以太坊GHOST协议

以太坊的GHOST协议,全称为“Greedy Heaviest Observed Subtree”,是一种用于区块链的共识协议。在比特币的区块链中,只有最长的区块链才会被接受,其他分支链会被抛弃。而GHOST协议则允许快速确认区块,提高区块链的安全性和效率。

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太坊的GHOST协议是什么?

以太坊的GHOST协议,全称为“Greedy Heaviest Observed Subtree”,是一种用于区块链的共识协议。在比特币的区块链中,只有最长的区块链才会被接受,其他分支链会被抛弃。而GHOST协议则允许快速确认区块,提高区块链的安全性和效率。

GHOST协议通过考虑整个区块链中的所有分支来确定主链,而不仅仅是最长的链。当有多个分支存在时,GHOST会选择最重的子树作为主链,而不是单纯选择最长的链。这意味着即使某些区块不在最长链上,只要它们是从主链上直接分支出去的,也会被考虑在内,从而提高整个网络的安全性和速度。

GHOST协议的引入使得以太坊网络更加去中心化和安全。因为矿工有动力挖掘分支链上的区块,而不仅仅是主链上的区块,这样可以防止中心化并提高网络抵抗攻击的能力。同时,GHOST还能够缩短区块确认时间,提高交易速度,减少交易拥堵的可能性。

以太坊共识协议需要解决的问题

以太坊相比于比特币,大幅度提高了出块速度。这样提高出块速度后,临时性的分叉成为了常态,而且分叉数目也会更多。

比特币的共识协议中,只有在最长合法链上的区块得到的奖励才是真正有用的,其他分叉上的奖励其实最后是作废了,成为了orphan block(也称stale block) 。比特币因为出现分叉的不是很多,所以可以这么规定。

而对于以太坊,临时性分叉是常态。如果把分叉的区块作废,那么意味着矿工挖出来的区块很有可能是无用的。

另外,随着挖矿设备专业化、矿池化,矿池出块的速度要比个人挖矿的快的多,在矿池和个人同时挖出来区块出现分叉时,矿池继续扩展自己的链,那么个人挖出来的区块很可能成为不了最长合法链(而且矿池一般都是分布式的,所以在网络中传输也会比个人矿工更快),最后得到奖励的都是矿池。导致矿池得到的奖励超过自己本身算力在整个系统中的比例,越是大型的矿池得到的奖励就越大,最终出现centralization bias(中心化带来的不成比例的优势,例如拥有系统30%算力的矿池却得到了系统60%的奖励)

再者,各个矿池如果挖出的区块出现了分叉,矿池为了不让自己的区块作废,有可能不愿意去扩展最长合法链,而是继续扩展自己的分叉争取让自己成为最长合法链,也不利于分叉的合并。

以太坊的共识协议

以太坊中采用了基于GHOST协议的共识机制。

GHOST协议并不是以太坊发明的,在以太坊出现之前就有已经出现了,以太坊对这个协议做了一些修改。

以太坊出块奖励

在比特币系统中,存在出块奖励的减半机制。

在以太坊中,没有出块奖励减半,每个区块的出块奖励是指定好的:

  1. 在以太坊初期,一个区块的出块奖励是 5ETH

  1. 2017年10月的拜占庭升级,一个区块的出块奖励降到 3ETH

  1. 2019年3月的君士坦丁堡升级,一个区块的出块奖励降到 2ETH

uncle block

GHOST协议的核心是,即使自己挖的区块作废了,也能得到一些出块奖励。被分叉出去的区块,在比特币中成为了orphan block,而在以太坊中叫做 uncle block。

以太坊GHOST协议

区块2虽然没有在最长合法链上,但是如果区块5的uncle block数组里包含了区块2,那么区块2也可以得到7/8的出块奖励。

而区块5,每包含一个uncle block,也可以额外得到1/32的出块奖励(一个区块最多可以包含2个uncle block)。

uncle block不止是叔父辈分

以下图为例存在以下可能性,分叉没有被区块5作为uncle block包含:

  • 挖出区块2的矿池 和 挖出区块5的矿池是商业竞争关系。区块5故意不将区块2作为 uncle block包含进去

  • 先挖出了区块5,后挖出了区块4。区块5因为不知道区块4的存在所以没有将区块4作为 uncle block包含进去

  • 区块5只能包含2个uncle block,已经包含了区块2和区块4,没有办法再包含区块6。

以太坊GHOST协议

为了解决以上问题,在GHOST协议中,没有被区块5包含进去的分叉,可以被区块5后面的其他区块继续包含。(即可以被孙子辈、曾孙子辈…..的后辈作为uncle block 包含进去)。如下图所示:

