POW挖空塊的原理及解決辦法

比特幣的挖礦收益包含兩部分，第一是區(qū)塊獎勵；第二是交易手續(xù)費(fèi)。如果打空塊，就收不到交易手續(xù)費(fèi)，為什么有礦池會不要手續(xù)費(fèi)來打空塊呢？

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工作量證明POW挖礦就是區(qū)塊鏈生成新的區(qū)塊的過程。包括BTC、BCH、ETH、LTC……在內(nèi)，POW挖礦都是按以下邏輯來。

挖礦是這樣的，系統(tǒng)會給出一個目標(biāo)值，這是一個數(shù)，比如前面有18個零。挖礦就是找出一個小于這個目標(biāo)值的隨機(jī)數(shù)，比如前面有19個零。找到了，就挖到了區(qū)塊。關(guān)鍵字：隨機(jī)數(shù)。關(guān)鍵問題：這個隨機(jī)是怎么計(jì)算？

這個隨機(jī)數(shù)是對礦池對最新高度的區(qū)塊鏈進(jìn)行哈希得來的。關(guān)鍵字：最新高度。關(guān)鍵問題：什么是最新高度？

現(xiàn)在有一個礦池挖到了一個區(qū)塊，并且廣播出去，我們假定這個區(qū)塊高度是50W高度。接下來所有礦池就會在這個50W高度后面繼續(xù)挖礦，具體動作是礦池先組裝一個新的區(qū)塊，這個新的區(qū)塊包含了“區(qū)塊頭”和“填充交易的區(qū)塊體”。區(qū)塊頭里有兩個需要特別說明的，第一個是父塊哈希值，這里是50W高度的hash值；第二個是Nonce，這是一個數(shù)，一個可以調(diào)整的數(shù)，從0開始。

組裝好這個新的區(qū)塊后，礦機(jī)就對這個新區(qū)塊（“50W+1”高度）加上前面50W高度的區(qū)塊進(jìn)行哈希。這個新的區(qū)塊就是上面的“最新高度”。

礦機(jī)執(zhí)行哈希一次，就得到一個哈希值，這是一個二進(jìn)制數(shù)。礦池會拿這個值和目標(biāo)值對比，如果小于目標(biāo)值，就恭喜你，成功挖到礦，否則就將Nonce加1，再哈希，再對比，……

顯然一臺礦機(jī)來哈希，你要試出滿足目標(biāo)值的Nounce值，那真是要慢死了。但礦池可以將不同的Nounce劃分給不同的礦機(jī)來試。比如礦池一共有1000臺礦機(jī)，將0到1000，給第1臺試；10001到2000給第2臺試……這就是挖礦的并行。

針對上面50W高度和最新高度區(qū)塊，我們需要進(jìn)一步詳說。在礦池在對最新高度區(qū)塊鏈進(jìn)行挖礦之前，是要對50W高度這個區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證的。如果驗(yàn)證成功，在“50W+1”這個新組裝的區(qū)塊高度上挖礦才是合法的，如果50W高度是一個非法的區(qū)塊，那所有的礦池是要回到“50W”高度去挖礦的。

但驗(yàn)證區(qū)塊是需要時間的，因?yàn)楦鱾€礦池的軟硬件不同，我們假定一個平均時間，10秒鐘驗(yàn)證1M的區(qū)塊。在驗(yàn)證結(jié)束之前，礦池是無法確認(rèn)這個區(qū)塊是不是合法，也就無法確認(rèn)是否應(yīng)該添加“50W+1”高度的最新區(qū)塊。

而組裝一個最新高度的區(qū)塊也是需要時間的，拿到一個區(qū)塊模板開始組裝，往里填寫父區(qū)塊哈希值和在內(nèi)存池里挑選交易填充進(jìn)區(qū)塊體，這都是需要時間，我們假定需要0.1秒。

