金色观察｜PoW共识该如何进化？

比特币是加密货币网络中第一个成熟的代表产品，也是因为比特币网络的出现，才后继发展出以太坊等世界计算机雏形。

不过后续公链为了性能需求，做了过多更改和添加，其中最重要的是把公链的共识彻底更改为PoS，尽管以太坊还没有彻底改变，但也已经提上日程。

我们不禁需要思考，能不能不修改PoW共识，而达到其性能呢？我们就以本文讨论一下，PoW共识该如何进化。

因为共识算法主要应用在区块链网络结构的共识层，可以理解为layer1。而如果对PoW共识进行更改，那对比对象就是比特币的PoW中本聪共识和以太坊的ethhash，今天不用谈其对ASIC芯片和GPU芯片的规定，而是在PoW出块验证过程中的变化。

中本聪共识是区块链早期广泛使用的一种共识方法。目前为止中本聪共识仍是容错能力最好的，其设计简单，通讯开销低，经过了数十年的验证。但是该共识有一个自然的吞吐量限制。其吞吐能力较低，出块时间过长，用户体验较差。

金色午报 | 11月11日午间重要动态一览:7:00-12:00关键词：阿根廷国会、交通区块链白皮书、DeFi、Dash

1.阿根廷国会正推进数字货币相关法案；

2.交通区块链白皮书在成都发布；

3.以太坊上DeFi协议总锁仓量突破150亿美元；

4.海淀区司法局“律师执业申报”区块链场景落地；

5.Dash将于11月17日起激活Spork21；

6.报告：2020年第三季度Dash网络交易平均增长率为30%；

7.灰度BTC信托增持1701BTC 灰度LTC信托增持超5万枚；

8.西班牙赞成启动新监管金融科技测试平台允许公司启动加密相关项目。[2020/11/11 12:17:46]

如果你想提高吞吐量，你可以做两件事：一是增加块大小（如比特币现金，比特币无限），二是降低块间隔，但这会增加孤块率。消耗带宽，也不利于交易确认。随着孤块率的增加，系统的安全性下降，吞吐量下降。

分析 | 金色盘面： XMR/USD注意关注86位置压制情况:金色盘面综合分析：XMR/USD短线存在反弹需求，但只有突破86阻力才能结束弱势局面，注意关注其压制情况。[2018/8/14]

当孤块率非常高时，攻击者很容易秘密生成更长的链。攻击者则不需要 51% 的算力，可以用更少的算力覆盖区块链。

如果我们想突破吞吐量限制，必须想办法降低孤块率。

孤块出现的原因来自于块的传播延迟，如果在传播另一个块时发现一个块，则其中一个注定是孤块。

而一些区块的传播速度较慢，是因为这些区块相关有更多的新交易，新交易是在区块打包前的 10 秒内生成的未同步交易，因此矿工必须先同步这些交易，然后才能进一步传播这些块。

例如，当节点 A 向节点 B 传播一个块并且其中没有新的交易时，节点 B 可以立即将这些块传输给它的所有邻近节点。

金色财经独家分析 软银结合自身支付优势大力拓展区块链领域:金色财经独家分析，日本软银集团、瑞穗银行已联合投资了一家名为J Score的科技企业，该企业社长大森隆一表示，将探索利用虚拟货币的全新融资、支付方式。软银是日本一家电信业与媒体业的控股公司。其旗下的子公司所参与的业务包括宽带网络、固网电话、电子商务、互联网服务、网络电话、科技服务、控股、金融、媒体与市场销售等。作为一家全球知名的企业软银对于区块链领域也在全面布局，前段时间，数字货币市场分析平台比特易宣布在近期获得软银中国资本。日本软银SBI集团旗下的技术公司SBI Bit透露，SBI Bit正在筹建数字货币交易所。另外，软银集团成立“运营商区块链研究小组”，旨在通过区块链技术改善电信业服务，尤其是以支付为主，实现不同运营商之间的余额充值。可以看出，软银正在用区块链结合自身传统支付业务优势，拓展新的商业模式。[2018/5/8]

但是，如果区块中有新交易，节点 B 必须首先从节点 A 同步这些交易，然后验证这些交易的签名，这也需要时间。只有当整个区块的有效性得到验证时，节点 B 才能继续传播这个区块。

