区块链深度技术解析（一）：PoW&Block Time

本系列分享了一些关于区块链的深入技术见解。

区块链作为分布式系统的一种形式，通过区块高度来建立区块链的秩序。 在几乎所有基于 PoW 共识区块的公链系统中，都需要使用动态的难度调整机制。 在全网算力动态变化的情况下，控制一个固定的出块时间。 例如，在比特币中，出块时间为 10 分钟。

那么，中本聪在设计比特币时，为什么选择10分钟作为出块时间呢？ 为什么不选择更短的出块时间来加快出块速度呢？ 如果是这样，比特币交易的处理速度就会快得多。

中本聪（比特币的发明者）为自己决定，区块生产率应该保持稳定的平均速度，即每 10 分钟 1 个区块。 这是因为，区块链估计需要 10 分钟才能将最新区块传播到全球所有节点，以便区块链保持适当同步。

如果以更快的速度生成块，世界另一端的一些节点可能无法足够快地赶上最新的交易数据，这可能导致节点不再正确对齐，从而产生“叔块” “（链分裂），这基本上是区块链必须尽可能避免的事情，以保持安全。 换句话说，它的目的是防止主链的频繁分叉产生分支。

好奇的读者可能会问，同为PoW共识算法的以太坊为什么能做到17秒的出块时间？

以太坊使用 GHOST 协议来加速出块时间。 ghost协议，英文为“GHOST（Greedy Heaviest Observed Subtree）协议”，由Yonatan Sompolinsky和Aviv Zohar于2013年12月提出比特币区块高度怎么调，GHOST是一种主链选择协议。 经典的 PoW 共识协议是基于以最长链为主链的原则来选择下一个区块。 GHOST协议基于子树数量最多的原则，选择下一个区块。 这是 GHOST 和 POW 协议之间最大也是唯一的区别。

据统计，以太坊有 10% 的分叉率。 因此，在以太坊主网分叉后尽快合并，维护主网的协议就显得尤为重要。

下图中，假设一个大矿池A打包了一个3号黑块，向其他矿工发送3号块泛洪，告知其他矿工3号块已经被A挖出。以太坊中的快速输出时间为15 秒。 在 15 秒内，3 号区块还没有完全扩散到整个区块链网络，所以其他没有收到这个区块的节点会继续挖 3 号区块。

在发布区块 3 后，A 继续挖区块 4，在此过程中，A 收到其他节点挖到区块 3 的通知。 假设上图中A从其他4个节点（上图中用灰色表示，分别为3A、3B、3C和3D（代表叔块而不是父块））收到了区块3，A收到这四个节点后1块，他们意识到必须尽快挖出块4来证明他们所在的链是主链，让他们在A发布的黑块3上继续挖块4，有没有什么办法让其他节点同意并合并到A发布的3号块中？

A会在正在开采的区块4上打包两笔造币交易（因为以太坊规定每个区块最多包含2笔叔块奖励），这两笔交易是发布区块3A和3B的奖励，这两笔交易的价值为7/出块奖励的8个，即3A和3B被A招募，除了出块奖励外，还能额外获得出块奖励的1/32。

这样，3A和3B收到招募奖励后，会在3A和3B处停止挖矿，而是在A的4号区块之后继续挖矿，因为他们已经获得了叔块奖励，继续挖矿的意义不大。

3C和3D与3A和3B几乎同时出块，后者获得了奖励比特币区块高度怎么调，那么前者会不会被主网抛弃？ 显然，这是不合理的。 因此，考虑到一个区块会出现多次分叉，以太坊设计了二代叔块的概念，即当第4块之后第5块的发布者可以继续招募3C和3D，但由于3号块区块之间是分开的，3C和3D只能得到6/8的区块奖励。 5号区块发布者除区块奖励外，还可额外获得1/32招募奖励。

通过GHOST协议，主链以外的叔块和二代叔块也可以获得挖矿奖励。 但值得注意的是，在这些叔块之后继续开采的块将不会获得任何奖励。 这是为了鼓励其他区块在找到最长区块链后尽快合并。

作为系列文章的第一篇，我们讲解了出块时间的含义和作用，以及比特币和以太坊在PoW共识中的不同处理方式。 在下一篇文章中，我们将重点关注时间戳，并讨论它在调整区块难度中的作用，以及它潜在的缺点。