在驗(yàn)證“50W”高度區(qū)塊時，和填充交易進(jìn)“50W+1”區(qū)塊里，有一個提前，填充的交易是絕對不能和50W高度里已經(jīng)打包的交易相重的。不然你這個最新高度區(qū)塊就會是非法的。

而“50W”高度這個區(qū)塊從挖出到廣播到所有的礦池中也是需要時間的，廣播區(qū)塊有分兩步。第一步是廣播區(qū)塊頭；第二步是廣播區(qū)塊體。區(qū)塊體非常小，只有80字節(jié)，比一筆交易還小，廣播特別快，所有礦池可以非常快拿到區(qū)塊頭。有了區(qū)塊頭就可以拿到組裝新高度區(qū)塊的“父哈希值”。區(qū)塊體是包含所有交易的那部分，一般非常大，比如2500筆交易就接近1M了。BTC最大可以接近1M，加外3M的隔離見證區(qū)塊。而BCH曾經(jīng)打包出21M的區(qū)塊體。所有礦池收到區(qū)塊體就要時間更長了，這叫網(wǎng)絡(luò)延遲。我們假定網(wǎng)絡(luò)延遲平時是0.5秒。

礦池挖礦最簡單的做法是：一個礦池只要在拿到區(qū)塊體，才能確認(rèn)區(qū)塊體里有哪些交易。而只有驗(yàn)證完整個區(qū)塊，才能知道這個“50W”高度的區(qū)塊是否合法。然后再開始組裝最新高度區(qū)塊，然后再挖礦計(jì)算小于目標(biāo)值的哈希值。那在拿到區(qū)塊體，和驗(yàn)證完整個區(qū)塊，再加上組裝最新高度區(qū)塊，的時間長度是多少？0.5+10+0.1=10.6秒。

如果一個礦池按上述過程來挖礦，那就在這10.6秒鐘的時間內(nèi)是無法挖礦的，礦機(jī)是無效工作時間。而且礦機(jī)還是在開機(jī)耗電的。

如果一個礦池按下面的過程來工作：拿到區(qū)塊頭，就開始組裝一個新的“50W+1”高度的區(qū)塊，但因?yàn)闊o法確認(rèn)這個50W高度區(qū)塊里的交易和是整個區(qū)塊是否合法，所以這個“50W+1”高度的區(qū)塊，礦池并不對區(qū)塊體填充額外的交易，只填充一個Coinbase獎勵交易。這個“50W+1”高度的區(qū)塊，只有區(qū)塊頭，外加一個Coinbase獎勵交易——這就是一個空塊——然后就直接開始挖礦。這樣操作，在全網(wǎng)出現(xiàn)一個新塊時，礦也只需要等待拿到區(qū)塊頭和組裝空塊的時間，就可以開始挖礦。這個時間就非常短了，平時不到0.5秒。這樣就比10.6秒，節(jié)省了10秒多的時間。

而按上述過程挖礦，礦池在收到完整50W高度區(qū)塊體和驗(yàn)證完50W高度區(qū)塊，這個過程是10.6秒。在上述0.5秒到10.6秒的時間里，礦機(jī)如果計(jì)算出了一個隨機(jī)數(shù)小于目標(biāo)值，那礦池就成功挖到了一個空塊。如果礦機(jī)沒有計(jì)算出小于目標(biāo)值的隨機(jī)數(shù)，那礦池就會放棄這10.1秒的挖礦時間，然后改成組裝一個填充了交易的“50W+1”高度的最新高度區(qū)塊進(jìn)行挖礦。

上述就是挖空塊的全部邏輯。

上述挖空礦的原理中，確認(rèn)“50W”高度區(qū)塊里的交易是一個重要的工作，如果能夠提前知道這些交易，那組裝“50W+1”高度的區(qū)塊，不就可以避開這些交易，去組裝另外一些交易了嗎，這樣就可以不用打空塊了。

