以太坊中的共识机制

以太坊把出块时间降低到了十几秒，和比特币相比，以太坊的出块速度相当于提高了40倍，但是降低出块时间之后也带了一些新的问题：比特币和以太坊都是运行在应用层的共识协议，它的底层都是使用p2p overlay network，这个network本身传输的时间是比较长的，因为它的拓扑协议做flooding的时候是没有考虑实际的拓扑结果，这就带来一个问题，你发布一个区块之后，区块在网络上传到其他节点可能需要十几秒的时间，对于比特币来说，十分钟的出块时间相当于600秒，这个是足够让新发布的区块传播到网上的其他节点的，当然，即使这样，因为挖矿是个概率的过程，所以仍然有可能是有两个矿工同时获得记账权，同时发布区块，这种情况会带来临时性的分叉，那么对于以太坊来说，这种临时性的分叉就会变成常态，而且分叉的数目也会更多，这对于共识协议来说，有什么挑战呢？

比特币的情况：只有在最长合法链上的那些区块的出块奖励才是真正有用的。因为对于出现临时性分叉的情况不是很多，所以这么规定还是可以接受的。

如果以太坊也这么处理，意味着这个矿工所挖到的区块有很大的概率可能是白挖了，可能你挖出的区块最终没有成为最长合法链，这样对矿工来说，不是很公平（尤其是对于个体矿工；挖矿的两大趋势：设备的专业化，矿池的出现），正常情况下，我们希望的情况是，矿池能够得到的收益应该和你的算力比例是相关的（公平），但是如果共识协议设计不好的话，有可能大型矿池的收益比例大于它所占的算力比例（会出现恶行循环），中心化mining centralization 带来的不成比例的优势centralization bias，所以如果以太坊沿用比特币的共识协议，是会有很大的问题的

uncle block

以太坊中采用了GHOST协议的共识机制，GHOST的出现比以太坊早，以太坊对这个协议做了修改，这个协议的核心思想是：你挖到了矿，发布了一个区块，这个区块最后作废了，你挺伤心的，我们给你一些安慰，给你一些奖励，这种时候你也能得到一些出块奖励

为什么叫uncle block？

因为它跟当前最长合法链上的区块来说，这个区块是它的叔父区块（和它的父亲是一个辈分的），最长合法链上的区块在发布的时候，可以把它的叔父区块包含进来，在这个区块发布的时候，它的叔父区块可以获得7/8的出块奖励，这个区块能得到额外的1/32（每包含一个，就得到额外的1/32）的出块奖励，一个区块最多可以包含两个叔父区块

以太坊的出块奖励刚开始的时候，是5个以太币，17年下半年的时候改了，改成3个以太币。这样设计，有利于鼓励系统中出现分叉之后及时进行合并，相当于新发布的区块把它的叔父区块招安过来了，这是Ghost协议最初的版本。

最初版本的协议有没有什么缺陷？

①只能包含两个叔父区块，如果出现第三个怎么办？

②如果这个矿工比较自私的话，他有可能故意不把叔父区块包含进去：这样对于叔父区块来说7/8的出块奖励就得不到了，因为矿池之间有竞争关系，所以有的矿池就故意这么做

有竞争关系的区块不包含叔父区块没有关系，但是你不包含，别人会包含，下一个区块就不一定是你挖出来的，也可能是自己来挖，把自己当作叔父区块包含进来

本质：我们为了改进最初版本的ghost协议存在一些问题，所以我们把叔父的定义扩展了，不一定是当代叔父，可能是隔了几代的叔父，但是问题是隔了多少代？是不是可以隔一百代？那我就在很久很久以前，挖矿难度比较低的时候不断地产生叔父区块，期待着被包含。

以太坊中的规定：

这样设置有什么好处？如果不这样设计会有什么坏处

首先，如果你不限制叔父的辈分，那么这个实现起来对于一个全节点来说，他要维护的状态就太多了，可能要记录隔着一百代以前有哪些区块，你发布的这些区块包含的叔父区块，其他节点同样也是要验证的。

设计是最多隔着七代，并且七代以内出块奖励是递减的，这样有利于鼓励，出现分叉之后，尽早进行合并。

叔父区块的奖励把它叫做uncle reward，他会递减，但是对于包含叔父区块的区块来说，包含一个叔父区块，可以得到1/32的奖励，这个是固定的。

我们设计这个协议，主要是解决系统中临时性的分叉，最长合法链也是为了解决临时性的分叉，合并的机制就是最长合法链会胜出，如果这个分叉是别的原因造成的，比如说，是对运行的区块链协议有不同的意见，那么这种方法是解决不了的，我们讲的这些例子都是state fork：对于区块链当前的状态产生了意见分歧（临时的）；如果是别的原因，像我们以前讲的比特币脚本的时候，CHECKMULTISIG的时候，要想堆栈中添加一个多余的元素，应对这个操作会弹出一个无用的元素，为什么不把这个bug改掉？

改完之后，版本不一样了，这样会出现硬分叉，如果分叉的区块认为对方的区块是非法的，那么合并是不可行的。

仍然沿着矿工自己的分叉链去挖。

我们说，比特币发布一个区块，实际上得到的是两种奖励，一部分叫做block reward（静态奖励），一部分叫做tx fee（动态奖励），以太坊中也是类似的，三个以太币是block reward，动态奖励叫做gas fee，在区块里包含了智能合约，执行智能合约的时候可以得到gas fee，我们说的uncle block得到的7/8的奖励，只限于3个以太币（也就是block reward），汽油费是得不到的，但是汽油费是很少一部分的，大部分是block reward。（和比特币类似）

如果以太坊中也变成了block reward趋于0，那么uncle reward不也是趋于0吗？

以太坊中没有规定时间减少block reward的说法。比特币这么规定是因为比特币的稀缺性，以太坊中的5个以太币17年降为3个以太币不是为了人为制造稀缺性，实际上和挖矿难度调整有关的。（17年的事件是一次性的，没有说会一直下调）比特币被别人当成数字黄金，是用来储值的，以太币被别人比喻成石油，是用来花的，并且可以执行智能合约。（但是这里的比喻其实是不恰当的，因为石油用完就没了，但是以太币就是相当于电子现金），发布智能合约要花费gas fee，执行智能合约的那个矿工可以得到gas fee。（以太币和比特币的设计理念是不一样的）

把叔父区块包含进来的时候，叔父区块里的交易要不要执行？

以太坊是一个交易驱动的状态机，比特币也一样，所以每次发布一个新的区块都会使当前状态转化成下一个状态。

不应该执行，最长合法链上的父区块，和uncle block里面的交易可能是重复的，一种想法是相同的交易不执行，不同的交易就执行，但是这种情况下，不同的交易可能不可以一起执行。（可能是有冲突的交易）你要执行叔父区块的交易，可能某些交易就变成了非法交易，叔父区块的交易不一定是非法的，你执行完父区块的交易，再去执行叔父区块的交易，可能就变成非法的了。

以太坊是不执行叔父区块里的交易的，而且是不检查叔父区块的合法性的，主链上的区块知道这个叔父区块的时候，只检查叔父区块是不是一个合法发布的区块，换句话说，这个区块是不是符合挖矿难度，至于这个区块里的交易合不合法不检查，不执行，执行起来的话，可能和主链上的交易是冲突的，叔父区块里的交易不执行，但是主链上的区块收到叔父区块里的交易，这个交易会被放在主链上执行。

怎么检测链上有多少个叔父区块？