諸如PoW（Proof of Work）、PoS（Proof of Stake）等傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈公式算法，為了減少分叉保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，通常區(qū)塊的間隔在10秒以上。例如Ethereum的區(qū)塊間隔時間是15秒，Qtum是144秒，Bitcoin是10分鐘。過高的區(qū)塊間隔時間，導(dǎo)致了用戶等待交易確認(rèn)的時間較長，不利于實(shí)時支付等應(yīng)用。

而一些聯(lián)盟鏈的共識算法，例如EOS的DPoS ［1］（Delegated Proof of Stake）、Parity的Aura ［2］（Authority Round）等，通過投票選出超級節(jié)點(diǎn)來執(zhí)行共識算法，可以將區(qū)塊間隔時間降到甚至1秒以內(nèi)。但這樣帶來的問題就是block的數(shù)量過多，對網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)存儲都帶來了很大的壓力。運(yùn)行一個全節(jié)點(diǎn)，甚至僅下載block header的輕節(jié)點(diǎn)，都對節(jié)點(diǎn)設(shè)備的性能有較高的要求。

對于區(qū)塊鏈的大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用而言，如征信上鏈、商品溯源等，對于區(qū)塊鏈的寫操作通常是周期性的。即每天的部分時間交易量較大，其余時間交易量小。對于這樣的場景，如果始終維持高速的區(qū)塊產(chǎn)出，對于網(wǎng)絡(luò)和存儲資源都是較大的浪費(fèi)，而僅需要保證在網(wǎng)絡(luò)高峰時段系統(tǒng)有較高的性能即可。

因此，我們提出了 SCAR（Scalable Consensus Algorithm）可伸縮共識算法。SCAR的思想是根據(jù)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，動態(tài)地調(diào)節(jié)參數(shù)，在高性能和低負(fù)載之間找到平衡，從而實(shí)現(xiàn)性能可伸縮。

相關(guān)共識算法介紹

PoW，Bitcoin為代表。節(jié)點(diǎn)提供算力，通過大量的計(jì)算，產(chǎn)生新的block。算力越高，產(chǎn)生block的速度越快。計(jì)算難度每2016個block調(diào)整一次，保證在全網(wǎng)算力變化的情況下，block時間間隔保持在10分鐘左右。由于block間隔時間長，且每個block的大小限制在 1 MB，所以當(dāng)交易量大的時候，網(wǎng)絡(luò)會發(fā)生嚴(yán)重?fù)矶隆?/p>

PoS，Qtum為代表。節(jié)點(diǎn)提供token，通過少量計(jì)算，產(chǎn)生新的block。token數(shù)額越大，產(chǎn)生block的速度越快。計(jì)算難度也會定期調(diào)整，保證block時間間隔在144秒左右。PoS相對PoW而言，降低了對算力的要求，節(jié)省了能源。但是由于block間隔和block大小限制仍然是固定的，網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載固定，無法避免交易量大時候的擁堵。雖然Qtum目前可以使用DGP ［3］（Decentralized Governance Protocol）協(xié)議手動地去調(diào)整block大小限制，但是這種方式略微繁瑣。

PoW和PoS中，全網(wǎng)的所有節(jié)點(diǎn)都會參與到共識的競爭中來，所以區(qū)塊間隔不能設(shè)置得過小。如果過小，則很容易產(chǎn)生分叉。即，如果計(jì)算難度設(shè)置得過低，則很容易出現(xiàn)多個節(jié)點(diǎn)在同一時刻產(chǎn)出新的block的情況。

DPoS、Tendermint等聯(lián)盟鏈共識算法，則通過投票得到的超級節(jié)點(diǎn)來執(zhí)行共識。由于參與共識的節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，則區(qū)塊間隔可以設(shè)置得很小。比如EOS的block間隔就設(shè)置成了0.5s。過短的區(qū)塊間隔對帶寬和硬盤都是很大的壓力，在交易量少的時候也是一種資源浪費(fèi)。EOS從今年6月9日上線以來，block數(shù)量至今已達(dá)1200萬，而9年前開始的Bitcoin至今也才50萬個block。