金色财经独家分析 区块链不是“万金油”:今天，CoinDesk咨询委员会主席称区块链无法解决Facebook的问题，这源于目前的区块链技术无法满足高频数据流通的需求，不仅如此，即便满足高频数据流通的需求，区块链技术也不是能够完美解决类似Facebook所面临的数据泄露事件，这因为去中心化的状况下，每个分布节点在处理高频数据流通时起数据存储及处理的功耗总和更高。由此可见，区块链并不是适用于任何行业及领域。[2018/4/12]

以太坊出现后，对中本聪共识并没有实质性的改善。其只是简单地缩短了出块间隔。

并且以太坊还有一个问题，因为交易的有效性取决于区块内的交易顺序，验证交易，必须等到区块收到后，因此无法在收到实际区块之前验证交易有效性。

也即是因为这样，每个区块中的每笔交易都会被视为新交易。交易传播中有很多冗余。例如一个以太坊客户端可能会将同一笔交易传播到不同的节点七次，而这些交易就意味着以太坊会出现非常高的孤块率，数据表明，可能有时高达 30%，严重占用网络资源，造成交易堵塞。

以太坊还有叔块的设置，如果这些孤块被纳入最长链，可以拿到部分奖励，但叔块的数量和奖励无济于事。

因此，这些迟缓的交易确认流程和技术现象，造成了PoW共识表现出的比特币网络和以太坊网络的问题。

那可以如何改善PoW共识?

在现有的设计案例中，可以看到两种必要的方法。

首先是挖矿难度调整，这是对于计算出块难易程度的预估，比特币和以太坊是定期调整的，并且是较长周期内调整，而改善后的PoW共识内可以通过一个小周期（时隙）来调整，一个时隙会包含多少个块，以保证快速调整到平稳的难度值。这对出块时间也是重要的。

第二个必要的改进就是调整出块时间，而这涉及到很细节的过程。在上文中，因为区块打包前的新交易会不停延迟区块链传播时间，那如果让传播节点不再因新交易出现而延迟同步，出块就会变快速，但需要将新交易，以及漏掉的交易进行新的验证打包。这就需要一个新的交易提交渠道。

我们在NC-MAX的算法里查到了一个设计。

那就是将区块中添加了一个“叔块头”区域，允许矿工将尽可能多的叔块嵌入到一个块中。叔块可以在区块中传播他们的头和他们的交易提议区，但叔块不计入块大小限制。

另外还需要添加了一个交易提议区，其中可能包含一些新交易的提交，交易在传播区块后同步。并且是并行同步的，不会影响块的传播过程。只要哈希检查，不会影响块的有效性。

还有一种可以称之为智能的方式，那就是让出块时间设计为动态变化。

在PoW链正常的共识出块中，会出现孤块、叔块，这会影响链的数据，但如果通过一个数据来监控孤块和叔块，进而调整出块时间和块大小。就足以让所有链上的资源变得更智能。

例如还有一个公链的案例是引入叔块率等运行期数据，对出块时间，难度，出块奖励进行动态调整，进而最大限度利用网络资源。

详细的过程如下：当区块越大，出块时间越短，孤块会越多，而孤块率增加会降低双花攻击的难度，所以需要将孤块率限制在一个阈值之内。

如果在孤块基础上，引入叔块。首先，定义每 N 个块为一个 Epoch。并且为每个Epoch定义出叔块。

这样就可以用 Epoch 内的叔块率评估网络的拥塞情况，并以此作为出块时间，出块大小调整的依据，实现充分利用网络，提升吞吐的同时，也可避免区块过大或者出块时间太短导致孤块过多，安全降低。

为了将叔块维持在一个合适的阈值内，在每个 Epoch 末，都会重新调整下一个周期的出块时间。

如果叔块率较高，则说当前的出块时间间隔下，网络中存在较多的分叉和孤块，我们需要调大出块的时间，缓解此问题。反之，则说明全网出块情况良好，还能进一步缩短出块时间，进一步提高全网吞吐。

以此看来，通过对PoW共识设计的改变，足以改善PoW链的表现能力，但如果用此与PoS链相比，仍旧是无法比较的，只是通过这样的改进，在面临网络拥堵情况下，链的处理能力是更高的，也是更可控的，这样的调整下，部分项目可以保持对PoW共识的信仰，同时其网络资源也是在矿工经济模型的保护之下运行的，在行业面临巨大问题时，可能会有缓冲效果。

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