导读

本文是Rebase社区的Harry在《全民挖矿月》Nervos专场活动上做的分享。

比特币共识也称为中本聪共识(Nakamoto Consensus),经历了10年的运行证明了它的安全性和众多优点,不过中本聪共识也因为它的吞吐量不高一直饱受诟病。CKB共识是中本聪共识的改进版,通过三大创新,在不妥协安全性的前提下,实现了吞吐量的提升,并解决了自私挖矿的问题。

中本聪共识的优点

1.安全性高

中本聪共识经历了很多的攻击,仍然稳定运行了十年。而且,目前没有任何一个工作量证明机制整体超越中本聪共识。其它的协议要么有很强的安全假设,要么会引入新的攻击。

安全假设: 比如使用PoS的Algorand要求持有Token的人时刻保持在线来接收消息。新的攻击: PoS的Nothing-at-stake Attack,Long-range Attack,这些攻击在PoW中是不存在的。

2.带宽利用好

在带宽利用方面,我们可以用一个简单的模型来衡量共识协议的吞吐量。

更好的中本聪共识—浅谈CKB共识-Rebase

最左侧蓝色的部分是用来同步最终确认交易的带宽比例,这部分是真正的TPS;中间红色部分是被共识协议“浪费”的带宽比例;最右侧白色部分是未被利用的带宽。

在带宽一定的情况下,想要提高 TPS,能够做的只有两件事: 

1)降低共识协议“浪费”的带宽比例 

2)降低未被利用部分的带宽比例

为了加快区块的传播,中本聪共识使用了Compact block relay,Compact block中包含:

80字节的区块头短交易id预测的发送方有而接收方没有的交易

最终1MB的区块只需要广播13KB的区块消息,节约传输的每一个字节。在这一点上,中本聪共识已经做得非常好了,没有被共识协议浪费什么带宽。

其它很多协议,它们将珍贵的带宽资源浪费在成员间的通讯上,比如Algorand用一个大小为300KB的区块证书来向用户证明一个区块被提交。

3.通用性好

中本聪共识可以确保在区块生成时就能确定全局交易顺序,这是和智能合约的编程模型相兼容的。而很多其他拓扑结构的替代协议要么放弃全局交易顺序,要么需要经过很长的时间才能确认,这极大地限制了其效率上的提升或者功能上的丰富。

中本聪共识哪些地方可以改善

1.带宽利用不足

更好的中本聪共识—浅谈CKB共识-Rebase

在比特币隔离见证(Segwit)之后每个区块对应的数据增加到了4MB(1MB区块+3MB隔离见证数据);比特币的IPv4 节点带宽中位数在 2016 年时是33Mbit/s,在 2017 年 2 月,这个数字达到56Mbit/s,是2016年的1.7倍。带宽增加了,而比特币网络的吞吐量却没有增加。

我们可以想到,如果能够根据带宽状况来动态调节吐吞量就好了。

2.激励问题

中本聪共识中,自私挖矿是有利可图的,自私挖矿会增加孤块率,使得正常的出块数量减少。在下一个难度调整周期,协议会认为挖矿难度太高,会降低挖矿难度,结果会使自私挖矿一方在单位时间内挖到的币增加,从而获得比正常挖矿更多的收益。

我们可以想到,如果可以避免自私挖矿就好了。

更好的中本聪共识——CKB共识

为了解决中本聪共识遇到的问题,CKB共识带来了三个创新:

两步交易确认: 降低孤块率动态调整区块间隔和区块奖励: 更好的利用带宽难度调整考虑所有区块: 防止自私挖矿

结果带来了几个方面的提升:

性能提升安全提升公平性提升

后面我们一一解读。

两步交易确认

前面提到,在带宽条件一定的情况下,中本聪共识已经对带宽进行了非常好的利用,所以提升中本聪共识的吞吐量只能做两件事:

更大的区块更小的出块时间

更大的区块导致了在区块广播是需要更多的传输时间,在这个过程中,其它的矿工就有更大的可能发现一个区块,导致这个区块成为孤块;更小的出块时间相当于降低了出块难度,让发现区块更容易,也容易导致孤块率的增加。当孤块率高到一定程度,上面两个方法都不能让吞吐量继续增加。

而且孤块还会对网络的安全和性能产生很大的影响。

安全方面,如下图,孤块率高会导致攻击者可以以远低于51%的算力构造出一条最长的链。

更好的中本聪共识—浅谈CKB共识-Rebase

性能方面,孤块会占用带宽资源,影响网络吞吐量。

从上面的分析,要想打破吞吐量的限制,就需要降低孤块率。

那如何降低孤块率呢?

更好的中本聪共识—浅谈CKB共识-Rebase

孤块的出现是因为区块广播的延迟,而区块广播的延迟主要是因为同步Fresh Transaction(发送方有而接收方没有的交易)。

CKB共识采用两步交易确认来缓解这个问题。下图是CKB共识中区块的数据结构:

区块头(header)中放置区块的元信息区块确认区(commitment zone)中是确认的交易提案区(proposal zone)中会放置交易id,用于n个高度后的区块的确认叔块头(uncle headers)和叔块提案区(uncles’ proposal zones)会放置叔块的相关信息

更好的中本聪共识—浅谈CKB共识-Rebase

更好的中本聪共识—浅谈CKB共识-Rebase

每个矿工只允许打包前面h-m到h-n之间提案区以及叔块提案区的交易。

更好的中本聪共识—浅谈CKB共识-Rebase

从上图中可以看到,当前高度为h(Height: h)的区块只能打包从window区域内(h-m到h-n)挑选出的提案区交易,叔块提案区的交易也可以进行打包。这就保证了矿工总是有足够的交易可以打包,从而消除了同步Fresh Transaction带来的区块广播的延迟,最终降低孤块率。

