Introduction

Parfois, vous pouvez remarquer qu'un nouveau bloc Bitcoin généré ne contient qu'une seule transaction - la transaction coinbase (et non, ce n'est pas l'échange). Actuellement, cette transaction récompense le mineur avec 3,125 bitcoins.
(Les récompenses des mineurs diminueront à chaque événement de réduction de moitié de Bitcoin.)

Mais pourquoi de tels blocs apparaissent-ils ? S'agit-il d'une forme d'attaque sur le réseau Bitcoin ? Ce n'est pas la première fois qu'un bloc vide apparaît dans le réseau Bitcoin (par exemple, aux hauteurs de blocs 776 339 et 857 116). Bien que ce bloc ait été téléchargé avec succès sur la blockchain Bitcoin, il n'incluait pas de transactions d'utilisateurs.

Qu'est-ce qu'un « bloc vide » exactement ? Est-ce un dysfonctionnement du réseau Bitcoin ou un phénomène inévitable ? Dans cet article, nous explorerons les causes de la formation de blocs vides, leur impact sur le réseau et les stratégies potentielles pour les résoudre.

Exemple d'un bloc vide (hauteur 857116)
（Source: mempool)
Note : Explorateurs Bitcoin couramment utilisés : mempool.com, blockchain.com, blockchair.com, blockcypher.com

Processus minier du mineur

1. Propagation et vérification du nouveau bloc :
   • Lorsqu'un mineur découvre avec succès un nouveau bloc, il est diffusé à l'ensemble du réseau et distribué à tous les pools de minage.
   • D'autres mineurs doivent vérifier le nouveau bloc, comme vérifier si la preuve de travail est correcte et si les transactions à l'intérieur du bloc sont valides.
2. Mise à jour du Mempool :
   • Les mineurs retirent les transactions confirmées de la mempool, laissant celles qui ne sont pas confirmées.
3. Construire un bloc candidat :
   • Les mineurs créent un bloc candidat basé sur les transactions non confirmées dans le mempool, en faisant référence au hachage du bloc précédent et en ajoutant les transactions restantes.
   • Le bloc candidat doit inclure une transaction coinbase en tant que source de récompense pour le mineur lors d'un minage réussi.
4. Construire l'en-tête du bloc :
   • Les mineurs construisent l'en-tête du bloc pour le bloc candidat, contenant le hachage du bloc précédent, l'horodatage, la difficulté cible et un nonce (nombre aléatoire).
5. Calcul de hachage :
   • Les mineurs consomment des ressources computationnelles considérables, mettant continuellement à jour le nonce dans l'en-tête de bloc pour calculer le hachage, dans le but de trouver un hachage plus petit que la cible réseau actuelle.
6. Diffuser un nouveau bloc :
   • Une fois que le hash requis est trouvé, le mineur diffuse immédiatement le nouveau bloc au réseau pour validation par d'autres nœuds.
7. Recevoir la récompense: Recevoir la récompense: Recevoir la récompense:
   • Si le nouveau bloc est accepté par le réseau, le mineur reçoit la subvention du bloc (récompense de coinbase) et les revenus des frais de transaction des transactions dans le bloc.

Dans certaines situations, pour réduire l'impact de la latence du réseau, les mineurs peuvent rapidement générer un bloc candidat vide qui ne contient que la transaction coinbase. Ce bloc vide verrouille efficacement la récompense mais ne peut pas traiter d'autres transactions. (La section suivante expliquera en détail un bloc vide.)

Formation de blocs vides

Concept de Blocs Vides

Dans la blockchain Bitcoin, chaque bloc contient généralement plusieurs transactions, qui ajoutent de la valeur au réseau mais soutiennent également la fonctionnalité de Bitcoin en tant que système de traitement des paiements. Cependant, un bloc vide (également appelé « bloc à une seule transaction ») ne contient que la récompense du mineur et n'inclut aucune autre transaction, renonçant ainsi aux revenus supplémentaires des frais de transaction.

Pour encourager les mineurs à extraire rapidement des blocs, les pools de minage fournissent immédiatement aux mineurs un modèle de bloc vide dès qu'un nouveau bloc est trouvé (afin de réduire le temps nécessaire pour extraire le bloc suivant et maximiser l'efficacité du hachage matériel). Cela permet aux mineurs de commencer rapidement le prochain cycle d'extraction, même avant de recevoir de nouvelles données de transaction. Pendant la période de transition entre la fourniture du modèle de bloc par le pool et l'écriture des transactions (généralement seulement une à deux secondes), les mineurs peuvent avoir de la chance et utiliser le modèle vide pour extraire avec succès un nouveau bloc, ce qui donne un bloc vide.