以太坊GHOST协议

注意:虽然区块6成为了区块7的uncle block,但是因为区块6是区块7的爷爷辈的,所以其得到的以太币将不再是 7/8的出块奖励,而是进行了削减。

uncle block得到的以太币数量

一个区块包含的uncle block不止是叔父辈分,那么会带来以下一些问题:

  • 区块包含的叔父区块特别的古早,查询验证起来需要向前寻找很久很久

  • 随着系统内算力的提升,越往后的区块的挖矿难度越低。所以矿工可以在区块链最前面挖矿难度低的位置不断的挖叔父区块,挣取叔父区块收益,而不再继续扩展最长合法链

.以太坊GHOST协议

为了解决这些问题,以太坊规定,只有在7代以内的uncle block才有奖励。而且随着辈分差的越来越远,得到的奖励也越来越少。具体奖励如图:

以太坊GHOST协议

其中:

  • 区块10只要包含的有uncle block,不管是哪个辈分的,每包含一个都可以得到1/32的出块奖励

  • 区块10的uncle block中如果包含了区块9A(真正直接叔父),区块9A可以得到7/8的出块奖励

  • 区块10的uncle block中如果包含了区块8A,区块8A可以得到6/8的出块奖励

  • 区块10的uncle block中如果包含了区块7A,区块7A可以得到5/8的出块奖励

  • 区块10的uncle block中如果包含了区块6A,区块6A可以得到4/8的出块奖励

  • 区块10的uncle block中如果包含了区块5A,区块5A可以得到3/8的出块奖励

  • 区块10的uncle block中如果包含了区块4A,区块4A可以得到2/8的出块奖励

    • 4再往前的区块3A即使在区块10的uncle block数组中,区块3A也得不到奖励

    • 另外,接着叔父区块分叉扩展的“堂兄弟”区块9A1,也得不到奖励。

      设计出块奖励递减的机制,有利于鼓励出现分叉时尽早的进行合并。

      如果“堂兄弟”区块也可以得到出块奖励,那么“分叉攻击”的成本就会变得很低,即使攻击不成功也能拿到奖励。

      不管是比特币的“最长合法链”机制,还是以太坊基于GHOST的协议,都是为了将临时性分叉尽快的合并。

      uncle block无法得到汽油费

      在比特币中,拥有记账权的节点除了可以得到静态奖励block reward之外,还可以得到这个区块里的动态奖励transaction fee。

      以太坊中类似,除了静态奖励block reward之外,执行区块里的智能合约时还可以得到gas fee。

      uncle block得到的7/8的奖励只是block reward的7/8,不包含gas fee。uncle block 无法得到自己区块里面的gas fee。

      uncle block中的交易不再执行

      uncle block虽然被包含到了最长合法链中,但是其内部的交易实际上不会被执行,只有最长合法链上的区块的交易才会被执行。

      最长合法链上的区块在引入uncle block时,实际上根本不查看uncle block中的交易内容,连交易内容的合法性也不检查。只会检查uncle block的区块头(检查这个区块的挖矿难度的合法性)。

      Etherscan查看以太坊当前状态

      Etherscan网站介绍

      通过 Etherscan网站查看以太坊的当前状态:最近两周的交易量、最新挖出的区块、最新的交易等

      以太坊GHOST协议

      查看区块包含的uncle block奖励

      查看被包含的uncle block列表:来源

      当前一个区块的出块奖励为 2ETH,所以最近的uncle block的出块奖励为以太坊GHOST协议ETH,爷爷辈的uncle block的出块奖励为 以太坊GHOST协议ETH.

      由图中可以看出,uncle block基本都在“叔叔辈”或“爷爷辈“就被合并了。

      以太坊GHOST协议

      uncle block详情:

      可以看到,该区块作为uncle block,得到的 Uncle Reward为  以太坊GHOST协议ETH

      以太坊GHOST协议

      最长合法链上的区块包含uncle block得到的奖励:

      可以看到在 Block Reward中,因为它包含了1个uncle block,而多出了  以太坊GHOST协议 ETH。

      以太坊GHOST协议

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