学习视频来源:https://www.bilibili.com/video/BV1Vt411X7JF/?p=18
本博客除了包含自己的在学习过程中记录的笔记外，还包含少部分自己扩展的内容，如有错误，敬请指正。
文章目录
- [1. 背景：出块时间缩短带来的挑战](#1. 背景：出块时间缩短带来的挑战)
-
- 网络传播延迟与临时分叉
-
- 比特币共识的局限性在以太坊中被放大
- [挖矿中心化偏见（Centralization Bias）](#挖矿中心化偏见（Centralization Bias）)
- [2. 以太坊中的共识协议------GHOST 协议：对"失败区块"的补偿机制](#2. 以太坊中的共识协议——GHOST 协议：对“失败区块”的补偿机制)
- [3. 以太坊区块奖励构成](#3. 以太坊区块奖励构成)
- [4. 总结：GHOST 协议的意义](#4. 总结：GHOST 协议的意义)
1. 背景：出块时间缩短带来的挑战
以太坊将出块时间从比特币的 10 分钟 缩短到 约 12--15 秒 ，提速近 40 倍。 这一设计显著提升了交易确认速度和系统吞吐量，但也引入了新的问题。
网络传播延迟与临时分叉
比特币和以太坊都运行在 应用层共识协议 上，底层依赖 P2P 网络 ， P2P 网络的区块传播需要时间，且 未考虑网络拓扑结构（如节点地理位置、带宽差异）；
- 比特币的 10 分钟出块间隔，通常足够让新区块传播到大多数节点 ，因此临时分叉较少， 但即使如此，仍可能发生临时分叉（例如两个矿工几乎同时挖出有效区块）。
- 以太坊由于出块时间极短（十几秒），大部分节点可能尚未收到你刚挖出的区块 ，就已在本地继续挖下一个区块。 等到收到其他区块时，自己可能已经产出新块------分叉成为常态。
比特币共识的局限性在以太坊中被放大
-
在比特币中分叉后，只有最长合法链胜出 ，其他链上的区块作废 ，矿工白挖，奖励无效，但由于分叉概率低，这种"浪费"可接受。
-
在以太坊中分叉频繁发生， 若沿用比特币规则，个体矿工将极度不公平 ------他们算力小，很难抢到主链位置， 更严重的是，加剧挖矿中心化（Mining Centralization）。
挖矿中心化偏见（Centralization Bias）
当前挖矿呈现两大趋势：设备专业化 和 矿池集中化 ， 假设一个大矿池占全网算力 30%，理论上应获得 30% 收益， 但在高分叉率下，实际收益可能远超 30%：
例如：某高度出现 3 个竞争区块------ 1 个由大矿池挖出， 2 个由个体矿工挖出。
- 大矿池会立即在其自身区块上继续挖矿 ，凭借强大算力，极大概率形成最长链。
- 而个体矿工算力分散，彼此不协作，只能寄希望于他人选择自己的链------但其他节点更倾向于选择看起来更强的链（如矿池链）。
- 此外，矿池通常部署在优质网络位置，其区块传播更快，进一步提升被选中的概率。
结果：矿池收益 > 其算力占比 ，形成 "中心化偏见" ------越大的矿池越容易赢，小矿工逐渐退出，系统趋于中心化。如果以太坊直接采用比特币的"最长链"规则，将严重损害去中心化。
2. 以太坊中的共识协议------GHOST 协议：对"失败区块"的补偿机制
GHOST（Greedy Heaviest Observed Subtree）协议并非以太坊首创，但以太坊对其进行了关键改进。
核心思想
即使你的区块未被纳入主链，只要它被后续区块"引用"，就给予部分奖励。
以太坊将这类区块称为 叔父区块（Uncle Block）。
叔父区块奖励机制
当矿工发布新区块时，可包含最多 2 个叔父区块；
- 叔父区块矿工 获得：
基础奖励 × (7/8)。 （早期为 3 ETH，故叔父奖励 = 7/8 × 3 = 2.625 ETH） - 包含叔父的区块矿工 额外获得：
基础奖励 × (1/32) × 叔父数量。（即每包含 1 个叔父，多得 3/32 ≈ 0.09375 ETH）
这一设计激励矿工，主动包含叔父（获得额外奖励），即使挖到"孤块"，也有高比例补偿（7/8），减少损失。
叔父区块的定义扩展
- 比特币中，只有父区块的兄弟才算"叔父"；
- 以太坊扩展为：任何与当前区块有共同祖先、但不在同一条链上的有效区块，均可作为叔父。
这解决了"因网络延迟发布区块的矿工未及时收到父区块，导致叔父区块无法被引用，进而获得不到奖励"的问题。
代际限制与奖励衰减
为防止滥用，以太坊规定：
- 只接受 7 代以内（即从当前区块回溯最多 6 个祖先）的叔父；
- 奖励随代际递减 ：
- 第 1 代叔父：7/8 奖励
- 第 2 代：6/8
- ...
