待字闺中开发了一门区块链方面的课程：《深入浅出ETH原理与智能合约开发》，马良老师讲授。此简书文集记录我的学习笔记。

课程共8节课。其中，前四课讲ETH原理，后四课讲智能合约。
第三课分为三部分：

1. 以太坊区块结构
2. GHOST协议
3. 搭建测试网络

这篇文章是第三课第二部分的学习笔记：GHOST协议。

GHOST协议主要是解决一个普遍的矛盾，即全网的吞吐量和安全性之间的矛盾。在介绍以太坊GHOST协议之前，先来了解一下比特币的最长链机制。

1、比特币的最长链机制

比特币的最长链机制

当有两个区块挖出下一个区块时，比特币是怎么处理的呢？答案是采用最长链机制。下面结合图示说明一下。

图（1）中，某个时刻全网都在相同的区块高度上（蓝色圆圈）。各个节点都在竞争挖矿，争取下一个区块的记账权。几乎在同时，左上方的节点挖出了橙色三角形的区块，右下方的节点挖出了绿色三角形的区块，两个区块都被快速地广播到附近的节点。

图（2）中，区块被继续广播，每个蓝色区块下都有两个区块，区块链发生了软分叉。

那接下来，哪条链才是正确的链呢，要看在下一次竞争中，谁先争取到记账权。

图（3）中，橙色三角形的下一个区块被找到，然后广播出去，所有橙色三角形区块下都有橙色的五角星区块，而绿色三角形的下一个区块还没有找到。此时橙色链比绿色链长，下一次竞争则是在橙色五角星区块下挖矿。

图（4）显示，绿色三角形区块会变成无效的区块。

2、区块链 POW 扩容的两难问题

比特币可以采用最长链机制，有一个重要的条件，即区块产生的速度是每十分钟一块。为什么是10分钟呢，这和2008年～2009年的一个研究有关，研究指出，在当时的网络条件下，在比特币的P2P网络中，1M的区块广播至全网95%的节点需要10分钟左右。比特币就把这个时间做为区块产生的时间。这样有一个好处，能保证全网95%的节点都能接收到新区块，都在一个新的高度上竞争。但同时也有一个负作用，就是造成全网的吞吐量很低，区块只有一兆，10分钟才出一个，全网平均而言，每秒大约只能有7笔左右的交易。

于是，2013～2014年左右，就有了扩容相关方面的研究。而区块大小和区块生成速度是一对主要的考量。

比特币区块大小与区块间隔

• 交易/区块大小
• 新区块生成速率
• 一个交易/区块传播到全网的时间
• 全网节点的同步状态
• 废块率
• 系统的吞吐量
• 系统的安全性(主链的生成速度)

区块大，能包含多一些交易。区块大，或者交易尺寸大，广播至全网的时间会相应变长。

如果区块间隔小，比如把10分钟改成一分钟，则全网节点的同步状态会变差，废块率也会变高。很多诚实节点的算力就被浪费了。

为了解决全网吞吐量和安全性这一对矛盾，在2013年，有研究人员发表了GHOST协议论文。

3、GHOST协议

3.1 Greedy Heaviest-Observed Sub-Tree

GHOST，贪婪最重可见子树协议。

GHOST协议示意图

• 选取主链的原则改变为哪个区块的子树包含的有效区块最多。

• 如果单纯的计算最长链原则，主链应该是 0<-1B<-2D<-3F<-3F<-4C<-5B.

• 如果采用了GHOST协议, 以前的"废块"也会被考虑到主链的计算量中。每一个节点下含一个子树, 兄弟节点之间子树节点最多的被选为主链。这样一来，0<-1B<-2C<-3D<-4B 成为主链。

• 如果采用GHOST协议， 一个攻击者仅仅提供一个1A到6A的长链并不能被认为是主链。（注，图中红圈表示攻击者的那条链。）

这里涉及到一个概念：叔块。其定义是直系父区块的兄弟区块。以4B为例，它的直系父节点有3D, 2C, 1B等等，那个这些父节点的兄弟节点3C, 3E, 2B, 2D, 1A都是4B的叔节点。

在前面学习区块结构时，提到过区块头中有一个Number，它是指直系父节点的个数，这里举例说明一下具体的含义。对于4B区块，它的Number是 4 ，因为它前面有0<-1B<-2C<-3D四个区块。对于创世区块，它的Number为 0 。对于3B，Number是3，它前面有三个直系父节点：0，1B，2B 。

3.1 奖励规则

GHOST协议示意图

因为采用了GHOST协议，而不是比特币的最长链机制，相应地，以太坊的奖励规则也发生了变化。规则如下。

• 主链节点获得基本奖励，大都会版本是3个以太币。

• 主链节点的兄弟非主链节点获得 ((叔块高度+8-当前块的高度)/8 )*基本奖励

这条规则的意思是一个叔块离当前新节点越远，它获得的奖励就越少。

还是以上图为例。假设3D是新产生的区块，对于其叔块2B而言，高度相差1，所以它的奖励是（-1+8）/8 *基本奖励，即7/8*基本奖励。如果有2D，它也是可以获得7/8*基本奖励。而如果是1A能获得奖励，则它获得6/8*基本奖励。同时，一个当前区块只能包含两个叔块链接，此图中可能是2B和2D；如果没有2D，3D的两个叔块可能是2B和1A。

再多举几个例子。如果2C是当前区块，1A可以获得7/8*基本奖励。如果4B是当前区块，3C、3E可能获得7/8*基本奖励，2D、2B可能获得6/8*基本奖励，1A可能获得5/8*基本奖励，这样有一个代际递减的过程。这样设计是为了鼓励你增大网速，不要落后主链太多。

• 主链的后续节点如果包含父节点(向上最多追溯7代)的兄弟节点(叔块)获得1/32的基本奖励。

比如，4B包含了叔块3C、3E，那它则可以额外多获得1/32的基本奖励。

• 一个节点最多包含2个叔块。一个叔块只能有一个后继。（原因是为了防止获得过多的奖励）。叔块只验证头部，不验证Trie（状态树等信息）。

• 交易费用(transaction fee)不会分配给叔块。

• 12秒生成一块。

目前的网络条件下，叔块的产生率大约在9%～10%。

采用了GHOST协议后，以太坊的吞吐量也并没有质的提升，当前大约12～20个交易每秒。在加密猫或者ICO大量运行时，还是很拥堵。以太坊2.0对此有两个解决方案，一个是分片，另一个是运行一个侧链。

不足之处，请批评指正。