Introdução

Às vezes, você pode notar que um novo bloco de Bitcoin gerado contém apenas uma transação — a transação coinbase (e não, não é a exchange). Atualmente, esta transação recompensa o minerador com 3.125 bitcoins.
(As recompensas dos mineradores irão diminuir a cada evento de halving do Bitcoin.)

Mas por que esses blocos vazios aparecem? Isso é alguma forma de ataque à rede Bitcoin? Não é a primeira vez que um bloco vazio aparece na rede Bitcoin (por exemplo, nas alturas dos blocos 776.339 e 857.116). Embora este bloco tenha sido carregado com sucesso para o blockchain do Bitcoin, ele não incluía transações de usuários.

O que exatamente é um "bloco vazio"? É uma falha na rede Bitcoin ou é um fenômeno inevitável? Neste artigo, exploraremos as causas da formação de blocos vazios, seu impacto na rede e as possíveis estratégias para lidar com eles.

Exemplo de um Bloco Vazio (Altura 857116)
（Source: mempool)
Observação: Exploradores de Bitcoin comumente usados: mempool.com, blockchain.com, blockchair.com, blockcypher.com

Processo de Mineração do Minerador

1. Propagação e Verificação do Novo Bloco:
   • Quando um minerador descobre com sucesso um novo bloco, ele é transmitido para toda a rede e distribuído para todos os grupos de mineração.
   • Outros mineradores precisam verificar o novo bloco, como verificar se a Prova de Trabalho está correta e se as transações dentro do bloco são válidas.
2. Atualizar Mempool:
   • Os mineradores removem transações confirmadas do mempool, deixando apenas as não confirmadas.
3. Construir Bloco Candidato:
   • Os mineradores criam um bloco candidato com base em transações não confirmadas no mempool, fazendo referência ao hash do bloco anterior e adicionando as transações restantes.
   • O bloco candidato deve incluir uma transação de coinbase como a fonte de recompensa para o minerador após a mineração bem-sucedida.
4. Construir Cabeçalho do Bloco:
   • Os mineradores constroem o cabeçalho do bloco para o bloco candidato, contendo o hash do bloco anterior, o carimbo de data/hora, a dificuldade alvo e um nonce (número aleatório).
5. Cálculo de Hash:
   • Os mineradores consomem recursos computacionais substanciais, atualizando continuamente o nonce no cabeçalho do bloco para calcular o hash, visando encontrar um hash menor do que o alvo atual da rede.
6. Transmitir Novo Bloco:
   • Uma vez que o hash necessário é encontrado, o minerador imediatamente transmite o novo bloco para a rede para validação por outros nós.
7. Receber Recompensa: Receber Recompensa: Receber Recompensa:
   • Se o novo bloco for aceito pela rede, o minerador recebe a recompensa em moedas (recompensa da coinbase) e a renda da taxa de transação das transações dentro do bloco.

Em certas situações, para reduzir o impacto da latência de rede, os mineradores podem gerar rapidamente um bloco candidato vazio que contém apenas a transação coinbase. Esse bloco vazio efetivamente garante a recompensa, mas não pode processar outras transações. (A seção a seguir explicará em detalhes um bloco vazio.)

Formação de Blocos Vazios

Conceito de Blocos Vazios

Na blockchain do Bitcoin, cada bloco normalmente contém várias transações, que não apenas adicionam valor à rede, mas também suportam a funcionalidade do Bitcoin como um sistema de processamento de pagamentos. No entanto, um bloco vazio (também conhecido como um "bloco de uma única transação") contém apenas a recompensa do minerador e não inclui outras transações, renunciando assim à receita adicional de taxas de transação.

Para incentivar os mineradores a minerar blocos rapidamente, os pools de mineração fornecem imediatamente aos mineradores um modelo de bloco vazio assim que um novo bloco é localizado (para reduzir o tempo necessário para minerar o próximo bloco e maximizar a eficiência do hash de hardware). Isso permite que os mineradores comecem a próxima rodada de mineração rapidamente, mesmo antes de receber novos dados de transação. Durante o período de transição entre o pool que fornece o modelo de bloco e as transações de gravação (geralmente apenas um a dois segundos), os mineradores podem "ter sorte" e usar o modelo vazio para minerar com sucesso um novo bloco, resultando em um bloco vazio.

