区块链深度技术解析（一）：PoW&Block Time

本系列分享一些关于区块链的深度技术见解。

区块链，作为分布式系统的一种形式，其通过区块高度建立区块链的顺序，在几乎所有基于PoW共识出块的公链系统中，都需要使用动态的难度调整机制，以在全网算力大小动态变化的情况下，控制固定的区块时间。例如在bitcoin中，区块时间被为10分钟。

那么，在中本聪设计Bitcoin之初，为何选取10分钟为区块时间？为何不选取更短的区块时间，以加快区块生产速率呢？如果这样，比特币交易的处理速度就会快得多。

Satoshi Nakamoto （比特币的发明者）自己决定，区块生产速度应保持每 10 分钟 1 个区块的稳定平均速度。这是因为，区块链估计需要 10 分钟将最新区块传播到全球所有节点，以便区块链保持适当的同步。

如果块以更快的速度生成，地球另一端的一些节点可能无法足够快地赶上最新的交易数据，这可能导致节点不再正确对齐，从而导致“叔块”（链分裂），这基本上是一个区块链必须尽可能避免的事情，以便保持安全。换言之，其目的在于防止主链频繁fork出现支链。

有好奇心的读者可能会发问，同样是PoW共识算法的以太坊，为什么可以做到17秒的区块时间呢？

以太坊通过GHOST协议来实现对区块时间的加速。幽灵协议，英文为“GHOST(Greedy Heaviest Observed Subtree) Protocol”，由 Yonatan Sompolinsky 和 Aviv Zohar 在 2013 年 12 月提出。GHOST 是一种主链选择协议，经典的 PoW 共识协议是取最长链为主链的原则，进行下区块的选择。GHOST 协议是包含子树数目最多为基本原则，进行下区块的选择，这是 GHOST 与 POW 协议的最大差异也是唯一差异。

统计上，以太坊有 10% 的分叉率。因此以太主网发生分叉后尽快合并以维护主网的同意尤为重要。

下图中，假设一个大型矿池 A 打包了一个黑色的 3 号区块，并将 3 号区块 flooding 发送出去，告知其他矿工 3 号区块已经被 A 挖掘出来了。以太坊中的出快时间是 15 秒，在 15 秒内这个 3 号区块并没有完全扩散到整个区块链网络中，因此其他没有收到这个区块的节点会继续挖掘 3 号区块。

发布了 3 号区块之后 A 继续挖 4 号区块，在此过程中 A 陆续收到了其他节点挖出的 3 号区块的通知。上图中假设 A 收到了来自其他四个节点发布的 3 号区块（上图中灰色表示，分别是 3A、3B、3C 和 3D （代表叔块而不是父块）），A 收到这四个区块之后，意识到必须尽快挖出 4 号区块以证明自己所在的链才是主链，让他们在 A 发布的 3 号黑色区块上继续挖掘 4 号区块。有什么办法让其他节点认同并合并到 A 发布的 3 号区块呢？

A 会在正在挖掘的 4 号区块上打包两笔铸币交易（因为以太坊规定每个区块最多包含 2 个对叔父区块的奖励），这两笔交易分别奖励给发布 3A 和 3B 区块的矿工，这两笔交易的价值分别是出块奖励的 7/8，即 3A 和 3B 被 A 招安，除了出块奖励以外，还能获得出块奖励额外 1/32 的奖励。

这样，3A 和 3B 在收到招安奖励后，会停止在 3A 和 3B 继续挖矿而是会在 A 的 4 号区块后挖掘，因为他们已经获得了叔块奖励，继续挖掘的意义不大。

3C 和 3D 几乎同时与 3A 和 3B 发布区块，后者得到了奖励，那么前者就要被主网抛弃吗？显然，这是不合理的。所以以太坊考虑到一个区块会发生多个分叉的情况，设计了二代叔块概念，即当在 4 号区块之后的 5 号区块的发布者可以继续招安 3C 和 3D，但是因为区块中间隔着 3 号区块，3C 和 3D 仅可以获得 6/8 的出块奖励。而 5 号区块的发布者可以获得出块奖励之外的额外 1/32 的招安奖励。

通过GHOST协议，未被包含在主链中的叔块与二代叔块同样可以获得挖矿奖励。但值得注意的是，这些叔父区块后面继续挖掘出来的区块不会得到任何奖励，这是为了激励其他区块在发现最长的区块链之后尽快进行合并。

作为系列第一篇，我们阐释了block time的含义及作用，以及在PoW共识中Bitcoin与Ethereum不同的处理方式。下一篇我们将把目光放在timestamp，讨论其在调整区块难度方面的作用，以及其潜在的不足。

（作者：链博科技，内容来自链得得内容开放平台“得得号”；本文仅代表作者观点，不代表链得得官方立场）