SCAR 共識算法描述

以下將介紹SCAR算法的一種實(shí)現(xiàn)方式。這種實(shí)現(xiàn)方式在聯(lián)盟鏈的基礎(chǔ)上，通過交易量來動態(tài)地更新區(qū)塊間隔，從而實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊鏈性能的可升縮。需要注意的是，SCAR算法的核心思想是根據(jù)負(fù)載動態(tài)地調(diào)整區(qū)塊鏈的性能，所以實(shí)現(xiàn)方式并不局限于本文所提出的這種，更多的實(shí)現(xiàn)有待進(jìn)一步地探索。

SCAR共識算法由三個步驟組成：

1. 統(tǒng)計(jì)投票得到所有超級節(jié)點(diǎn)。

2. 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載計(jì)算block間隔。

3. 間隔時間到后，超級節(jié)點(diǎn)按照優(yōu)先級產(chǎn)出block，一旦一個新的block產(chǎn)出，回到步驟1。

SCAR共識算法的優(yōu)點(diǎn)在于：

1. 由超級節(jié)點(diǎn)執(zhí)行共識，block間隔可以極大程度縮短，交易確認(rèn)快。

2. block間隔根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動態(tài)調(diào)整，空閑時候間隔變長，降低帶寬和硬盤壓力。

3. 當(dāng)?shù)陀诎霐?shù)的超級節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的時候，新的block仍然能夠產(chǎn)出，系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)。

以下將分別描述SCAR算法的三個步驟。

節(jié)點(diǎn)投票

投票選出超級節(jié)點(diǎn)可以有多種設(shè)計(jì)。比如EOS是所有用戶都能參與投票，Aura是當(dāng)前的超級節(jié)點(diǎn)可以投票選出下一輪的超級節(jié)點(diǎn)。這里我們提出一種基于Qtum DGP協(xié)議的投票策略。

區(qū)塊鏈初始化時在鏈上部署 DGP 的智能合約，在合約內(nèi)初始化了管理席位 admin 和治理席位 gov，均以地址的形式存儲。DGP 協(xié)議支持在鏈上通過管理席位 admin 和治理席位 gov的投票，來決定超級節(jié)點(diǎn)是否改變。

首先我們對管理席位和治理席位的權(quán)限和修改策略做個介紹。管理席位 admin 在決定權(quán)限時具有最多的權(quán)力，它可以參與投票增加和刪除 admin，同時可以投票任命 gov；而 gov只能參與到超級節(jié)點(diǎn)的修改投票中。即所有提案只有具備管理席位的 admin地址才能設(shè)置，具有治理席位的 gov地址僅可參與超級節(jié)點(diǎn)投票。

投票的具體流程如下：

1. 收集新的超級節(jié)點(diǎn)的提案，向社區(qū)公布并收集反饋；

2. 根據(jù)社區(qū)反饋調(diào)整超級節(jié)點(diǎn)列表，并通過智能合約存儲到區(qū)塊鏈中，作為新的提案；

3. 通過調(diào)用 DGP 合約的相應(yīng)方法，將該提案設(shè)置為待投票的提案，此時即開啟投票；

4. 擁有管理admin和治理gov權(quán)限的地址通過向投票合約發(fā)送一筆交易來對提案進(jìn)行投票；

5. 若提案未獲得足夠投票則被否決，不執(zhí)行修改；

6. 若提案通過，新超級節(jié)點(diǎn)列表的存儲地址會記錄進(jìn)DGP合約，并在一定數(shù)量的區(qū)塊后生效，以防止出現(xiàn)不必要的分叉。