É importante notar que blocos vazios não ameaçam a rede Bitcoin. Mesmo que não haja transações de usuários no bloco, a recompensa da coinbase ainda é gerada, o que incentiva os mineradores a participarem da mineração e garante que o fornecimento de Bitcoin se aproxime gradualmente de seu limite máximo de 21 milhões de moedas.

Informações em um Bloco vazio

Embora um bloco vazio não contenha transações de usuário, ele ainda registra algumas informações:

1. Cabeçalho do Bloco：
   • Informações básicas sobre o bloco, como o número da versão, o hash do bloco anterior e o timestamp.
2. Transação do Coinbase:
   • A única transação incluída. A transação de recompensa do minerador.
   • Essa transação aloca recompensas para os mineradores por minerar blocos.
3. Merkle Root:
   • Mesmo que não haja outras transações no bloco, a transação coinbase ainda gera uma raiz Merkle para provar a integridade dos dados da transação.
4. Tamanho e Peso do Bloquear:
   • Embora o volume de dados de um bloco vazio seja pequeno, o tamanho ainda é registrado.
5. Endereço do minerador (se marcado):
   • Alguns mineradores incorporam suas informações de identificação na transação do coinbase, como o nome ou endereço do pool de mineração.
6. Altura do Bloco:
   • A posição do bloco na blockchain (por exemplo, Bloco 871,732).
7. Valor Nonce:
   • O número aleatório encontrado pelo minerador, usado para resolver o quebra-cabeça matemático de Prova de Trabalho.

Exemplo de um Bloco vazio (Altura 871732)
(Fonte: btc.tokenview.io)

Por que os mineradores criam blocos vazios?

Quando um minerador recebe um modelo de bloco vazio da piscina de mineração logo após a geração do bloco anterior (geralmente dentro de alguns segundos), o minerador enfrenta duas escolhas: gerar imediatamente um bloco vazio para garantir a recompensa do bloco garantida (por exemplo, 3,125 bitcoins), ou gastar tempo classificando transações para aumentar a receita de taxas de transação, mas correndo o risco de outro minerador minerar o bloco primeiro antes de terminarem.

Esta é a consideração do minerador sobre o "custo de oportunidade". Se o minerador passar muito tempo processando transações e outro minerador completar o bloco primeiro, eles não apenas perdem as taxas de transação, mas também perdem a subvenção básica do bloco. Em contraste, se o minerador gerar um bloco vazio, embora renunciem à receita adicional da taxa de transação, eles podem garantir com segurança a subvenção.

Como mencionado no parágrafo anterior, os blocos vazios não representam uma ameaça para a rede Bitcoin. Alguns acreditam que os blocos vazios são como “spam” e perturbam a rede, mas essa visão não é inteiramente precisa. Embora os blocos vazios não processem nenhuma transação pendente, eles não causam confusão. Pelo contrário, esses blocos ainda passam pelo mecanismo de Prova de Trabalho, o que aumenta a dificuldade para o próximo bloco, fornecendo maior segurança para todos os blocos anteriores e mantendo a integridade da rede.

Observação: Embora blocos vazios não representem uma ameaça para a rede, uma alta frequência de blocos vazios pode indicar que a rede não está utilizando totalmente seu potencial.

Impactos de Blocos Vazios

Impactos Positivos

Aprimorando a Segurança da Rede:

• Embora os blocos vazios não contenham transações de usuários, eles ainda completam a Prova de Trabalho, aumentando a dificuldade de calcular o próximo bloco.
• Cada bloco vazio gerado fortalece ainda mais a segurança de todos os blocos anteriores, melhorando a capacidade da rede de resistir a ataques de gastos duplos.

Estabilizando a renda dos mineradores:

• Mesmo sem dados de transação, os mineradores ainda podem receber uma subsídio de bloco estável, o que motiva os mineradores a continuarem contribuindo para a rede.

Aumentando a Eficiência da Mineração:

• Ao fornecer aos mineradores um modelo de bloco em branco imediatamente após a identificação de um novo bloco, as pools de mineração podem reduzir o tempo necessário para minerar o próximo bloco.

Manter a Continuidade do Bloqueio da Cadeia de Bloqueio:

• Mesmo sem dados de transação, blocos vazios garantem a “continuidade” da blockchain, evitando interrupções na rede.