- 第 6 代：2/8
- 第 7 代及以上：不认可
合法叔父最多跨越 6 个辈分（共 7 代）。
为何要限制？
- 防止通胀：若允许无限叔父且高奖励，比如一个矿工发布区块时，包含100个叔父区块，ETH 发行量将失控，变得不值钱；
- 鼓励快速合并：分叉后越早被主链吸收，奖励越高，促使节点尽快收敛；
- 降低全节点负担：无需维护过久远的区块状态以验证叔父。
叔父区块的交易处理
- 节点发布区块，引用叔父区块时， 叔父区块中的交易不会被执行， 以太坊仅沿最长合法链进行状态转移。因为若执行叔父交易，可能会导致状态混乱，比如叔父区块中的交易可能与主链的交易又冲突（双花）。
- 但节点会将叔父区块中的未确认交易重新加入交易池，在后续区块中打包执行。
叔父区块的有效性验证
节点发布区块，引用叔父区块时，虽不执行交易，但仍需验证叔父区块本身是否有效 ： 区块头合法性（如 nonce 符合难度）、 时间戳、gas limit 等字段合规。
这些数据都在区块头里，所以只需验证区块头，无需验证交易。
验证的目的是------防止攻击者伪造无效区块骗取叔父奖励。比如一个节点一直发布一些不合法的区块，希望其他节点收到后，把他当成叔父引用，获得奖励。
如何识别叔父区块？
- 节点收到新区块后，会检查其声明的叔父；
- 验证这些叔父是否：
- 是有效区块；
- 与当前区块有共同祖先；
- 在 7 代以内；
- 未被其他区块作为叔父引用过（防重复计奖）。
防御分叉攻击（Forking Attack）
以太坊规定：只引用分叉链上的第一个叔父区块，后边的即使有效也不能再被其他区块引用为叔父。
- 因为如果对分叉链上的每个叔父区块都进行引用和奖励，则分叉攻击成本将大幅降低。攻击者故意制造长分叉链，因为即使分叉失败也能通过叔父奖励获利。
只奖励分叉链上的第一个叔父区块，可以确保分叉后应尽快合并，而非延长分叉链博取更多奖励。
3. 以太坊区块奖励构成
比特币中奖励是出块奖励和交易费。出块奖励又叫静态奖励，交易费叫动态奖励。以太坊与比特币类似，但更复杂：
| 奖励类型 | 说明 |
|---|---|
| 静态奖励（Block Reward） | 固定出块奖励（早期 3 ETH，后经多次减半） |
| 叔父奖励（Uncle Reward） | 包含叔父的额外奖励 + 叔父自身奖励 |
| 动态奖励（Gas Fee） | 执行智能合约收取的交易手续费（归矿工） |
注意：Gas Fee 在以太坊早期占比较小，主要收入来自静态奖励。
示例
通过区块高度可以看出引用的是第几代叔父，并计算出奖励。
出块奖励包含的额外奖励，通过引用的叔父区块个数，可以计算得到。
4. 总结：GHOST 协议的意义
GHOST 协议通过 "招安"叔父区块 ，有效缓解了高出块速度下的临时分叉浪费 、小矿工的不公平待遇 、挖矿中心化偏见。
但它不是为解决永久性分叉 （如硬分叉导致的两条合法链），而是针对临时性状态分叉（State Fork） 的优化。 通过经济激励，引导网络在分叉后快速收敛到单一主链，同时保持去中心化活力。