7. 節(jié)點(diǎn)可以通過 DGP 合約來獲取最新的超級節(jié)點(diǎn)列表。

綜上所述，我們可以在鏈上設(shè)置 DGP 合約，通過 DGP 投票的方式來決定超級節(jié)點(diǎn)，并動態(tài)地存儲和更新授權(quán)礦工列表。

block 間隔

block的間隔需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況動態(tài)調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)空閑時候間隔變長，網(wǎng)絡(luò)繁忙時候間隔變短，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)可伸縮。這里我們提出一種block間隔的計(jì)算方法，根據(jù)近期的交易數(shù)量來進(jìn)行計(jì)算，交易多則間隔變短，交易少則間隔變長。

block間隔的計(jì)算公式如下：

其中，min_interval 為最小的block時間間隔，max_interval 為最大的block時間間隔。transaction_num 為最近 m 個區(qū)塊內(nèi)的平均交易數(shù)，這里 m 可以為大于等于1的整數(shù)。 m、min_interval 以及 max_interval 通過共識算法預(yù)先設(shè)定或者智能合約設(shè)置。

這樣設(shè)計(jì)公式的意義在于：

1. 當(dāng)交易量 transaction_num 為0時，block間隔將調(diào)整為 max_interval，此時將用系統(tǒng)設(shè)置的最長間隔時間來盡量在一個區(qū)塊內(nèi)打包更多交易，避免了存儲空間的浪費(fèi)；

2. 當(dāng)鏈上交易量 transaction_num 趨向于無窮大時，block間隔將無限趨近于 min_interval，此時將用系統(tǒng)設(shè)置的最短間隔時間來盡可能緩解區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的交易擁塞，使得交易更快地被打包進(jìn)區(qū)塊；

3. max_interval 和 min_interval 可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置（例如用戶容忍的交易延遲、超級節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和存儲性能等）。

采用這種根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動態(tài)調(diào)節(jié)區(qū)塊出塊時間的共識算法 SCAR，可以有效的避免在交易量小時浪費(fèi)存儲空間，也可以在交易量大時增大區(qū)塊產(chǎn)生速率，及時將交易打包進(jìn)區(qū)塊鏈上，保證交易更快地被確認(rèn)。鏈上參數(shù)的動態(tài)調(diào)整也使得區(qū)塊鏈系統(tǒng)變得更加靈活，提高治理效率，降低治理難度和代價。

block 產(chǎn)出

當(dāng)超級節(jié)點(diǎn)和block間隔都確定之后，節(jié)點(diǎn)就可以在間隔時間之后輪流產(chǎn)出新的block。

在某一區(qū)塊鏈高度上，若超級節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為 n 個，則 SCAR 會為每個超級節(jié)點(diǎn)分配不同的出塊時間 block_time如下：

其中，parent_block_time 為上一個block的出塊時間，block_interval 為動態(tài)計(jì)算出的區(qū)塊間隔。timeout 為超時時間，用來防止某些超級節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障長時間無法出塊，miner_index 為索引值，在同一區(qū)塊高度下，不同的授權(quán)節(jié)點(diǎn)miner_index 不同。下面將對具體的參數(shù)設(shè)置原因和用途做出解釋。

如下圖所示，假定有5個被授權(quán)的超級節(jié)點(diǎn) A、B、C、D、E，他們的公鑰被存儲在有序列表中，即上文提及的由 DGP 投票選出并可動態(tài)維護(hù)的超級節(jié)點(diǎn)列表（也即礦工列表）。假定在區(qū)塊鏈高度h1時，有序礦工列表是 ［pubkey_A， pubkey_B， pubkey_C， pubkey_D， pubkey_E］ ，這五個超級節(jié)點(diǎn)會輪流創(chuàng)建新的區(qū)塊。

