金色觀察｜PoW共識該如何進化？

比特幣是加密貨幣網絡中第一個成熟的代表產品，也是因為比特幣網絡的出現，才后繼發展出以太坊等世界計算機雛形。

不過后續公鏈為了性能需求，做了過多更改和添加，其中最重要的是把公鏈的共識徹底更改為PoS，盡管以太坊還沒有徹底改變，但也已經提上日程。

我們不禁需要思考，能不能不修改PoW共識，而達到其性能呢？我們就以本文討論一下，PoW共識該如何進化。

因為共識算法主要應用在區塊鏈網絡結構的共識層，可以理解為layer1。而如果對PoW共識進行更改，那對比對象就是比特幣的PoW中本聰共識和以太坊的ethhash，今天不用談其對ASIC芯片和GPU芯片的規定，而是在PoW出塊驗證過程中的變化。

中本聰共識是區塊鏈早期廣泛使用的一種共識方法。目前為止中本聰共識仍是容錯能力最好的，其設計簡單，通訊開銷低，經過了數十年的驗證。但是該共識有一個自然的吞吐量限制。其吞吐能力較低，出塊時間過長，用戶體驗較差。

G20金融穩定委員會將于10月推出全球性的加密貨幣監管規則:7月11日消息，由G20的監管機構、財政部官員和央行行長組成的金融穩定委員會（FSB）發表聲明稱，將于10月推出全球性的加密貨幣監管規則。該聲明稱，包括穩定幣在內的加密資產正在快速發展，但需要在國內和國際層面受到與其構成的風險相稱的有效監管和監督，且相關服務提供商必須始終確保遵守其運營所在司法管轄區的現有法律義務。該聲明還表示，如果穩定幣要被用作廣泛使用的支付手??段或在金融體系中發揮重要作用，則應在強有力的監管和相關當局的監督下獲取穩定幣，FSB正在努力確保加密資產受到強有力的監管，并將于10月向G20財長和央行行長報告穩定幣和其他加密資產的監管方法。[2022/7/11 2:05:31]

如果你想提高吞吐量，你可以做兩件事：一是增加塊大小（如比特幣現金，比特幣無限），二是降低塊間隔，但這會增加孤塊率。消耗帶寬，也不利于交易確認。隨著孤塊率的增加，系統的安全性下降，吞吐量下降。

當孤塊率非常高時，攻擊者很容易秘密生成更長的鏈。攻擊者則不需要 51% 的算力，可以用更少的算力覆蓋區塊鏈。

The Giving Block聯合創始人：疫情推動非營利組織接受加密捐贈:金色財經報道，加密捐贈網站The Giving Block的聯合創始人Alex Wilson表示，在過去的三年中，越來越多的非營利組織開始接受基于加密貨幣的捐贈，而新冠肺炎大流行比以往任何時候都更加推動了這一趨勢。在過去六個月左右的時間里，新冠實際上是非營利組織接受加密貨幣的主要催化劑。他表示，加密貨幣捐贈是通往一個單獨的、尚未開發的潛在支持者市場的大門。[2020/11/4 11:35:37]

如果我們想突破吞吐量限制，必須想辦法降低孤塊率。

孤塊出現的原因來自于塊的傳播延遲，如果在傳播另一個塊時發現一個塊，則其中一個注定是孤塊。

而一些區塊的傳播速度較慢，是因為這些區塊相關有更多的新交易，新交易是在區塊打包前的 10 秒內生成的未同步交易，因此礦工必須先同步這些交易，然后才能進一步傳播這些塊。

例如，當節點 A 向節點 B 傳播一個塊并且其中沒有新的交易時，節點 B 可以立即將這些塊傳輸給它的所有鄰近節點。

美生集團：AT預計將于10月10號正式上線亞交所:據官方消息，AT預計將于10月10號正式上線亞交所，面向全球投資者開放交易。

美生集團官方表示：“A.TOP亞洲數字資產交易所推出的平臺通證AT上線計劃將是A.TOP發展歷程的重要舉措。目前美生在線APP有300萬日活用戶使用USDT與TATO消費，未來美生在線APP將連接A.TOP亞交所，亞交所將提供基于TATO、USDT的諸多貨幣對交易服務，并支持美生在線的消費者進行交易和提現。這意味著未來將有美生在線超過三百萬的用戶進入A.TOP亞交所，打造商業生態閉環。”[2020/10/5]

