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金色觀察|PoW共識該如何進化?_比特幣

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比特幣是加密貨幣網絡中第一個成熟的試驗品,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的雛形。

不過后續公鏈為了性能需求,做了過多更改和添加,其中最重要的是會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。

金色財經挖礦數據播報:BTC今日全網算力下跌1.91%:金色財經報道,據蜘蛛礦池數據顯示:

BTC全網算力158.758EH/s,挖礦難度25.05T,目前區塊高度684260,理論收益0.00000581/T/天。

ETH全網算力625.485 TH/s,挖礦難度7856.15T,目前區塊高度12468505,理論收益0.00731468/100MH/天。

BSV全網算力0.981EH/s,挖礦難度0.12T,目前區塊高度687974,理論收益0.00091765/T/天。

BCH全網算力2.428 EH/s,挖礦難度0.44T,目前區塊高度688645,理論收益0.00037074/T/天。[2021/5/20 22:23:57]

如果你想提高吞吐量,你可以做兩件事:一是增加塊大小,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。隨著孤兒率的增加,系統的安全性下降,吞吐量下降。

金色熱搜榜:BIX居于榜首:根據金色財經排行榜數據顯示,過去24小時內,BIX搜索量高居榜首。具體前五名單如下:BIX、BTS、ONT、DOGE、IOST。[2021/1/3 16:20:23]

當孤兒率非常高時,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。

如果我們想突破吞吐量限制,必須想辦法降低孤兒率。

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傳播一個緊湊塊并且其中沒有新的交易時,節點B可以立即將這些緊湊塊傳輸給它的所有鄰近節點。

金色財經行情播報丨減半期間BTC劇烈震動 整體偏空:據火幣行情顯示,凌晨BTC減半期間行情劇烈震動,最低觸及8206USDT,最高8800USDT,整體偏空。4小時圖整體呈箱體格局,短期均線構成壓力,1小時圖局部構成對稱三角形態,還待選擇方向。截至10:00,主流幣的具體表現如下:[2020/5/12]

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會將同一筆交易傳播到不同的節點七次,

金色財經訊:越南第一家數字貨幣交易平臺VNBIG開始上線交易,支持ETH、BTC等幣種,未來還將上線VEN等優質數字貨幣資產。[2017/10/24]

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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