以太坊GHOST协议

GHOST 协议

1 背景

1.1 以太坊出块时间缩短带来的影响

• 利：提高系统吞吐量，降低反应时间。
• 弊：出块速度快，加上底层overlay network传输时间长，使以太坊中容易产生很多的临时性分叉。

1.2 BTC出块奖励机制不再适用于ETH

• BTC出块奖励机制

BTC
           □  （orphan block、 still block）   no reward
         ↙  
  ← □ ← □ ← □ ← □  (longest valid chain)      block reward 以及 tx fee  
         ↖          
           □  （orphan block、 still block）   no reward                      

如果出现了分叉，只有成为最长合法链的区块能够获得block reward 以及 tx fee，没成为最长合法链的区块的出块奖励会作废。

• BTC出块奖励机制不适用于ETH的原因
  • 以太坊分叉太容易产生，按BTC这样处理导致矿工挖到的区块很大概率是白挖的，对挖到区块的矿工尤其个体矿工，是不公平的。
  • 大型矿池的趋势导致mining centralization，这种中心化会给矿池带来不成比例的优势centralization bias，恶性循环。

2 以太坊GHOST协议演进

2.1 核心思想

矿工挖到、发布的区块即使作废了，也能得到出块奖励。

2.2 初版协议

• 内容
  • 叔父区块定义：以太坊将BTC中的orphan block、still block称为uncle block。当前区块发布时，可以包含叔父区块中的交易。
  • 叔父区块奖励：若被当前区块包含，叔父区块会得到7/8出块奖励。
  • 当前区块奖励：在获得出块奖励之外，每包含1个叔父区块，会额外获得1/32的出块奖励。一个区块最多可以包括两个叔父区块。
• 缺陷
  • 只有2个区块能被认为是叔父区块，若存在其他区块，它们无法获得奖励。
  • 如果发布了区块后，才发现了可作为叔父的区块，这个区块无法获得叔父区块奖励。
  • 矿池有竞争关系，出于商业利益，故意不包含某个区块。
• Q & A
  • Q 如果在挖下个区块的时候，又多出现了1个叔父区块，如何将其包含进来？
    A 通过修改block header中的字段，包含2个叔父区块。这种修改对于挖矿没有损失，因为挖矿过程是unmemorable 无记忆的，修改完接着挖和从一开始就设定好参数是一样的，并不吃亏。
  • Q 为什么只能包含2个区块?
    A 若被认为是叔父区块，则能得到7/8的出块奖励，是很高的。如果不加以限制，可以认100个叔父，那以太币太不值钱了。

2.3 协议改进

• 改进点
  拓展了叔父区块的定义，即不一定是当代叔父，可以是隔几代的叔父。
• 目的
  解决了初版协议存在的缺陷，解决系统中出现的临时分叉，鼓励分叉合并。
• 协议内容
  • 叔父区块定义为：在距离当前区块7代以内有共同祖先的区块。
  • 叔父区块奖励: 只有6代叔父区块能够获得出块奖励，随辈分增大从7/8递减至2/8。
  • 当前区块奖励：不管包含了哪一辈分的叔父，包含1个叔父区块额外得到的奖励都是1/32。
  • 合法的叔父只有6个辈份的设计原因：
    • 减少全节点要维护的状态。
    • 设置了7代且出块奖励逐渐递减，有利于鼓励出现分叉之后尽早进行合并。一出现分叉就进行合并，得到的出块奖励是最多的，代数越多出块奖励就越来越少了。
  • 协议的主要目的是解决临时性分叉而非硬分叉。通过规定最长合法链胜出原则，防止交易不容易篡改，提供了临时性分叉合并机制。如果分叉是别的原因造成，出于对运行的区块链协议有不同建议，这种方法是解决不了：
    • 比特币脚本 checkmultisig 检查多个签名的合法性，会从堆栈里多弹出一个元素，正常操作检查无法通过，为了应付一个bug，要先往里面压一个多余的没用的元素。为什么不改这个bug呢？改完之后版本不一样了，一修改会出现硬分叉。
    • 互相认为对方的链是包含了非法交易，用这种方法是合并不了。

ETH
          |←------at most 7 generation------→|
  ←  □ ←  □ ←  □ ←  □ ←  □ ←  □ ←  □ ←  □ ←  □  
       ↖   ↖   ↖   ↖   ↖   ↖   ↖       
         □     □    □    □    □    □    □   (uncle block)
         0    2/8  3/8  4/8  5/8  6/8  7/8  block reward

• 比特币与以太坊出块奖励对比
  • 比特币发布一个区块：
    • 可以得到block reward（也称为static reward）、transaction fee（执行交易才能得到tx fee，称为动态奖励）。
    • block reward定期减半，为了人为制造稀缺性。
    • tx fee大概占了出块奖励的1/100。
    • 比作数字黄金，是用来储值的。
  • 以太坊发布一个区块：
    • 可以得到block reward(固定的和包含叔父区块额外的、动态奖励为gas fee（区块里包含了智能合约，执行智能合约可以得到汽油费）。
    • 叔父区块得到7/8 block reward奖励，叔父区块得不到gas fee。gas fee所占比例很小，大部分是静态的出块奖励，和比特币情况类似。
    • 以太坊未规定定期block reward减半。以太坊block reward调整，不是人为制造稀缺性，是为了调整挖矿难度，为了维护公平性以及以太币的总供给量不出现剧烈变化。这种调整只是一次性，以后不会不断下调。
    • 比作石油，用来消耗执行智能合约。比喻不是完全恰当，因为石油是花完之后就没了，以太坊执行合约只是gas从一个账户转到另一个账户，发布合约付出gas fee,执行智能合约矿工得到gas fee。

• Q & A

  • Q 叔父区块包含进来时，叔父区块里的交易要不要执行？
    A 不应该执行，以太坊、比特币是交易驱动的状态机。链上每次发布一个新的区块，都会使当前状态，转移至下一个状态。主链和叔父区块的交易有可能有冲突。以太坊是通过账户余额，预防双花攻击，两个不一样的交易可能有冲突。若执行叔父区块的交易，可能有些交易变成了非法交易。叔父区块本身不一定非法，执行父区块后在执行叔父区块，可能就非法了。

  • Q 有没有可能检查下叔父区块里哪些是合法的交易，仅执行合法的交易呢？
    A 为确保沿着主链交易，叔父区块的交易，当前区块是不执行的，而且不检查叔父区块交易的合法性。当前区块会通过查block header，查叔父区块是否是合法发布的，是否符合挖矿难度。

  • Q 如何检测有多少个叔父区块呢？
    A 监听到一个就查一下。每个发布区块得说明父区块，可检测叔父区块和我当前区块是否有共同祖先

  • Q 如果分叉之后后面还跟着一串区块，是否将整条链当作叔父区块，给他们奖励，鼓励合并上去?
    A 只有第一个块有奖励，后面都没有奖励，forking attack的成本太低了。如果整链给奖励，分叉攻击成功，交易回滚，否则也能得到出块奖励，那么分叉攻击的成本就大幅度下降了。

ETH
          |←------at most 7 generation------→|
  ←  □ ←  □ ←  □ ←  □ ←  □ ←  □ ←  □ ←  □ ←  □  
            ↖     
               □ ←  □ ←  □ ←  □ ←  □ ←  □ ←  □
            reward  0    0    0    0    0    0