如何保证区块链安全性且提升 TPS？技术解读 GHOST 共识算法

GHOST 对比特币的最长链规则进行更改，每次分叉时选取拥有最重子树的分叉节点，在提升吞吐量的情况下比最长链规则更具安全性。

原文标题：《共识算法解读-PoW 算法之 GHOST》 撰文：Johnathan

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 The 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[1]

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子树的分叉节点。举例来说（参考上图），就是在 0 处分叉为 1 B 和 1A 时，1A 的子树（它进行自私挖矿）共有 6 个块（包括 1A 块），1 B 的子树有 12 个块，12>6, 所以选 1 B 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, 1 B, 2C, 3D, 4 B。

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。

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

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？