當(dāng)創(chuàng)建新區(qū)塊時，礦工會通過加密算法簽名這個區(qū)塊，然后將簽名結(jié)果附加到區(qū)塊中。通過這種方式，其他節(jié)點(diǎn)可以通過解密從區(qū)塊中恢復(fù)出礦工的公鑰來，從而通過和超級節(jié)點(diǎn)列表進(jìn)行比對來驗(yàn)證該礦工是否有權(quán)創(chuàng)建區(qū)塊。當(dāng)一條鏈被大多數(shù)礦工簽名之后，這條鏈可以被視作為一條永久的鏈。例如在上圖中，從創(chuàng)世區(qū)塊到h3高度的鏈?zhǔn)且粭l永久的鏈，因?yàn)樗呀?jīng)被它接下來的幾位礦工D、E和A簽名了。如果任何礦工想要在高度h3下面制造分叉，這一分叉則無法被絕大多數(shù)礦工所認(rèn)同。

共識算法可以有效地避免分叉的發(fā)生，但至少需要 n/2+1 位超級節(jié)點(diǎn)保持公式算法的正常運(yùn)行（n 是超級節(jié)點(diǎn)數(shù)量，n/2 是整數(shù)除法）。共識算法對允許創(chuàng)建下一個區(qū)塊的礦工做出了以下定義：

一個礦工在以下情況可以創(chuàng)建新的區(qū)塊：

1. 它當(dāng)前是被授權(quán)的；

2. 最近的n/2個塊不是由它創(chuàng)建的。

由上述定義可得到真正被允許創(chuàng)建下一區(qū)塊的超級節(jié)點(diǎn)的方式：從當(dāng)前礦工列表中去掉為最近 n/2 個塊簽名的節(jié)點(diǎn)即可。例如，在區(qū)塊高度 h2 上，下一區(qū)塊的礦工列表如圖計(jì)算得到。

由上圖過程選出了 B、C、D 三個可創(chuàng)建下一區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)后，我們只需要將超級節(jié)點(diǎn)列表設(shè)置為有序列表，指定它們的優(yōu)先級先后，就可以避免它們?yōu)楫a(chǎn)出下一區(qū)塊而競爭。公式中的 miner_index 即為排序后的礦工列表的優(yōu)先級索引，排序更前的超級節(jié)點(diǎn)將被分配更早的 block_time，每個超級節(jié)點(diǎn)使用被分配的 block_time 創(chuàng)建新的區(qū)塊，并在 block_time 到來前保持等待狀態(tài)。

但超級節(jié)點(diǎn)模式的聯(lián)盟鏈也面臨著一個問題：部分節(jié)點(diǎn)的故障會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)效率驟降甚至癱瘓。為了避免部分節(jié)點(diǎn)的故障導(dǎo)致系統(tǒng)停止運(yùn)行，共識加入以下策略來確保正常出塊。我們在系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)置了 timeout ，若一個超級節(jié)點(diǎn)由于故障未能成功廣播新的區(qū)塊，則下一個超級節(jié)點(diǎn)會在 timeout 時間之后取代它并正常產(chǎn)出區(qū)塊。如下圖所示，在上述5個超級節(jié)點(diǎn)的情況下，礦工 B 在產(chǎn)出高度為 h2+1 的區(qū)塊時發(fā)生故障。隨后，B 在超級節(jié)點(diǎn)列表中的下一位C ，將會在其 parent_block_time 的 block_interval+timeout 時間之后，廣播其創(chuàng)建的新區(qū)塊。

實(shí)現(xiàn)

SCAR算法在Unita的當(dāng)前版本中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。其策略是，只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有未確認(rèn)交易的時候，才會產(chǎn)生新的block。我們計(jì)劃后續(xù)根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行改進(jìn)。

總結(jié)

SCAR在保證區(qū)塊鏈性能的同時，盡可能節(jié)省了帶寬和硬盤的消耗，并支持動態(tài)調(diào)整鏈上參數(shù)，相比其他共識算法更加的高效和靈活，在大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用中會有更大的優(yōu)勢。