区块链:金色观察｜PoW共识该如何进化？_Over Powered Coin

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。

“与时共创”2020金色财经年度榜单媒体&网络投票启动:由金色财经发起“与时共创·2020年度榜单奖项”旨在表彰那些2020年度表现卓越、成长快速、勇于创新、突破价值、最具未来潜力的行业先锋。

经过征集期的报名，所有企业/个人将在11月20日-12月3日期间进行媒体&网络投票期。特别说明的是每一类奖项晋级名额不同，此期间媒体占比投票为40%，网络占比投票为60%。

投票方式：对于已有金色财经APP最新版本用户：打开金色财经APP，寻找并点击首页“与时共创”Banner/或其他“与时共创”推荐位置点击-选择板块-搜索想投票的企业-点击投票完成投票-每天可投3票。[2020/11/20 21:31:06]

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。

金色相对论 | 李慧：未来在同一领域肯定会存在多链竞争和并存的情况:在今日举行的金色相对论中，针对“在司法领域有北京互联网法院的“天平链”和杭州互联网法院的“司法区块链”。多个区块链平台的数据会孤岛化吗？未来怎么保证数据的全局性？”的问题，火币区块链研究院副院长李慧表示，未来，在同一领域，肯定会存在多链竞争和并存的情况，这个时候跨链互联就变的很重要，多条链之间进行数据互通和共享以及互操作的需求就会逐步显现出来。区块链的核心理念就是“共享、共赢”，在多链的场景下也依然可以通过跨链技术来实现“共享、共赢”。但这个“共”是个相对的概念，就目前的技术上来说，跨链平台如何构造？最多能容纳更多的链接入？是有技术上的界限的，不是可以无限增加的。所以数据的孤岛化也是个相对的概念，我们只能说是尽量去打破现有的小范围的数据孤岛，先建立起来几个数据大陆，再看看是否能实现数据的全球化。[2020/6/4]

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。

金色相对论 | 蜂窝联合创始人林念龙：币价下跌和算力暴涨 会彻底伤害“追涨杀跌”的投资者:在本期金色相对论之“矿业危·机”中，针对金色财经内容合伙人佟扬“矿机迭代对现有矿圈带来的影响是什么？”的提问，蜂窝COO&联合创始人，糖果资本合伙人林念龙表示：“大算力机器的出现，让矿工产生了恐慌，但是今年下半年和明年上半年的出货量，对比现在的全网算力，不算大，有喘息的机会。从技术上来讲，这次革新是非常难的，非常考验厂家的研发功底。我认为未来厂商的核心竞争力排序：1.技术 2.资本 3.品牌运营。从投资角度来讲，目前矿工比较观望。这次币价下跌和算力暴涨，会彻底伤害“追涨杀跌”的投资者，下个牛市多半也回不来了。能扛住的，基本都是已经回本的老矿工和一些有信仰且资金实力和风险承受能力强的矿工。”[2018/11/19]

如果我们想突破吞吐量限制，必须想办法降低孤儿率。

金色财经现场报道，Jun Yu：区块链最终会拓展至很多行业领域中:在2018年世界数字资产峰会（WDAS）暨FBG年会上，来自OK Blockchain Capital的Jun Yu表示，区块链行业最终会拓展至很多行业领域中，但是区块链还存在一定的缺陷，尤其是在效率等方面，这些缺陷的存在成为阻止区块链大规模应用最大的问题，但区块链在这方面肯定会出现突破的。另外，在加密货币方面，加密货币不止是投资，同时也会将代币市场去中心化。[2018/5/3]

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。

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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