突破区块链不可能三角（二）--在POW扩展性上的尝试

比特币为了保障其安全性，采用最长链规则，并固定区块大小1M和出块时间间隔10分钟，从而导致其低吞吐量(7Tps)和长时间区块确认间隔(6个区块一小时，每个区块平均需要10分钟），这一直以来饱受诟病，影响了比特币网络的大规模使用。

解决方案：

一开始人们思考的是在比特币最长链的规则上，通过增加区块大小（1M->4M)和减小出块间隔来增大吞吐量，但是这却带来了三个很大的问题

带来的问题：

不断的分叉！分叉也就意味着安全性降低，容易引起双花攻击。

区块奖励受网络延迟影响：整个网络的区块奖励不单单与算力有关，网络延迟较低的节点更有可能获得出块奖励。

容易受到自私挖矿攻击：恶意节点出块后先不公布，直到发现比主链长时再公布

下图阐释了在一种区块生成间隔较小（区块生成率大于区块传播延迟）的网络中，区块链网络高度分叉，此时攻击者可以秘密创造6个区块（由红色虚线标记），从而超过主链的场景。

区块链比特币可扩展性的瓶颈在于——任何一笔交易需要发给所有节点，就是POW的有效性是建立在所有人都在同一条最长链上挖矿的，于是，大致上说，只有上一个区块被挖出来并且同步到整个网络之后，共识算法，即挖矿，才能开始进行。

比特币的共识算法必须需要一定时间来进行，而且必须在所有节点同步，即传输和验证完所有交易之后才能开始，即POW共识出块的时间，即区块间隔，需要远大于同步所需要的时间。

然而，我们希望所有的带宽*时间都用来在网络中传输交易，而不希望先做一个时间t1的同步，确保所有人都对于最长链有共识之后再开始进行一段时间t2的POW计算达成共识。而在t2的这段时间是无法做同步的，因为在没有共识的前提下，我们并不知道哪个区块是正确的，于是，这时候的带宽就被浪费了。

理想状态是，我们能够一边做共识一边同步？那需要做的第一步就是，我们需要把比特币POW中的共识和交易（区块内容）脱钩。

1 Hybrid consensus和Byzcoin两篇论文做了一种简单地将用POW作为一种准入机制然后进行（类）PBFT的方法。

算法的原理基本上都是保留比特币POW的一切特性，例如区块奖励，例如出块时间等等。但是，POW不再决定交易，而只做委员会选举——例如，我们规定，最近的100个出块者是当前的委员会，然后由他们进行BFT决定交易，这里的交易是最终的也就是绝对的，不存在分叉的问题，然后把广播给全网。然后我们可以认为这样决定的交易就是最终结果，于是解决了区块一小时6区块的时延和无法确认达成共识的两个问题，然后顺带的，因为POW的共识只决定委员会出块者，所以交易的输出不再受限于POW，而只受限于BFT的输出。而无论是在做BFT还是做完BFT把交易广播到全网的时间里，都不影响POW继续进行下一轮共识。

2 Bitcoin-NG的选举合法出块者的微区块解决方案

Bitcoin-NG—首先还是照常用比特币POW，只不过，这个时候出来的区块里面不用包含所有交易，只是宣布——我是竞争胜出的合法出块者。然后，在十分钟之内，这个出块者可以以更快的速度（更短的区块间隔）发“微区块”，其中只包含交易而不需要再做POW，因为他已经竞争得了这一次的出块权。这样的话，我们达到了和Hybrid Consensus以及Byzcoin一样的效果——用POW选取出块者而不是区块，于是交易本身就和共识脱钩了。

问题：如果微区块有非法交易怎么办
解决方案：当非法交易被发现的时候，后面的节点可以将这个交易注明无效，然后拿走提交非法交易的出块者之前获得的区块奖励

如果最终共识总是验证失败的话，这个算法实际上就会退回成比特币POW。然而，只要大部分时间最终共识正确，这个算法就可扩展了。

上述pow共识选举节点BFT交易共识和Bitcoin-NG选举节点发起交易微区块的异同：

相同点：两者都通过用POW选取出块者而非区块（交易）本身的方式把共识和交易脱钩。

不同点：Hybrid Consensus（Byzcoin）中，通过BFT决定交易，认为交易已经是可信的。而Bitcoin-NG中出块者发出来的交易微区块仍旧未经验证，于是可能是非法的。于是，Bitcoin-NG中所有节点需要在同步交易之后验证交易的有效性，然后Bitcoin-NG根据博弈论设计了另一套激励（惩罚）模型，来保证微区块中交易的安全性。