Il est important de noter que les blocs vides ne menacent pas le réseau Bitcoin. Même s'il n'y a pas de transactions d'utilisateurs dans le bloc, la récompense de coinbase est toujours générée, ce qui incite les mineurs à participer à l'extraction minière et garantit que l'offre de Bitcoin se rapproche progressivement de sa limite maximale de 21 millions de pièces.

Information dans un bloc vide

Bien qu'un bloc vide ne contienne pas de transactions d'utilisateurs, il enregistre néanmoins certaines informations:

1. En-tête de bloc：
   • Informations de base sur le bloc, telles que le numéro de version, le hachage du bloc précédent et l'horodatage.
2. Transaction Coinbase :
   • La seule transaction incluse. La transaction de récompense du mineur.
   • Cette transaction alloue des récompenses aux mineurs pour l'extraction de blocs.
3. Racine de Merkle :
   • Même s'il n'y a pas d'autres transactions dans le bloc, la transaction de coinbase génère toujours une racine de Merkle pour prouver l'intégrité des données de transaction.
4. Taille et poids du bloc:
   • Bien que le volume de données d'un bloc vide soit faible, la taille est toujours enregistrée.
5. Adresse du mineur (si marquée) :
   • Certains mineurs intègrent leurs informations d'identification dans la transaction coinbase, telles que le nom ou l'adresse du pool de minage.
6. Hauteur du bloc :
   • La position du bloc dans la blockchain (par exemple, Bloc 871,732).
7. Valeur de nonce :
   • Le numéro aléatoire trouvé par le mineur, utilisé pour résoudre le puzzle mathématique de la Preuve de Travail.

Exemple d'un bloc vide (Hauteur 871732)
(Source: btc.tokenview.io)

Pourquoi les mineurs créent-ils des blocs vides?

Lorsqu'un mineur reçoit un modèle de bloc vide de la piscine minière peu de temps après la génération du bloc précédent (généralement en quelques secondes), le mineur est confronté à deux choix: soit générer immédiatement un bloc vide pour sécuriser la subvention de bloc garantie (par exemple, 3,125 bitcoins), soit passer du temps à trier les transactions pour augmenter les frais de transaction, mais risquer qu'un autre mineur mine le bloc en premier avant qu'ils aient terminé.

C'est la considération du mineur pour le «coût d'opportunité». Si le mineur passe trop de temps à traiter les transactions et qu'un autre mineur termine le bloc en premier, il perd non seulement les frais de transaction, mais aussi le subside de bloc de base. En revanche, si le mineur génère un bloc vide, bien qu'il renonce à des revenus supplémentaires de frais de transaction, il peut sécuriser de manière fiable le subside.

Comme mentionné dans le paragraphe précédent, les blocs vides ne représentent pas une menace pour le réseau Bitcoin. Certains pensent que les blocs vides sont comme du "spam" et perturbent le réseau, mais cette vision n'est pas tout à fait exacte. Bien que les blocs vides ne traitent aucune transaction en attente, ils ne causent pas de confusion. Au contraire, ces blocs passent toujours par le mécanisme de Preuve de Travail, ce qui augmente la difficulté pour le bloc suivant, offrant une sécurité accrue pour tous les blocs précédents et maintenant l'intégrité du réseau.

Remarque: Bien que les blocs vides ne présentent pas de menace pour le réseau, une fréquence élevée de blocs vides pourrait indiquer que le réseau n'utilise pas pleinement son potentiel.

Impacts des blocs vides

Impacts positifs

Renforcer la sécurité du réseau :

• Bien que les blocs vides ne contiennent pas de transactions d'utilisateurs, ils terminent tout de même la preuve de travail, augmentant la difficulté de calcul du bloc suivant.
• Chaque bloc vide généré renforce davantage la sécurité de tous les blocs précédents, améliorant la capacité du réseau à résister aux attaques de double-dépense.

Stabilisation des revenus des mineurs :

• Même sans données de transaction, les mineurs peuvent toujours recevoir une subvention de bloc stable, ce qui motive les mineurs à continuer de contribuer au réseau.

Augmentation de l'efficacité minière:

• En fournissant aux mineurs un modèle de bloc vide immédiatement après l'identification du nouveau bloc, les pools de minage peuvent réduire le temps nécessaire pour miner le bloc suivant.

Maintenir la continuité du blocage :

• Même sans données de transaction, les blocs vides assurent la "continuité" de la blockchain, empêchant les interruptions du réseau.

