区块链共识算法解读:PoW算法之GHOST

# 问题引入：高吞吐量下比特币的安全性如何？

比特币为了保障其安全性，采用最长链规则，并固定了区块大小和出块时间间隔，从而导致其低吞吐量(<10Tps)和长时间区块确认间隔(6个区块，每个区块平均需要10分钟），这一直以来饱受诟病，影响了比特币网络的大规模使用。

一开始人们思考的是在比特币最长链的规则上，通过增加区块大小（1M->4M)和减小出块间隔来增大吞吐量，但是这却带来了三个很大的问题：

* **不断的分叉！**分叉也就意味着安全性降低，容易引起双花攻击。

* **区块奖励受网络延迟影响**：整个网络的区块奖励不单单与算力有关，网络延迟较低的节点更有可能获得出块奖励。

* **容易受到自私挖矿攻击：**恶意节点出块后先不公布，直到发现比主链长时再公布

下图阐释了在一种区块生成间隔较小（区块生成率大于区块传播延迟）的网络中，区块链网络高度分叉，此时攻击者可以秘密创造6个区块（由红色虚线标记），从而超过主链的场景。


于是，研究人员开始思考，如何在保证高吞吐量的同时，还能保证安全性？

2015年，以色列的学者Yonatan Sompolinsky和Aviv Zohar就提出了一种T**he Greedy Heaviest-Observed Sub-Tree (GHOST)贪婪最重可观测子树算法**，以解决这个问题。

论文链接：[共识算法相关paper:Secure High-Rate Transaction Processing in Bitcoin](https://github.com/dajuguan/blockchain-consensus-papers)

# 那么GHOST又是如何做的？

GHOST的思路很简单，它对比特币的最长链规则进行更改，在每次分叉的时候选取**拥有最重自树的分叉节点**。举例来说（参考上图），就是在0处分叉为1B和1A时，1A的子树（它进行自私挖矿）共有6个块（包括1A块），1B的子树有12个块，12>6, 所以选1B为主链的块。这样就减轻了了分叉带来的问题，使得主链不断向后增长。

也就是说，主链之外的区块也被计入了算力。具体的算法如下，输入整个树结构的区块链，输出最终主链的最后一个区块B：


该算法，从创世区块(Genesis)开始，每次分叉就选取最重子树，直到确定完主链的序。还是拿图中的例子，最终选取的主链是 **0, 1B, 2C, 3D, 4B。**

那么GHOST能否保证能够**唯一的确定主链**吗？相对于比特币他的**安全性**又如何？GHOST算法对**吞吐量的影响**又如何呢？这就涉及到GHOST的特性。

# **GHOST特性**

1. **收敛特性**：任何一个区块，经过足够长的时间，最终会被主链完全丢弃或者采用。**也就是经过足够长的时间，任何节点的主链会是一样的**。

2. **抗51%攻击：**在有限的时间内，攻击者将任意在主链区块B，替换到链下的概率接近于0。

3. **吞吐量和安全性**：如下图，随着区块生成速度λ（每秒产生的区块数）增加，GHOST的吞吐量相对于最长链Longest Chain规则没有太多下降，并且安全性没有任何下降，而最长链的安全性却指数下降


# 前路

GHOST在保证安全性的前提，提升了TPS，那么有没有可能进一步提升？

同时由于把非主链的区块抛弃了，只有主链的区块才有出块奖励，这样的激励机制会导致矿工不愿意贡献算力，这又改如何解决？

敬请关注，后续的PoW共识算法解读！