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。

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。

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。

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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。

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。

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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