Introdução

Às vezes, pode notar que um novo bloco de Bitcoin gerado contém apenas uma transação — a transação coinbase (e não, não é a exchange). Atualmente, essa transação recompensa o minerador com 3,125 bitcoins.
(As recompensas dos mineradores diminuirão a cada evento de halving do Bitcoin.)

Mas por que aparecem esses blocos? Será que se trata de algum tipo 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 a blockchain do Bitcoin, ele não incluiu 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 possíveis estratégias para lidar com eles.

Exemplo de um Bloco Vazio (Altura 857116)
（Fonte: mempool)
Nota: Exploradores de Bitcoin comumente utilizados: mempool.com, blockchain.com, blockchair.com, blockcypher.com

Processo de Mineração de Miner

1. Nova Propagação e Verificação de 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 mineiros 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 da mempool, deixando as não confirmadas.
3. Construir Bloco Candidato:
   • Os mineradores criam um bloco candidato com base em transações não confirmadas no mempool, referenciando o hash do bloco anterior e adicionando as transações restantes.
   • O bloco candidato deve incluir uma transação Coinbase como a fonte de recompensa para o minerador após a mineração bem-sucedida.
4. Construir Cabeçalho de Bloco:
   • Os mineiros constroem o cabeçalho do bloco para o bloco candidato, contendo o hash do bloco anterior, timestamp, 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, com o objetivo de encontrar um hash menor do que o alvo atual da rede.
6. Transmitir Novo Bloco:
   • Assim que o hash necessário é encontrado, o minerador transmite imediatamente o novo bloco para a rede para validação por outros nós.
7. Receber Recompensa:Receber Recompensa:Receber Recompensa:
   • Se o novo bloco for aceite pela rede, o mineiro recebe a recompensa do bloco (recompensa Coinbase) e o rendimento da taxa de transação das transações dentro do bloco.

Em certas situações, para reduzir o impacto da latência de rede, os mineiros podem rapidamente gerar um bloco candidato vazio que contém apenas a transação coinbase. Este bloco vazio efetivamente bloqueia a recompensa, mas não pode processar outras transações. (A secção seguinte irá explicar um bloco vazio em detalhe.)

Formação de Blocos Vazios

Conceito de Blocos Vazios

Na blockchain do Bitcoin, cada bloco normalmente contém várias transações, que não só adicionam valor à rede, mas também suportam a funcionalidade do Bitcoin como sistema de processamento de pagamentos. No entanto, um bloco vazio (também conhecido como "bloco de única transação") contém apenas a recompensa do minerador e não inclui outras transações, abdicando assim de receitas adicionais 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 de hash de hardware). Isso permite que os mineradores iniciem 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 escrita (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 os blocos vazios não ameaçam a rede Bitcoin. Mesmo que não haja transações de usuário no bloco, a recompensa do coinbase ainda é gerada, o que incentiva os mineradores a participar da mineração e garante que o fornecimento de Bitcoin gradualmente se aproxime de seu limite máximo de 21 milhões de moedas.

Informação num Bloco Vazio

Embora um bloco vazio não contenha transações de usuário, 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 carimbo de data/hora.
2. Transação Coinbase:
   • A única transação incluída. A transação de recompensa do minerador.
   • Esta transação aloca recompensas para os mineiros pela mineração de blocos.
3. Merkle Root:
   • Mesmo que não haja outras transações no bloco, a transação coinbase ainda gera uma raiz de Merkle para provar a integridade dos dados da transação.
4. Tamanho e Peso do Bloco:
   • Embora o volume de dados de um bloco vazio seja pequeno, o tamanho ainda é registrado.
5. Endereço do Minerador (se marcado):
   • Alguns mineiros 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 do Nonce:
   • O número aleatório encontrado pelo mineiro, usado para resolver o quebra-cabeças matemático de Prova de Trabalho.

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

Porque é que os mineiros criam blocos vazios?

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

Esta é a consideração do mineiro sobre o “custo de oportunidade”. Se o mineiro passar muito tempo a processar transações e outro mineiro completar o bloco primeiro, não só perdem as taxas de transação, como também perdem o subsídio básico do bloco. Por outro lado, se o mineiro gerar um bloco vazio, embora abdiquem da receita adicional das taxas de transação, podem garantir de forma fiável o subsídio.

Como mencionado no parágrafo anterior, blocos vazios não representam uma ameaça para a rede Bitcoin. Alguns acreditam que blocos vazios são como “spam” e prejudicam a rede, mas essa visão não é totalmente precisa. Embora 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, proporcionando maior segurança para todos os blocos anteriores e mantendo a integridade da rede.

Nota: Embora os blocos vazios não representem uma ameaça para a rede, uma alta frequência de blocos vazios poderia indicar que a rede não está a utilizar plenamente o seu potencial.

Impactos de Blocos Vazios

Impactos positivos

Melhorando a Segurança da Rede:

• Embora os blocos vazios não contenham transações do usuário, 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, aumentando a capacidade da rede de resistir a ataques de gasto duplo.

Estabilização da renda do minerador:

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

Aumentar a Eficiência da Mineração:

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

Manter a Continuidade do Blockchain:

• Mesmo sem dados de transação, blocos vazios garantem a "continuidade" da blockchain, impedindo interrupções na rede.

Impactos Negativos

Eficiência de processamento de transações reduzida:

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

Throughput de Blockchain mais baixo:

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

Problemas de Experiência do Utilizador e Confiança:

• Como mencionado, blocos vazios podem aumentar os tempos de espera das transações, causando inconvenientes para os utilizadores.
• 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 negligenciar a necessidade de eficiência geral da rede, reforçando as críticas ao comportamento orientado pelo lucro).

Questões de Consumo de Energia e Eficiência de Recursos:

• A energia utilizada pelos blocos vazios é quase a mesma que a dos 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 do ponto de vista do protocolo.

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 de transações completas mais rapidamente. (Para mais detalhes, consulte: A. Kim, J. Kim, M. Essaid, S. Park e H. Ju, “Análise do Atraso na Propagação do Bloco Compacto na Rede Bitcoin,” 2021 22º Simpósio de Operações e Gestão 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 da propagação de transações e reduz o tempo necessário para que as transações sejam transmitidas da mempool para os mineradores.
3. Desenvolver algoritmos de cálculo de árvore de Merkle mais eficientes: Ao reduzir o tempo necessário para processar transações ou permitir que os mineradores gerem rapidamente uma árvore de 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. Exigir que cada bloco inclua um certo número ou total de taxas de transação, caso contrário os mineradores não receberão a subvenção total do bloco.
2. Aumentar 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 principalmente impulsionada por mineradores em busca de eficiência e lucros estáveis. Após a identificação do bloco, as pools de mineração imediatamente fornecem aos mineradores um modelo de bloco em branco, mesmo antes que os dados da transação tenham sido totalmente propagados para os mineradores. A criação de blocos vazios não é uma falha na rede ou uma atividade maliciosa, mas sim uma escolha feita pelos mineradores após considerar o custo de oportunidade.

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