Impacts Négatifs

Efficacité de traitement des transactions réduite :

• Les blocs vides ne contiennent pas de données de transaction, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas traiter les transactions en attente, entraînant un retard dans le mempool.
• Pendant les périodes de transactions de pointe, les blocs vides peuvent aggraver davantage la congestion du réseau, affectant négativement l'expérience globale de transaction.

Débit inférieur de la blockchain :

• Le nombre de transactions par seconde (TPS) diminue en raison des blocs vides, réduisant le potentiel du Bitcoin en tant que système de paiement.

Expérience utilisateur et problèmes de confiance:

• Comme mentionné, les blocs vides peuvent augmenter les temps d'attente des transactions, ce qui peut causer des inconvénients pour les utilisateurs.
• La contradiction entre les attentes des utilisateurs et le comportement de maximisation des profits des mineurs pourrait encore éroder la confiance dans le réseau (les mineurs peuvent "choisir" d'adopter cette méthode pour augmenter leurs revenus, mais de telles actions peuvent négliger la nécessité d'une efficacité globale du réseau, renforçant ainsi les critiques à l'égard du comportement axé sur le profit).

Consommation d'énergie et problèmes d'efficacité des ressources :

• L'énergie utilisée par les blocs vides est presque la même que celle des blocs contenant des transactions complètes, ce qui suscite des préoccupations concernant l'efficacité de l'utilisation de l'énergie.

Stratégies pour réduire les blocs vides

Les stratégies visant à réduire les blocs vides peuvent être discutées tant du point de vue technique que du point de vue du protocole.

Solutions techniques pour réduire les blocs vides

1. Adoptez le protocole de bloc compact: cela réduit la quantité de données transmises pendant la propagation de bloc, permettant aux mineurs de recevoir plus rapidement les données de transaction complètes. (Pour plus de détails, voir: A. Kim, J. Kim, M. Essaid, S. Park et H. Ju, « Analyse du délai de propagation de bloc compact dans le réseau Bitcoin », 2021 22ème Symposium sur la gestion et les opérations de réseau Asie-Pacifique (APNOMS), Tainan, Taiwan, 2021, pp. 313-318, doi: 10.23919/APNOMS52696.2021.9562656.)
2. Adoptez le protocole Erlay: Cela améliore l'efficacité de la propagation des transactions et raccourcit le temps nécessaire pour diffuser les transactions depuis le mempool vers les mineurs.
3. Développer des algorithmes de calcul d'arbre de Merkle plus efficaces : En réduisant le temps nécessaire pour traiter les transactions ou en permettant aux mineurs de générer rapidement un arbre de Merkle contenant des transactions lors de l'extraction d'un nouveau bloc, les mineurs peuvent éviter d'utiliser des modèles vides et traiter plus de transactions.

Améliorations au niveau du protocole

1. Exiger que chaque bloc inclue un certain nombre ou des frais de transaction totaux, sinon les mineurs ne recevront pas la totalité de la subvention du bloc.
2. Augmenter la part des frais de transaction dans la récompense totale, incitant les mineurs à traiter davantage de transactions plutôt qu'à miner des blocs vides.

Conclusion

La génération de blocs vides est principalement motivée par les mineurs cherchant l'efficacité et des bénéfices stables. Après l'identification du bloc, les pools de minage fournissent immédiatement aux mineurs un modèle de bloc vierge, même avant que les données de transaction se propagent entièrement aux mineurs. La création de blocs vides n'est pas une défaillance du réseau ou une activité malveillante, mais plutôt un choix fait par les mineurs après avoir pris en compte le coût d'opportunité.

Cependant, les blocs vides posent également certains défis au réseau Bitcoin, notamment une efficacité de traitement des transactions réduite, une diminution des transactions par seconde (TPS) et une consommation d'énergie accrue. Cela peut entraîner des temps d'attente plus longs pour les utilisateurs. Pour atténuer l'impact négatif des blocs vides, des solutions techniques telles que les protocoles Compact Block et Erlay peuvent être adoptées pour améliorer l'efficacité de la propagation des transactions, tandis qu'au niveau du protocole, la définition de conditions minimales de transaction ou l'ajustement des ratios de frais de transaction peuvent inciter les mineurs à donner la priorité au traitement des transactions. L'existence de blocs vides n'est pas un défaut de conception du réseau, mais fait partie d'un équilibre dynamique. Grâce à une optimisation continue, l'efficacité et la stabilité du réseau Bitcoin ont encore des marges de progression.