如何让中本聪共识更牛

协议是否能够自我调整/strong>

若协议能够自动适应环境的变化，拥有某种类似自我进化的能力，是否能够极大程度改善这一点这其中，共识的设计关系到 络和计算能力，是其中关键的一个部分。

比特币是目前运行最久的区块链，已经运行了十年，而十年前和十年后，带宽水平发生了巨大的变化。

图片来自：Nielsen Norman Group

上图是 1983 年到 2018 年带宽的变化曲线，注意竖轴是 Log10，所以我们也能够看到带宽的增长也是指数形式增长的。

在 Nervos 共识研究员张韧之前的分析中，我们知道衡量区块链共识协议的一个标准是带宽利用率。带宽提高是节点间通信水平的提升，意味着共识会更加高效。

而共识协议是一开始就写死的，如果需要修改则要进行分叉。比特币、以太坊如果需要根据 络情况提高自己的吞吐量，需要的是开发者对 络情况进行估计，权衡效率和安全，然后采用一种保守的方案对协议进行升级。

升级又是一件痛苦的事情，最好的情况是：设计一种共识机制能够根据带宽水平的提升「自我进化」，来适应带宽增长带来的变化。

如何设计可以自我调整的共识协议

那么我们需要去思考，有没有一个区块链能够感知的指标，同时这个指标能够体现当前 络的情况。根据这个指标协议能够动态调节自己的吞吐量/p>

在 PoW 共识协议的研究中，有一个很重要的概念是孤块。

百度百科的定义是：在比特币协议中，最长的链被认为是绝对的正确。如果一个块不是最长链的一部分，那么它被称为是「孤块」。一个孤立的块是一个块，它也是合法的，但是发现的稍晚，或者是 络传输稍慢，而没有能成为最长的链的一部分。在比特币中，孤块没有意义，随后将被抛弃，发现这个孤块的矿工也拿不到采矿相关的奖励。

以比特币为例，一个在中国的矿工很幸运的在上个区块出块之后的 9 分钟的时候挖到了区块，然后他很开心地开始广播这个区块。但是这个区块花了几十秒还是没有广播到美国的矿工，十分钟的时候美国的矿工发现了同样高度的区块，也开始广播。

随着两个区块通过比特币的 P2P 协议不断广播开来，这时候大家会发现 络里有两个相同高度的区块，这时候比拼的就是全 算力的支持，一部分算力认可北美矿工的区块，根据这个区块所在的链进行挖矿，另一个则在中国矿工所在链上挖矿，这时候就是产生了分叉。

在随后的几个区块竞争中，双方阵营的矿工必然有一个先抢出块权，成为最长链，而后根据最长链原则，最后只能有一条最长链被所有矿工接受，结束分叉。另一条被遗弃的链上面的区块就是孤块。

孤块就是因为带宽限制产生的延迟，矿工没有收到新的区块而自己出块产生了竞争，而这个竞争必然带来一方矿工的损失。并且短暂的分叉其实也是损害了 络的安全性，这也是我们应该避免的。如果我们能够假设带宽无限好，区块出块能够瞬间无缝广播出去，那么就不会存在这样的竞争出现孤块，没有人损失，也不会产生安全上的问题。

而孤块是区块链能够感知的，我们可以用全 的孤块率作为指标，来评估目前 络带宽情况。孤块率低的时候意味着 络情况良好，没有太多的出块竞争，高的时候则表示 络情况太差，需要调高出块难度，提高出块间隔避免密集的出块产生竞争。因此设置一个合理的孤块率作为指标，协议根据当前孤块率，对比这个指标评估 络情况动态调节出块难度会是一个不错的选择。

带宽利用率是评估共识效率的重要指标。在孤块率较低的时候，这意味着 络情况良好，能够承载更多的吞吐量。因此这时候可以降低出块难度，降低出块间隔，提高吞吐量，更好地利用 络带宽。

孤块率较高的时候，意味着 络情况比较差，这时候可以提高出块难度，提高出块间隔，降低吞吐量。

这样，通过设定孤块率调节吞吐量，随着未来带宽水平的提升，协议也能够根据 络情况的优化提高吞吐量来适应未来的发展和变化，在保证一定安全性的同时，充分利用 络带宽。

在张韧博士的设计中，就采用了这样的设计思路。

张韧因为对 Bitcoin Unlimited 漏洞的研究，被 Blockstream 邀请实习，实习期间和 Pieter Wuille 和 Greg Maxwell 对目前所有的 PoW 共识机制作出研究。目前张韧在鲁汶大学 COSIC 实验室师从  Bart Preneel ，并和导师完成了研究论文《Lay Down the Common Metrics: Evaluating Proof-of-Work Consensus Protocols’ Security》，近期该论文被顶级会议 IEEE S&P 收录。

在他的设计中，在每一个难度周期根据 络中的孤块率（孤块的信息会被打包到区块中用于统计和计算）动态调节难度，从而调节出块间隔。这个共识协议的设计在比特币 Nakamoto Consensus（即中本聪共识） 的基础上进行修改，能够在不损失安全性的同时提高 络的吞吐量 —— 我们称这个共识算法为NC-Max，我们希望它能够突破 Nakamoto Consensus 的吞吐量极限。

当然细心的读者可能会想到两个问题：

1）出块奖励如何计算/strong>

出块间隔是变化的，出块奖励其实也是变化的。但是在一个难度调节周期，总出块奖励保持不变。

2）吞吐量提高之后，是否有存储的问题/strong>交易速度提高了，交易产生的存储需求也会增加。

很巧的是，根据之前提到的 Moore’s Law 以及 Nielsen’s Law ，带宽增长速度略慢于存储水平的提升。因此，在带宽提升、吞吐量提升的同时，计算能力和储存能力会不断跟上甚至超越，不会出现由于 TPS 过高对计算能力的要求而需要更强的超级计算机，损失去中心化。

另外，在 NC-Max 的设计中，除了采用动态调整出块间隔和区块奖励来提升带宽利用率以外，还有两个设计亮点：

1）采用两步交易确认来降低孤块率：交易首先会提交交易的编 （编 是完整交易的 hash 值，和交易一一对应）在区块的交易提案区进行共识，之后只有经过提案的交易才能完整发送，从而能够一定程度降低孤块率；

2） 在难度调整的时候考虑周期中所有的区块，包括孤块，来抵御「自私挖矿」攻击。

总的来看，共识协议的自我调整会受到行业越来越多的关注，其解决方案也会越来越多。

如感兴趣，可以查看ervos CKB 共识协议 NC-Max：突破 Nakamoto Consensus 吞吐量的极限

目前，Nervos CKB 共识协议 RFC 已经发布，欢迎各位小伙伴参与 区活动，并提出意见和建议：

https://github.com/nirenzang/rfcs/blob/master/rfcs/0020-ckb-consensus-protocol/0020-ckb-consensus-protocol.md

该 RFC 草案由 Nervos 研究员张韧提交，暂命名为 NC-Max，在比特币的 Nakamoto Consensus 的基础上，有三大创新：

• 通过两步交易确认，降低孤块率

• 动态区块间隔和出块奖励，有效利用带宽

• 在难度调整周期考虑所有的区块来防止自私挖矿