到，如果可以避免自私挖礦就好了。

更好的中本聰共識(shí)——CKB共識(shí)

為了解決中本聰共識(shí)遇到的問題，CKB共識(shí)帶來(lái)了三個(gè)創(chuàng)新：

?兩步交易確認(rèn)： 降低孤塊率

?動(dòng)態(tài)調(diào)整區(qū)塊間隔和區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)： 更好的利用帶寬

?難度調(diào)整考慮所有區(qū)塊： 防止自私挖礦

結(jié)果帶來(lái)了幾個(gè)方面的提升：

?性能提升

?安全提升

?公平性提升

后面我們一一解讀。

兩步交易確認(rèn)

前面提到，在帶寬條件一定的情況下，中本聰共識(shí)已經(jīng)對(duì)帶寬進(jìn)行了非常好的利用，所以提升中本聰共識(shí)的吞吐量只能做兩件事：

?更大的區(qū)塊

?更小的出塊時(shí)間

更大的區(qū)塊導(dǎo)致了在區(qū)塊廣播是需要更多的傳輸時(shí)間，在這個(gè)過程中，其它的礦工就有更大的可能發(fā)現(xiàn)一個(gè)區(qū)塊，導(dǎo)致這個(gè)區(qū)塊成為孤塊；更小的出塊時(shí)間相當(dāng)于降低了出塊難度，讓發(fā)現(xiàn)區(qū)塊更容易，也容易導(dǎo)致孤塊率的增加。當(dāng)孤塊率高到一定程度，上面兩個(gè)方法都不能讓吞吐量繼續(xù)增加。

而且孤塊還會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的安全和性能產(chǎn)生很大的影響。

安全方面，如下圖，孤塊率高會(huì)導(dǎo)致攻擊者可以以遠(yuǎn)低于51%的算力構(gòu)造出一條最長(zhǎng)的鏈。

性能方面，孤塊會(huì)占用帶寬資源，影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

從上面的分析，要想打破吞吐量的限制，就需要降低孤塊率。

那如何降低孤塊率呢？

孤塊的出現(xiàn)是因?yàn)閰^(qū)塊廣播的延遲，而區(qū)塊廣播的延遲主要是因?yàn)橥紽resh Transaction（發(fā)送方有而接收方?jīng)]有的交易）。

CKB共識(shí)采用兩步交易確認(rèn)來(lái)緩解這個(gè)問題。下圖是CKB共識(shí)中區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

?區(qū)塊頭（header）中放置區(qū)塊的元信息

?區(qū)塊確認(rèn)區(qū)（commitment zone）中是確認(rèn)的交易

?提案區(qū)（proposal zone）中會(huì)放置交易id，用于n個(gè)高度后的區(qū)塊的確認(rèn)

?叔塊頭（uncle headers）和叔塊提案區(qū)（uncles‘ proposal zones）會(huì)放置叔塊的相關(guān)信息

每個(gè)礦工只允許打包前面h-m到h-n之間提案區(qū)以及叔塊提案區(qū)的交易。

從上圖中可以看到，當(dāng)前高度為h（Height： h）的區(qū)塊只能打包從window區(qū)域內(nèi)（h-m到h-n）挑選出的提案區(qū)交易，叔塊提案區(qū)的交易也可以進(jìn)行打包。這就保證了礦工總是有足夠的交易可以打包，從而消除了同步Fresh Transaction帶來(lái)的區(qū)塊廣播的延遲，最終降低孤塊率。

而且因?yàn)樵赾ompact block中已經(jīng)包含了所有已確認(rèn)交易的id，礦工在新區(qū)塊中不會(huì)將這部分交易包含進(jìn)來(lái)，讓礦工可以很容易的為交易確認(rèn)做貢獻(xiàn)，并獲得手續(xù)費(fèi)。

動(dòng)態(tài)調(diào)整區(qū)塊間隔和區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)

通過設(shè)定一個(gè)固定的孤塊率，在下一個(gè)難度周期（Epoch）動(dòng)態(tài)調(diào)整難度。

如果孤塊率低于設(shè)定值，說明網(wǎng)絡(luò)可以處理更多的交易，在下一個(gè)難度周期可以繼續(xù)降低難度，這個(gè)時(shí)候出塊時(shí)間將會(huì)降低，吞吐量會(huì)增加，區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)會(huì)相應(yīng)減少。