3 总结

两者都改变了比特币的安全模型——后者我们已经说过了微区块中的交易需要通过“有毒交易”来惩罚，而前者由于需要进行BFT，所以安全性假设需要改成“不超过1/3的算力被恶意节点掌握”，这点和比特币假设中不超过50%算力安全是不一样的。而且，尽管从理论上来讲，Hybrid Consensus并没改变最近100个出块的人，只不过是把轮流出块变成大家一起商量着出块了而已。然而，这种改变仍旧会给人中心化的感觉，尤其当90%以上的算力都集中在大矿工的手中的时候——在比特币POW里，小矿工还能出块，但是如果在委员会之中，小矿工的意见就会淹没在90%的大矿工之中。而且，委员会选举会陷入这样的两难——比如，如果委员会大小过小，那么了解概率的人都知道，这10个节点中超过3个是恶意的概率是不小的，因此安全性保证不了。而如果这个委员会过大，那么BFT本身的复杂度和延时又会变得很大，使得算法失去了扩容的意义。

但其实，以上的这些，是一些理论上需要注意的问题，但并不是缺陷。从安全性来讲，虽然两者改变了安全性假设，但是并不是就不安全了，也并不是说两者就一定比比特币POW要不安全，毕竟比特币POW也有例如自私挖矿这种问题。然而，无论是比特币特有的政治因素，还是整个比特币的社区意愿和对安全性的担忧，再者就是比特币硬分叉的难度，都不会允许比特币对算法进行如此之大的改变。而再之后，POW在学术界中的热度也迅速降温（参见之前文章中BFT的发展历史），于是，仅有非常少的系统最终采用了这两种POW算法（有某个知名项目用了Bitcoin-NG）。但两者的思路——先选取委员会再进行BFT和先选取区块发布者的这种思路，完完整整地被例如Algorand和Snow-white或Ouroboros这种POS算法继承了

4 Ghost贪婪最重可观测子树算法

背景：

当你收到一个区块的时候，你开始对这个区块进行验证，确认区块的合法性之后，你开始在这上面挖矿。然而，在收到第一个区块10秒钟之后，你收到了另一个区块，然后，在通过验证之后，你发现它也是合法的……

这个时候，你将面临一个两难选择——你可以选择继续在第一个区块上挖矿，因为你觉得既然你先收到了它，也许很多其他的节点也一样。但是，你也知道有另一种可能性，就是也许你只是收到第二个区块的时间比较晚，而网络中其他的节点实际上最早收到的是第二个……但无论如何，你都只能选一个，选错的后果就是你挖的那个块最终没有出现在最长链上，而你的这些算力浪费了。

而与此同时，网络中所有的节点都在做这样的选择，也同样面临着算力被浪费的风险，这就是分叉导致比特币安全性下降的原因。

ghost解决方案：

在这种算法中，允许将看到的几个同高度的区块同时标记为前一个区块，然后其中一个为主，是“父块”，而其他几个为“叔块”。父块中的交易和比特币POW的父块同样对待，而叔块则只记录区块头，剩下的交易部分验证之后就丢弃。然后，最重要的部分是，将比特币POW的最长链共识改为最重链共识，即把分叉的深度也计入最长链的统计之中，于是，我们得到了这样的计算方法。

GHOST的思路很简单，它对比特币的最长链规则进行更改，在每次分叉的时候选取拥有最重子树的分叉节点。举例来说（参考上图），就是在0处分叉为1B和1A时，1A的子树（它进行自私挖矿）共有6个块（包括1A块），1B的子树有12个块，12>6, 所以选1B为主链的块。这样就减轻了了分叉带来的问题，使得主链不断向后增长。

该算法，从创世区块(Genesis)开始，每次分叉就选取最重子树，直到确定完主链的序。还是拿图中的例子，最终选取的主链是 0, 1B, 2C, 3D, 4B。

ghost优势：

收敛特性：任何一个区块，经过足够长的时间，最终会被主链完全丢弃或者采用。也就是经过足够长的时间，任何节点的主链会是一样的。

抗51%攻击：在有限的时间内，攻击者将任意在主链区块B，替换到链下的概率接近于0。

吞吐量和安全性：如下图，随着区块生成速度λ（每秒产生的区块数）增加，GHOST的吞吐量相对于最长链Longest Chain规则没有太多下降，并且安全性没有任何下降，而最长链的安全性却指数下降

劣势：
不论是POW共识还是GHOST共识，他们都是只维护一条主链，非主链的区块则被抛弃了，因此也就导致了这些被丢弃的块不能为整个区块链系统提供安全性，并且也降低了吞吐量（因为这些快被抛弃了，实际上也就是说系统的带宽被浪费了，因此他们就不能为系统贡献吞吐量）

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