但是，如果區塊中有新交易，節點 B 必須首先從節點 A 同步這些交易，然后驗證這些交易的簽名，這也需要時間。只有當整個區塊的有效性得到驗證時，節點 B 才能繼續傳播這個區塊。

以太坊出現后，對中本聰共識并沒有實質性的改善。其只是簡單地縮短了出塊間隔。

并且以太坊還有一個問題，因為交易的有效性取決于區塊內的交易順序，驗證交易，必須等到區塊收到后，因此無法在收到實際區塊之前驗證交易有效性。

也即是因為這樣，每個區塊中的每筆交易都會被視為新交易。交易傳播中有很多冗余。例如一個以太坊客戶端可能會將同一筆交易傳播到不同的節點七次，而這些交易就意味著以太坊會出現非常高的孤塊率，數據表明，可能有時高達 30%，嚴重占用網絡資源，造成交易堵塞。

以太坊還有叔塊的設置，如果這些孤塊被納入最長鏈，可以拿到部分獎勵，但叔塊的數量和獎勵無濟于事。

因此，這些遲緩的交易確認流程和技術現象，造成了PoW共識表現出的比特幣網絡和以太坊網絡的問題。

那可以如何改善PoW共識?

在現有的設計案例中，可以看到兩種必要的方法。

首先是挖礦難度調整，這是對于計算出塊難易程度的預估，比特幣和以太坊是定期調整的，并且是較長周期內調整，而改善后的PoW共識內可以通過一個小周期（時隙）來調整，一個時隙會包含多少個塊，以保證快速調整到平穩的難度值。這對出塊時間也是重要的。

第二個必要的改進就是調整出塊時間，而這涉及到很細節的過程。在上文中，因為區塊打包前的新交易會不停延遲區塊鏈傳播時間，那如果讓傳播節點不再因新交易出現而延遲同步，出塊就會變快速，但需要將新交易，以及漏掉的交易進行新的驗證打包。這就需要一個新的交易提交渠道。

我們在NC-MAX的算法里查到了一個設計。

那就是將區塊中添加了一個“叔塊頭”區域，允許礦工將盡可能多的叔塊嵌入到一個塊中。叔塊可以在區塊中傳播他們的頭和他們的交易提議區，但叔塊不計入塊大小限制。

另外還需要添加了一個交易提議區，其中可能包含一些新交易的提交，交易在傳播區塊后同步。并且是并行同步的，不會影響塊的傳播過程。只要哈希檢查，不會影響塊的有效性。

還有一種可以稱之為智能的方式，那就是讓出塊時間設計為動態變化。

在PoW鏈正常的共識出塊中，會出現孤塊、叔塊，這會影響鏈的數據，但如果通過一個數據來監控孤塊和叔塊，進而調整出塊時間和塊大小。就足以讓所有鏈上的資源變得更智能。

例如還有一個公鏈的案例是引入叔塊率等運行期數據，對出塊時間，難度，出塊獎勵進行動態調整，進而最大限度利用網絡資源。

詳細的過程如下：當區塊越大，出塊時間越短，孤塊會越多，而孤塊率增加會降低雙花攻擊的難度，所以需要將孤塊率限制在一個閾值之內。

如果在孤塊基礎上，引入叔塊。首先，定義每 N 個塊為一個 Epoch。并且為每個Epoch定義出叔塊。

這樣就可以用 Epoch 內的叔塊率評估網絡的擁塞情況，并以此作為出塊時間，出塊大小調整的依據，實現充分利用網絡，提升吞吐的同時，也可避免區塊過大或者出塊時間太短導致孤塊過多，安全降低。

為了將叔塊維持在一個合適的閾值內，在每個 Epoch 末，都會重新調整下一個周期的出塊時間。

如果叔塊率較高，則說當前的出塊時間間隔下，網絡中存在較多的分叉和孤塊，我們需要調大出塊的時間，緩解此問題。反之，則說明全網出塊情況良好，還能進一步縮短出塊時間，進一步提高全網吞吐。

以此看來，通過對PoW共識設計的改變，足以改善PoW鏈的表現能力，但如果用此與PoS鏈相比，仍舊是無法比較的，只是通過這樣的改進，在面臨網絡擁堵情況下，鏈的處理能力是更高的，也是更可控的，這樣的調整下，部分項目可以保持對PoW共識的信仰，同時其網絡資源也是在礦工經濟模型的保護之下運行的，在行業面臨巨大問題時，可能會有緩沖效果。

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