反過來(lái)，如果孤塊率高于設(shè)定值，說明網(wǎng)絡(luò)處理不了這么多交易，在下一個(gè)難度周期應(yīng)該提高難度，會(huì)使出塊時(shí)間增加，吞吐量會(huì)下降，區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)也相應(yīng)增加。

在CKB區(qū)塊瀏覽器（https://explorer.nervos.org/）中，我們可以通過區(qū)塊的信息來(lái)部分驗(yàn)證上面提到的過程。

從上圖中可以看到，一個(gè)區(qū)塊包含了以下信息：

?Epoch： 0 — 當(dāng)前的難度周期序號(hào)為0

?Epoch Start Number： 0 — 當(dāng)前Epoch開始的區(qū)塊高度（block height）為0

?Epoch Length： 1250 — 當(dāng)前Epoch包含了1250個(gè)區(qū)塊，也就是區(qū)塊高度從0到1249

?Difficulty： 37522 — 當(dāng)前Epoch難度值為37522

?Block Reward： 1000 CKB — 每個(gè)區(qū)塊的獎(jiǎng)勵(lì)為1000 CKB

?Uncle Count： 0 — 叔塊數(shù)量為0

這些信息在當(dāng)前Epoch 0中的1250個(gè)區(qū)塊中都是相同的。

在下一個(gè)Epoch，也就是從區(qū)塊高度為1250開始，挖礦難度值有一定的變化（如上圖）：

?Epoch： 1 — 當(dāng)前的難度周期序號(hào)為1

?Epoch Start Number： 1250 — 當(dāng)前Epoch開始的區(qū)塊高度（block height）為1250

?Epoch Length： 838 — 當(dāng)前Epoch包含了838個(gè)區(qū)塊，也就是區(qū)塊高度從1250到2088

?Difficulty： 75044 — 當(dāng)前Epoch難度值為75044

?Block Reward： 1491.64677805 CKB — 每個(gè)區(qū)塊的獎(jiǎng)勵(lì)為1491.64677805 CKB

?Uncle Count： 0 — 叔塊數(shù)量為0

Epoch 1相對(duì)于Epoch 0難度值變大，導(dǎo)致吞吐量（區(qū)塊數(shù)量）減少，區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)增加，但是Epoch的獎(jiǎng)勵(lì)總和沒有變化：

Epoch 0： 1250 * 1000 CKB = 1，250，000

Epoch 0： 838 * 1491.64677805 CKB = 1，250，000.0000059

通過以上的信息可以觀測(cè)到由于孤塊率的變化引起的Epoch難度值的調(diào)整。但由于目前還無(wú)法知道整個(gè)Epoch的孤塊率是多少，所以無(wú)法觀測(cè)到孤塊率對(duì)于Epoch難度調(diào)整的影響的很直觀的聯(lián)系。

防止自私挖礦

前面提到，中本聰共識(shí)中自私挖礦是有利可圖的，研究發(fā)現(xiàn)是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)難度的調(diào)整只考慮區(qū)塊數(shù)量這一個(gè)維度。那CKB是如何解決這個(gè)問題的呢？

在CKB共識(shí)中，下一個(gè)Epoch的難度調(diào)整不只是計(jì)算已確認(rèn)區(qū)塊的數(shù)量，還會(huì)將孤塊以及叔塊考慮進(jìn)來(lái)，因此攻擊者不能使用自私挖礦的方式來(lái)使得網(wǎng)絡(luò)降低難度，所以也不能使用同樣的算力獲得更多的收益，最終自私挖礦在CKB中變得無(wú)利可圖。

最后

最后再?gòu)?qiáng)調(diào)一下CKB共識(shí)的優(yōu)點(diǎn)：“CKB共識(shí)是中本聰共識(shí)的改進(jìn)版，通過三大創(chuàng)新，在不妥協(xié)安全性的前提下，實(shí)現(xiàn)了吞吐量的提升，并解決了自私挖礦的問題“。但CKB共識(shí)還是一個(gè)新生事物，需要時(shí)間的驗(yàn)證，我們也會(huì)持續(xù)的關(guān)注CKB共識(shí)的最新進(jìn)展和發(fā)現(xiàn)。