現(xiàn)在BTC和BCH網(wǎng)絡(luò)有兩個技術(shù)可以優(yōu)化這個區(qū)塊體的傳播，也就可以讓所有礦池更快知道“50W”高度里有哪些交易。第一個技術(shù)叫布隆過濾器；第二個叫致密區(qū)塊（Compact block）和瘦區(qū)塊（Xthin block）。（compact block是Core dev開發(fā)的，Xthin是unlimited dev開發(fā)的，兩者功能一樣。）

布隆過濾器是用來標(biāo)記“50W”高度的區(qū)塊有哪些交易的，只是標(biāo)識。礦池拿到這個標(biāo)記就知道了里面有哪些交易，然后礦池會去自己的內(nèi)存池查找這些交易，并列出自己沒有的交易，然后向其他節(jié)點(diǎn)索要自己沒有的交易。要到這些沒有的交易后，就在本地重新組裝一個“50W”高度的區(qū)塊，而不是從網(wǎng)絡(luò)上下載一個“50W”高度區(qū)塊。這個過程就是Compact block和Xthin block的原理。

通過這兩個技術(shù)就可以壓縮網(wǎng)絡(luò)延遲時間，但依然壓縮不了驗(yàn)證“50W”高度區(qū)塊的時間，而前者只有0.5秒，后者有10秒。

這樣的時間差距，礦池還是要去挖空塊，不然整個礦機(jī)就在白白浪費(fèi)電，要知道這個浪費(fèi)10秒對全網(wǎng)來說是無比巨大的能源。

那怎么辦？

上述分析了挖空塊的原理和優(yōu)化挖礦的原理，挖空塊的核心原因是礦池不敢往“50W+1”這個空塊中填充和“50W”高度里已經(jīng)有的交易。

如果有一種辦法可以保證礦池組裝的“50W+1”高度的空塊里絕對沒有“50W”高度里出現(xiàn)過的交易，不就可以解決問題了嗎？

一種辦法是，礦池自己生成一些交易，不廣播，只保存在自己的內(nèi)存池里，用來填充“50W+1”高度的空塊區(qū)塊，就可以了。

但礦池不能生成一些無意義的交易，不然就是一些垃圾交易，這是對網(wǎng)絡(luò)的浪費(fèi)。打包用戶發(fā)的交易肯定是有意義的，但用戶發(fā)的交易往往都是經(jīng)過廣播的，打包就和“50W”高度區(qū)塊里的交易相沖突的風(fēng)險(xiǎn)。

一定要找那些沒有經(jīng)過廣播的交易。

一種方法是礦池和交易所合作，用戶在交易所發(fā)起的提現(xiàn)交易，交易所不去廣播，而是通過IP到IP的方式，以加密的方法直接發(fā)給礦池，這些交易絕對不會被“50W”高度區(qū)塊打包的。這些交易就可以100%沒有沖突的打進(jìn)“50W+1”高度。

如果有交易所和礦池是同一個公司主體，那這種方法就非常好執(zhí)行了。不是同一個主體，礦池還是怕被交易所坑，萬一交易所塞一個經(jīng)過廣播的交易就可能被浪費(fèi)掉一個空塊的區(qū)塊獎勵。

但這種方法會讓交易所的用戶體驗(yàn)有所下降，因?yàn)榇蚩諌K的概率低啊，這些交易得何年馬月才能被打包，雖然礦池可以在挖非空塊中打包，但用戶也得等這個礦池出塊才有確認(rèn)，這和全網(wǎng)有出塊是差好長的時間的。

另一種方法是讓交易所給礦池提交的保密交易不是用戶的提現(xiàn)交易，而是一些零散UTXO拼湊成大UTXO的交易。這種交易是對整個UTXO體積有很大的優(yōu)化的，而且這些交易都沒有非常強(qiáng)烈的時間要求。適合被空塊打包。

結(jié)束語

只需要考慮經(jīng)濟(jì)因?yàn)榈腜OW挖礦機(jī)制是最優(yōu)的設(shè)定，道德不應(yīng)該被摻進(jìn)來。所有批評礦池打空塊的言論，都是對POW挖礦機(jī)制沒有信心的。