區塊鏈共識算法解讀:PoW算法之GHOST

問題引入：高吞吐量下比特幣的安全性如何？

比特幣爲了保障其安全性，採用最長鏈規則，並固定了區塊大小和出塊時間間隔，從而導致其低吞吐量(<10Tps)和長時間區塊確認間隔(6個區塊，每個區塊平均需要10分鐘），這一直以來飽受詬病，影響了比特幣網絡的大規模使用。

一開始人們思考的是在比特幣最長鏈的規則上，通過增加區塊大小（1M->4M)和減小出塊間隔來增大吞吐量，但是這卻帶來了三個很大的問題：

• **不斷的分叉！**分叉也就意味着安全性降低，容易引起雙花攻擊。
• 區塊獎勵受網絡延遲影響：整個網絡的區塊獎勵不單單與算力有關，網絡延遲較低的節點更有可能獲得出塊獎勵。
• **容易受到自私挖礦攻擊：**惡意節點出塊後先不公佈，直到發現比主鏈長時再公佈

下圖闡釋了在一種區塊生成間隔較小（區塊生成率大於區塊傳播延遲）的網絡中，區塊鏈網絡高度分叉，此時攻擊者可以祕密創造6個區塊（由紅色虛線標記），從而超過主鏈的場景。

於是，研究人員開始思考，如何在保證高吞吐量的同時，還能保證安全性？

2015年，以色列的學者Yonatan Sompolinsky和Aviv Zohar就提出了一種The Greedy Heaviest-Observed Sub-Tree (GHOST)貪婪最重可觀測子樹算法，以解決這個問題。

論文鏈接：共識算法相關paper:Secure High-Rate Transaction Processing in Bitcoin

那麼GHOST又是如何做的？

GHOST的思路很簡單，它對比特幣的最長鏈規則進行更改，在每次分叉的時候選取擁有最重自樹的分叉節點。舉例來說（參考上圖），就是在0處分叉爲1B和1A時，1A的子樹（它進行自私挖礦）共有6個塊（包括1A塊），1B的子樹有12個塊，12>6, 所以選1B爲主鏈的塊。這樣就減輕了了分叉帶來的問題，使得主鏈不斷向後增長。

也就是說，主鏈之外的區塊也被計入了算力。具體的算法如下，輸入整個樹結構的區塊鏈，輸出最終主鏈的最後一個區塊B：

該算法，從創世區塊(Genesis)開始，每次分叉就選取最重子樹，直到確定完主鏈的序。還是拿圖中的例子，最終選取的主鏈是 0, 1B, 2C, 3D, 4B。

那麼GHOST能否保證能夠唯一的確定主鏈嗎？相對於比特幣他的安全性又如何？GHOST算法對吞吐量的影響又如何呢？這就涉及到GHOST的特性。

GHOST特性

1. 收斂特性：任何一個區塊，經過足夠長的時間，最終會被主鏈完全丟棄或者採用。也就是經過足夠長的時間，任何節點的主鏈會是一樣的。
2. **抗51%攻擊：**在有限的時間內，攻擊者將任意在主鏈區塊B，替換到鏈下的概率接近於0。
3. 吞吐量和安全性：如下圖，隨着區塊生成速度λ（每秒產生的區塊數）增加，GHOST的吞吐量相對於最長鏈Longest Chain規則沒有太多下降，並且安全性沒有任何下降，而最長鏈的安全性卻指數下降

前路

GHOST在保證安全性的前提，提升了TPS，那麼有沒有可能進一步提升？

同時由於把非主鏈的區塊拋棄了，只有主鏈的區塊纔有出塊獎勵，這樣的激勵機制會導致礦工不願意貢獻算力，這又改如何解決？

敬請關注，後續的PoW共識算法解讀！