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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。

对此,以太坊设计了新的公式协议——GHOST 协议。

为什么说个人矿工存在劣势?

正常来说,挖矿获得的收益是于算力成正比的,但是大型矿池更愿意沿着自己的分叉向下挖,因为它的算力强,挖出新区块的概率更大,而且其他矿工也因为这个原因更愿意沿着这个链挖,因此这个链更容易成为最长合法链,导致个人矿工挖出来的区块都白挖了。(centralization bias)

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。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。

==这个设计于有利于鼓励系统中出现分叉之后及时进行合并==。

图片说明

假定一个矿工挖出了 B,此时他沿着其所在链继续挖,而他知道 A 是和自己“同辈”,则可以将 A 包含进区块挖矿。若挖矿过程中又听到 C 也是“同辈”,则可以暂停挖矿,将 C 包含进来重新组织成一个新区块重新挖矿。实际上,==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==。

缺陷

  • 叔父区块最多只能包含 2 个,如图出现 3 个怎么办?
  • 如果已经挖出这个区块了,才收到叔父区块的信息,这时候就不能把叔父区块包含进来了。
  • 矿工自私,故意不包含叔父区块,导致叔父区块 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。

图片说明

但这样仍然存在一定的问题,我们将“叔父”这个概念进行了扩展,但问题在于,“叔父”这一定义隔多少代才好呢?

==如果没有限制,就可以挖很久之前的叔父区块,因为那时候挖矿难度低,可以很快挖出很多区块,得到 7/8 的奖励==。

如下图所示,M 为该区块链上一个区块,F 为其严格意义上的叔父,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 7 代之内有共同祖先才可(合法的叔父只有 6 辈)。

图片说明

这样,就方便了全节点进行记录,此外,也从协议上鼓励一旦出现分叉马上进行合并。

以太坊中的奖励

  • 静态奖励:出块奖励(block reward)、包含叔父区块的奖励
  • 动态奖励:汽油费,占据比例很小,叔父区块没有

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,要不要包含叔父区块中的交易?

不应该,叔父区块和同辈的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,只检查区块合法性而不检查其中交易的合法性。

**对于分叉后的堂哥区块怎么办?**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。

图片说明