比特币: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试验品，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的雏形。

不过后续公链为了性能需求，做了过多更改和添加，其中最重要的是会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。

金色晨讯丨11月13日隔夜重要动态一览:21：00-7：00关键词：数字欧元，美联储，PayPal，欧科云链

1.欧洲央行行长：预感欧洲将推出数字欧元；

2.灰度资产管理总规模达到94亿美元；

3.比特币成为按市值计算全球第二十大资产；

4.CME比特币期货11月合约收报16240美元；

5.美股三大指数收盘均下跌 区块链概念股涨跌各异；

6.欧科云链将于11月27日举行董事会会议；

7.美联储副主席：美联储仍处于调查数字美元可行性的早期阶段；

8.PayPal正为所有符合条件的美国用户开放加密货币服务；

9.比特币持续上涨，日内最低报15884.79美元，最高报16339.63美元。[2020/11/13 14:10:29]

如果你想提高吞吐量，你可以做两件事：一是增加块大小，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。随着孤儿率的增加，系统的安全性下降，吞吐量下降。

金色午报 | 9月10日午间重要动态一览:7:00-12:00关键词：美国、Filecoin、Sushiswap、EOS

1. 美国能源和商业委员会通过两项区块链技术相关法案；

2. Filecoin主网启动窗口将在9月28日结束；

3. Sushiswap迁移后锁仓量突破12亿美元跻身前三；

4. EOS挖矿项目珊瑚的wRAM遭黑客\"重入\"攻击，损失超12万EOS；

5. Compound提出自治提案 首个提案为增加社区多签名；

6. 纽约监管机构负责人：加密货币是重要的金融替代方案；

7. Curve新增HBTC/WBTC资金池锁仓超过600万美金；

8. OKEx正式推出OKB质押挖矿；

9. 区块链电信行业应用成果发布。[2020/9/10]

当孤儿率非常高时，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。

分析 | 金色盘面：QTUM短线跌至上升通道下边缘:金色盘面综合分析：QTUM短线跌至上升通道下边缘，关注短期内的支撑位6.28，若成功支撑或有望走出小幅反弹行情。[2018/8/7]

如果我们想突破吞吐量限制，必须想办法降低孤儿率。

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传播一个紧凑块并且其中没有新的交易时，节点B可以立即将这些紧凑块传输给它的所有邻近节点。

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。

金色独家 | 肖磊：传统市场缺乏可以直接交易的比特币衍生品:据外媒报道，加密货币现货价格在2018年的前两个季度一直处于低迷状态。尽管市场情绪看跌，但CBOE和CME集团在2018年第二季度出售的期货合约大幅增加。针对目前比特币现货市场低迷，然而期货市场交易量却上涨的态势，金色财经独家采访到数字货币分析专家肖磊，他表示，“这两个交易所市场的比特币期货合约，本身是一个新品种，是从无到有的一个过程，因此这个过程肯定是交易量放大的过程，但整个来看，由于处在熊市下跌的过程中，期货实际上更容易被投资者接受，因为可以顺势做空，这个对很多此前不看好比特币的投资者来说，是一个可信的参与渠道。整体来说的话，期货市场的交易量，可能会影响到现货市场的情绪，如果交易量持续走高，实际上就算是熊市，也可以看出来市场对比特币交易的热衷程度，这个可能也说明，传统市场目前非常缺乏可以直接交易的比特币衍生品，可能会刺激更多的交易所和金融机构开发比特币等相关的衍生品。”在记者进一步提问期货成交量上涨是否会引起现货资金转移至期货时，肖磊表示，“有这种可能，但做空本身也承受着很大的压力，因为现货市场目前还有价格的主导权，如果现货市场出现一定量的反弹，期货市场做空者承受的压力是倍增的。”[2018/7/13]

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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