Impactos Negativos

Eficiência de processamento de transações reduzida:

• Blocos vazios não contêm dados de transação, o que significa que eles não podem processar transações pendentes, levando a um acúmulo na mempool.
• Durante os períodos de transação de pico, blocos vazios podem agravar ainda mais a congestão da rede, afetando negativamente a experiência geral de transação.

Maior taxa de transferência da Blockchain:

• As transações por segundo (TPS) diminuem devido aos blocos vazios, reduzindo o potencial do Bitcoin como sistema de pagamento.

Experiência do Usuário e Questões de Confiança:

• Como mencionado, blocos vazios podem aumentar os tempos de espera das transações, causando inconveniência para os usuários.
• A contradição entre as expectativas dos usuários e o comportamento de maximização de lucros dos mineradores pode erodir ainda mais a confiança na rede (os mineradores podem 'escolher' adotar esse método para aumentar os ganhos, mas tais ações podem ignorar a necessidade de eficiência geral da rede, reforçando críticas ao comportamento orientado pelo lucro).

Questões de consumo de energia e eficiência de recursos:

• A energia utilizada por blocos vazios é quase a mesma que a de blocos contendo transações completas, levantando preocupações sobre a eficiência da utilização de energia.

Estratégias para Reduzir Blocos Vazios

Estratégias para Reduzir Blocos Vazios podem ser discutidas tanto do ponto de vista técnico quanto protocolar.

Soluções técnicas para reduzir blocos vazios

1. Adote o Protocolo de Bloco Compacto: Isso reduz a quantidade de dados transmitidos durante a propagação do bloco, permitindo que os mineradores recebam dados completos de transação mais rapidamente. (Para mais detalhes, consulte: A. Kim, J. Kim, M. Essaid, S. Park e H. Ju, “Análise do Atraso de Propagação de Bloco Compacto na Rede Bitcoin,” 2021 22º Simpósio de Operações e Gerenciamento de Redes da Ásia-Pacífico (APNOMS), Tainan, Taiwan, 2021, pp. 313-318, doi: 10.23919/APNOMS52696.2021.9562656.)
2. Adote o Protocolo Erlay: Isso melhora a eficiência de propagação de transações e reduz o tempo necessário para que as transações sejam transmitidas do mempool para os mineradores.
3. Desenvolva algoritmos de cálculo de árvore Merkle mais eficientes: reduzindo o tempo necessário para processar transações ou permitindo que os mineradores gerem rapidamente uma árvore Merkle contendo transações ao minerar um novo bloco, os mineradores podem evitar o uso de modelos vazios e processar mais transações.

Melhorias ao nível do protocolo

1. Exija que cada bloco inclua um determinado número ou taxas totais de transação, caso contrário, os mineradores não receberão o subsídio total do bloco.
2. Aumente a participação das taxas de transação na recompensa total, incentivando os mineradores a processar mais transações em vez de minerar blocos vazios.

Conclusão

A geração de blocos vazios é impulsionada principalmente por mineradoras que buscam eficiência e lucros estáveis. Após a identificação do bloco, os pools de mineração fornecem imediatamente aos mineradores um modelo de bloco em branco, mesmo antes que os dados da transação tenham se propagado totalmente para os mineradores. Criar blocos vazios não é uma falha de rede ou atividade maliciosa, mas sim uma escolha feita pelos mineradores depois de considerar o custo de oportunidade.

No entanto, os blocos vazios também representam certos desafios para a rede Bitcoin, incluindo a redução da eficiência do processamento de transações, a diminuição das transações por segundo (TPS) e o aumento do consumo de energia. Isso pode levar a tempos de espera mais longos do usuário. Para mitigar o impacto negativo dos blocos vazios, soluções técnicas como os protocolos Compact Block e Erlay podem ser adotadas para melhorar a eficiência da propagação de transações, enquanto no nível do protocolo, definir requisitos mínimos de transação ou ajustar as taxas de taxa de transação pode incentivar os mineradores a priorizar o processamento de transações. A existência de blocos vazios não é uma falha no design da rede, mas parte de um equilíbrio dinâmico. Através da otimização contínua, a eficiência e a estabilidade da rede Bitcoin ainda têm espaço para mais melhorias.