而且因为在compact block中已经包含了所有已确认交易的id,矿工在新区块中不会将这部分交易包含进来,让矿工可以很容易的为交易确认做贡献,并获得手续费。

动态调整区块间隔和区块奖励

通过设定一个固定的孤块率,在下一个难度周期(Epoch)动态调整难度。

如果孤块率低于设定值,说明网络可以处理更多的交易,在下一个难度周期可以继续降低难度,这个时候出块时间将会降低,吞吐量会增加,区块奖励会相应减少。

反过来,如果孤块率高于设定值,说明网络处理不了这么多交易,在下一个难度周期应该提高难度,会使出块时间增加,吞吐量会下降,区块奖励也相应增加。

在CKB区块浏览器(https://explorer.nervos.org/)中,我们可以通过区块的信息来部分验证上面提到的过程。

更好的中本聪共识—浅谈CKB共识-Rebase

从上图中可以看到,一个区块包含了以下信息:

Epoch: 0 — 当前的难度周期序号为0Epoch Start Number: 0 — 当前Epoch开始的区块高度(block height)为0Epoch Length: 1250 — 当前Epoch包含了1250个区块,也就是区块高度从0到1249Difficulty: 37522 — 当前Epoch难度值为37522Block Reward: 1000 CKB — 每个区块的奖励为1000 CKBUncle Count: 0 — 叔块数量为0

这些信息在当前Epoch 0中的1250个区块中都是相同的。

更好的中本聪共识—浅谈CKB共识-Rebase

在下一个Epoch,也就是从区块高度为1250开始,挖矿难度值有一定的变化(如上图):

Epoch: 1 — 当前的难度周期序号为1Epoch Start Number: 1250 — 当前Epoch开始的区块高度(block height)为1250Epoch Length: 838 — 当前Epoch包含了838个区块,也就是区块高度从1250到2088Difficulty: 75044 — 当前Epoch难度值为75044Block Reward: 1491.64677805 CKB — 每个区块的奖励为1491.64677805 CKBUncle Count: 0 — 叔块数量为0

Epoch 1相对于Epoch 0难度值变大,导致吞吐量(区块数量)减少,区块奖励增加,但是Epoch的奖励总和没有变化:

Epoch 0: 1250 * 1000 CKB = 1,250,000 

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

通过以上的信息可以观测到由于孤块率的变化引起的Epoch难度值的调整。但由于目前还无法知道整个Epoch的孤块率是多少,所以无法观测到孤块率对于Epoch难度调整的影响的很直观的联系。

防止自私挖矿

前面提到,中本聪共识中自私挖矿是有利可图的,研究发现是因为网络难度的调整只考虑区块数量这一个维度。那CKB是如何解决这个问题的呢?

更好的中本聪共识—浅谈CKB共识-Rebase

在CKB共识中,下一个Epoch的难度调整不只是计算已确认区块的数量,还会将孤块以及叔块考虑进来,因此攻击者不能使用自私挖矿的方式来使得网络降低难度,所以也不能使用同样的算力获得更多的收益,最终自私挖矿在CKB中变得无利可图。

最后

最后再强调一下CKB共识的优点:“CKB共识是中本聪共识的改进版,通过三大创新,在不妥协安全性的前提下,实现了吞吐量的提升,并解决了自私挖矿的问题“。但CKB共识还是一个新生事物,需要时间的验证,我们也会持续的关注CKB共识的最新进展和发现。

如果你想和我们交流更多的CKB知识,欢迎加入我们的Nervos挖矿爱好者微信群,添加微信:ljyxxzj,注明“Nervos”,我们会拉你入群。


参考:

Nervos CKB 共识协议 NC-Max: 突破 Nakamoto Consensus 吞吐量的极限: https://mp.weixin.qq.com/s/MF4Z2BF3wHAMGszyllv_dQCKB Consensus Protocol: https://github.com/nirenzang/rfcs/blob/master/rfcs/0020-ckb-consensus-protocol/0020-ckb-consensus-protocol.mdNC-MAX: 让中本聪共识再次伟大(上): https://mp.weixin.qq.com/s/Tb14M8IeSM_oWwx1MedrbwDecentralization in Bitcoin and Ethereum Networks, 29 Mar 2018, Adem Efe Gencer, etc.CKB区块浏览器: https://explorer.nervos.org/

预告

《全民挖矿月》活动第三期即将开始,感兴趣的小伙伴们可以添加jessie小姐姐的微信,尽快报名参加活动噢~

6月,我们等你来挖矿!

更好的中本聪共识—浅谈CKB共识-Rebase

扫码添加jessie小姐姐微信👆,加入“全民挖矿交流群”和大家一起讨论吧!






更好的中本聪共识—浅谈CKB共识-Rebase

Rebase是一个全球性的去中心化组织,致力于帮助极客更好地利用科技创新,推动社会变革。Rebase社区聚集着一群拥有不同技能的人,他们通过贡献自己的时间和智慧来为社区的发展添砖加瓦,用实际的行动来尝试社区和社会自治的可能。

招募志愿者

Rebase作为一个开放的社区,我们欢迎不同的人加入我们,你将有机会:

探索新的有趣的项目认识一群志同道合的人接触到行业内最前沿的知识与技术领袖交流的机会结识未来的创业伙伴

参与的形式可以是多种多样的,哪怕不在同一个城市,在这里你可以:

策划一场知识密度极高的分享会组织一次酷炫的线下区块链workshop设计一款脑洞大开的海报开发一个方便易用的工具

更多好玩的东西,我们一起探索。

报名请点击原文填写相关信息,我们会尽快回复。


原文始发于微信公众号(Rebase社区):更好的中本聪共识—浅谈CKB共识