基础区块链协议(Bitcoin)现状

截至2014年12月，比特币的网络处理量约为每天9万笔交易[2]，这个数字一直在缓慢增长，但仍然相当于平均每秒约1条交易（TPS）。而报道称2010年Visa的全球支付系统每天处理1.5亿笔交易（不到2000 TPS），并且还在稳步增长。

我们研究了提高吞吐量(TPS)后BTC协议在抵抗双花攻击(double-spend attacks)方面的安全性变化；我们假设区块在网络传播比出块的速度要快得多，因此如果吞吐量(TPS)要提高，意味着TX数据的增加，从而必然导致区块的增大(不修改协议的情况下)，而频繁创建较大区块会显著地使传输时间拉长。我们的研究表明随着区块的增大和出块速率的提高（修改协议），会使Bitcoin协议的安全性显著地降低，然而这两点却是提高TPS的必要条件。

前人提过的一些改进建议

压缩block空间，只存TX的hash
可逆Bloom查找表
离线状态通道

分叉(Fork)发生的原因

网络存在延迟（随着时间推进自然解决）
恶意攻击者存在的可能性（解决只能靠网络算力保障）

提高吞吐率(TPS)与Bitcoin网络安全性之间的关系

我们使用有向图(Directed Graph) G = （V, E）来为Bitcoin网络建模。每个节点v占整体网络算力的比例用pv表示，网络中每个节点的出块服从泊松分布，出块速率为pv·λ，其中λ为整个网络的出块速率，即为泊松分布的均值（由于Bitcoin协议规定平均每10分钟出一个块，所以λ=1/600）；我们使用β来表示在主链（最长链）上的出块速率，而λ代表的是整个网络区块树的出块速率；β受网络传播延迟时间的影响，而区块大小b会直接影响到网络传播延迟时间，即区块大小b越大，β会越小。我们使用q 来代表网络中恶意攻击者的算力占比，即 0 < q < 1，所以q·λ代表攻击者的出块速率，当q·λ > β时，即攻击者的出块速率大于正常主链上的出块速率时，攻击者对整个网络有控制权；而当q·λ < β时，攻击都落后于正常主链，网络是安全的；所以我们指出网络的安全阈值为β/λ。

关键指标：

攻击者算力 q·λ
q > β/λ 与 q < β/λ（攻击者出块速率与主链出块速率对比）
网络安全阈值（指标）: β/λ

影响区块链吞吐量(TPS)的两个最主要因素:

出块速率 λ
区块大小 b

由上图2中我们可以看出为了提高吞吐量(TPS)而调高协议的 λ 值和区块大小b，会直接降低Bitcoin网络的安全性——β/λ

GHOST

目前区块链协议面对的主要挑战：主要为如何提高基础区块链（Bitcoin）的吞吐量(TPS)和缩短用户交易的确认时间。这篇文章主要说明GHOST如何解决这两个问题以及这些问题与比特币的安全性之间的关系。

GHOST相对于原来的以最长链为主链的区块链协议，将主链的选择标准改为在每个分支处选择权重最高子树(heaviest subtree)为标准主链。这个对最长链协议的修改缓解了上述安全问题，并将帮助基础区块链协议进一步发展。

GHOST的改进

GHOST对基础区块链（最长链为主链）的主要贡献是提供了一套新的选择主链的策略，并且维持了主链在对抗50%攻击时的安全阈值 β/λ 恒定保持为1，而不随协议 λ 值和区块大小b的提高（b影响网络延迟）而降低（见下图）。基础区块链协议增加GHOST后，可以提高出块速率 λ（出块时间缩短），有效提高区块链协议吞吐量(TPS)；目前Ethereum已经采用了一个基础版的GHOST。