北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》ETH笔记

5.0 ETH中GHOST协议篇

BTC系统中出块时间为10min，而以太坊中出块时间被降低到15s左右，虽然有效提高了系统反应时间和吞吐率，却也导致系统临时性分叉变成常态，且分叉数目更多。这对于共识协议来说，就存在很大挑战。在BTC系统中，不在最长合法链上的节点最后都是作废的，但如果在以太坊系统中，如果这样处理，由于系统中经常性会出现分叉，则矿工挖到矿很大可能会被废弃，这会大大降低矿工挖矿积极性。而对于个人矿工来说，和大型矿池相比更是存在天然劣势。正常来说，挖矿的收益应该是个体在整体算力所占的比例是多少，收益就是多少。当分叉出现的时候，大矿池一定会按照自己原先挖的区块上继续往下挖，而同时一个个体矿工挖到的是分叉的区块，那别人也会去沿着大矿池挖到的块挖，因为这个块成为最长合法链的概率是最高的。并且大型矿池的网络比较好，别的矿工更容易收到它挖的块。故个体矿工非常占劣势，由此可见挖矿时间也不是说越短就越好。

对此，以太坊设计了新的公式协议——GHOST协议(该协议并非原创，而是对原本就有的Ghost协议进行了改进)。

5.1 GHOST协议

GHOST协议最初版本

如图，假定以太坊系统存在以下情况，A、B、C、D在四个分支上，最后，随着时间推移B所在链成为最长合法链，因此A、C、D区块都作废，但为了补偿这些区块所属矿工所作的工作，给这些区块一些“补偿”，并称其为"Uncle Block"（叔父区块）。规定E区块在发布时可以将A、C、D叔父区块包含进来，A、C、D叔父区块可以得到出块奖励的7/8，而为了激励E包含叔父区块，规定E每包含一个叔父区块可以额外得到1/32的出块奖励。为了防止E大量包含叔父区块，规定一个区块只能最多包含两个叔父区块，因此E在A、C、D中最多只能包含两个区块作为自己的出块奖励。

假定一个矿工挖出了B，此时他沿着其所在链继续挖，在挖E的时候，则可以将A包含进区块挖矿，若挖矿过程中又听到C也是“叔辈”，则可以停止挖矿，将C包含进来重新组织成一个新区块重新挖矿，实际中，由于挖矿过程的无记忆性，这样并不会降低成功挖到矿的概率。

最初版本缺陷：

因为叔父区块最多只能包含两个，如图出现3个怎么办？或者自己的区块E已经发布完了，然后才收到叔父区块，已经来不及了，那这个新听到的区块（A或者C或者D）又变成了丢弃的区块，怎么解决？
矿工出于商业利益，故意不包含叔父区块，导致叔父区块（对手）可以得到的7/8出块奖励没了，而自己仅仅损失1/32。如果甲、乙两个大型矿池存在竞争关系，那么他们可以采用故意不包含对方的叔父区块，因为这样对自己损失小而对对方损失大。

Ghost协议新的版本

如下图中1为对上面例子的补充，F为E后面一个新的区块。因为规定E最多只能包含两个叔父区块，所以假定E包含了C和D。此时，F也可以将A认为自己的的叔父区块(实际上并非叔父辈的，而是爷爷辈的)。如果继续往下挖，F后的新区块仍然可以包含B同辈的区块(假定E、F未包含完)。这样，就有效地解决了上面提到的最初Ghost协议版本存在的缺陷。因为如果你不包含上一辈的叔父区块，那下一个区块不一定是你挖出来的了，别人就会去包含你刚没包含的那个区块。损人不利己。

但这样仍然存在一定的问题。

我们将“叔父”这个概念进行扩展，但问题在于，“叔父”这一定义隔多少代才好呢？如果隔个好几千代，那就在很久之前在挖矿难度低的时候，发布很多叔父区块，期待被包含。如下图所示，M为该区块链上的一个区块，F为其严格意义上的叔父，（图别看叉了，M和F只差了一辈，把下面一行往右移动些更好），E为其严格意义上的“爷爷辈”。以太坊中规定，如果M包含F辈区块，则F获得7/8出块奖励；如果M包含E辈区块，则F获得6/8出块奖励，以此类推向前。直到包含A辈区块，A获得2/8出块奖励，再往前的“叔父区块”，对于M来说就不再认可其为M的"叔父"了。对于M来说，无论包含哪个辈分的“叔父”，得到的出块奖励都是1/32出块奖励。也就是说，叔父区块的定义是和当前区块在七代之内有共同祖先才可（合法的叔父只有6辈）。

这样，就方便了全节点进行记录，因为如果包含了隔好几千代的叔父区块，那它要维护的状态就太多了，你发布的区块包含着叔父区块，其他节点也是要验证的。此外，设计7代之内的逐级递减的奖励可以鼓励一旦出现分叉尽早进行合并。（但是M去合并无论上哪辈的区块得到的奖励都是1/32，不是逐级递减的，怎么就能鼓励尽早合并呢？我这里理解的是，A到F的分叉区块很有可能有和M是一个矿池的，M越早合并自己挖出来的分叉区块，奖励越多）

5.2 以太坊中的奖励

BTC：静态奖励(出块奖励)+动态奖励(交易费，占据比例很小约占出块奖励的1%)。 ETH：静态奖励(出块奖励+包含叔父区块的奖励)+动态奖励(汽油费，占据比例很小，叔父区块得不到汽油费。) BTC中为了人为制造稀缺性，比特币每隔一段时间出块奖励会降低，最终当出块奖励趋于0后会主要依赖于交易费运作。而以太坊中并没有人为规定每隔一段时间降低出块奖励。

以太坊中包含了叔父区块，要不要执行叔父区块中的交易？不应该，叔父区块和主链上区块有可能包含有冲突的交易。而且我们前文也提到，叔父区块是没有动态奖励的。因此，一个节点在收到一个叔父区块的时候，只检查区块合法性（是否符合挖矿难度要求，只查header就行了。）而不检查其中交易的合法性。

当然，对于分叉后的堂哥区块（叔父的儿子）怎么办？例如下图所示，A->F该链并非一个最长合法链，所以B->F这些区块怎么办？该给挖矿补偿吗？如果规定将下面整条链作为一个整体，给予出块奖励，这一定程度上鼓励了分叉攻击（降低了分叉攻击的成本，因为即使攻击失败也有奖励获得）。因此，ETH系统中规定，只认可A区块为叔父区块，给予其补偿，而其后的区块全部作废。

5.3 以太坊真实数据

Etherscan网站，该网站可以实时观看以太坊的数据。以下截图为我于2020/2/28截的图，和肖老师视频中截图存在一定差异。但具体内容基本一致。

这里是叔父区块的情况，第一列Block Height就是区块的序号，看#1，这个区块的序号比UncleNumber小了2个，隔了两代，奖励6/8的区块奖励。在例子中是3个ETH为出块奖励，3*6/8=2.25个ETH。其他也是类似。

左边：看Block Reward最后加了0.09375，说明这个区块引入了一个叔父区块，并且对应的叔父区块获得了2.25Ether的奖励，说明隔了两代。

右边：看Block Reward最后加了0.1875，说明这个区块引入了两个叔父区块，并且对应的叔父区块获得了4.875Ether(2.625+2.25)，包含了一个隔一代和一个隔两代的叔父区块。

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