Введение

Иногда вы можете заметить, что в недавно созданном блоке Bitcoin содержится только одна транзакция - транзакция coinbase (и нет, это не биржа). В настоящее время эта транзакция вознаграждает майнера 3.125 биткоинами.
(Награды майнеров будут уменьшаться с каждым событием по уменьшению награды за добычу биткойнов.)

Но почему появляются такие блоки? Это какая-то форма атаки на сеть Биткойн? Это не первый раз, когда в сети Биткойн появляется пустой блок (например, на высотах блоков 776 339 и 857 116). Хотя этот блок был успешно загружен в блокчейн Биткойна, он не содержал пользовательских транзакций.

Что такое «пустой блок»? Это ошибка в сети Биткойн, или это неизбежное явление? В этой статье мы рассмотрим причины формирования пустых блоков, их влияние на сеть и потенциальные стратегии их решения.

Пример пустого блока (высота 857116)
（Источник: mempool)
Примечание: Часто используемые исследователи Bitcoin: mempool.com, blockchain.com, blockchair.com, blockcypher.com

Процесс майнинга майнера

1. Распространение и проверка нового блока:
   • Когда майнер успешно находит новый блок, он транслируется всей сети и распространяется по всем пулам майнинга.
   • Другие майнеры должны проверить новый блок, например, проверить, правильная ли Proof of Work и являются ли транзакции внутри блока действительными.
2. Обновить Mempool:
   • Майнеры удаляют подтвержденные транзакции из пула памяти, оставляя неподтвержденные.
3. Построить кандидатский блок:
   • Майнеры создают кандидатский блок на основе неподтвержденных транзакций в памяти, ссылаясь на хэш предыдущего блока и добавляя оставшиеся транзакции.
   • Кандидатский блок должен включать транзакцию Coinbase в качестве источника вознаграждения для майнера при успешном майнинге.
4. Создание заголовка блока:
   • Майнеры строят заголовок блока для кандидатского блока, содержащего хеш предыдущего блока, временную метку, целевую сложность и произвольное число (nonce).
5. Расчет хэша:
   • Майнеры потребляют значительные вычислительные ресурсы, непрерывно обновляя значение nonce в заголовке блока для вычисления хэша с целью найти хэш, меньший чем текущая сетевая цель.
6. Трансляция нового блока:
   • Как только требуемый хэш найден, майнер сразу же транслирует новый блок в сеть для проверки другими узлами.
7. Получить награду: Получить награду: Получить награду:
   • Если новый блок принят сетью, майнер получает вознаграждение за блок (награду за coinbase) и доход от комиссий за транзакции внутри блока.

В определенных ситуациях, чтобы уменьшить влияние задержки сети, майнеры могут быстро создать пустой кандидатский блок, содержащий только транзакцию coinbase. Этот пустой блок фактически фиксирует вознаграждение, но не может обрабатывать другие транзакции. (В следующем разделе будет подробно объяснено, что такое пустой блок.)

Формирование Пустых Блоков

Концепция пустых блоков

В блокчейне Биткойна каждый блок обычно содержит несколько транзакций, которые не только добавляют ценность сети, но также поддерживают функциональность Биткойна в качестве системы обработки платежей. Однако пустой блок (также известный как "одно-транзакционный блок") содержит только награду майнера за блок и не содержит других транзакций, отказываясь таким образом от дополнительных доходов от комиссий за транзакции.

Чтобы побудить майнеров быстро добывать блоки, майнинговые пулы сразу же предоставляют майнерам пустой шаблон блока, как только обнаруживается новый блок (чтобы сократить время, необходимое для добычи следующего блока, и максимизировать эффективность аппаратного хеширования). Это позволяет майнерам быстро начать следующий раунд майнинга, еще до получения новых данных о транзакциях. Во время переходного периода между пулом, предоставляющим шаблон блока, и записью транзакций (обычно всего одна-две секунды), майнерам может «повезти», и они используют пустой шаблон для успешной добычи нового блока, в результате чего блок будет пустым.

Важно отметить, что пустые блоки не угрожают сети Bitcoin. Даже если в блоке нет пользовательских транзакций, вознаграждение coinbase все равно генерируется, что мотивирует майнеров участвовать в майнинге и обеспечивает постепенное приближение предложения Bitcoin к своему максимальному пределу в 21 миллион монет.

Информация в пустом блоке

Хотя пустой блок не содержит пользовательских транзакций, он все равно записывает некоторую информацию:

1. Заголовок блока:
   • Основная информация о блоке, такая как номер версии, хэш предыдущего блока и временная метка.
2. Транзакция Coinbase:
   • Единственная включенная транзакция. Транзакция вознаграждения майнера.
   • Эта транзакция выделяет награды майнерам за майнинг блоков.
3. Корень Меркля:
   • Даже если в блоке нет других транзакций, транзакция coinbase все равно генерирует корневой хэш Merkle, чтобы доказать целостность данных транзакции.
4. Размер блока и вес:
   • Хотя объем данных пустого блока небольшой, размер все равно записывается.
5. Адрес майнера (если отмечен):
   • Некоторые майнеры встраивают свою идентификационную информацию в транзакцию coinbase, такую как название или адрес пула майнинга.
6. Высота блока:
   • Положение блока в блокчейне (например, Блок 871,732).
7. Значение Nonce:
   • Случайное число, найденное майнером, используется для решения математической головоломки Proof of Work.

Пример пустого блока (высота 871732)
(Источник: btc.tokenview.io)

Почему майнеры создают пустые блоки?

Когда майнер получает пустой блок-шаблон от пула майнинга вскоре после генерации предыдущего блока (обычно в течение нескольких секунд), майнер сталкивается с двумя выборами: либо немедленно генерировать пустой блок, чтобы обеспечить гарантированную доплату за блок (например, 3,125 биткоинов), либо тратить время на сортировку транзакций для увеличения дохода от комиссий за транзакции, но рисковать тем, что другой майнер сначала добыл блок, пока они закончат.

Это рассуждение майнера о «оппортунистической стоимости». Если майнер тратит слишком много времени на обработку транзакций, а другой майнер первым завершает блок, то майнер теряет не только комиссионные сборы за транзакции, но и лишает себя базовой блоковой субсидии. В отличие от этого, если майнер создает пустой блок, то, хотя он отказывается от дополнительных доходов от комиссий за транзакции, он может надежно обеспечить субсидию.

Как упоминалось в предыдущем абзаце, пустые блоки не представляют угрозы сети Биткоин. Некоторые считают, что пустые блоки похожи на «спам» и нарушают работу сети, но это мнение не совсем точно. Хотя пустые блоки не обрабатывают никаких ожидающих транзакций, они не вызывают путаницу. Напротив, эти блоки все равно проходят через механизм доказательства работы, что увеличивает сложность для следующего блока, обеспечивая более высокую безопасность для всех предыдущих блоков и поддерживая целостность сети.

Примечание: Хотя пустые блоки не представляют угрозы для сети, высокая частота пустых блоков может указывать на то, что сеть не полностью использует свой потенциал.

Влияние пустых блоков

Положительное воздействие

Повышение безопасности сети:

• Хотя пустые блоки не содержат пользовательских транзакций, они все же завершают работу подтверждения, увеличивая сложность вычисления следующего блока.
• Каждый созданный пустой блок дополнительно укрепляет безопасность всех предыдущих блоков, повышая способность сети сопротивляться атакам на двойную трату.

Стабилизация доходов майнеров:

• Даже без данных о транзакции, майнеры все равно могут получать стабильную блоковую субсидию, что мотивирует майнеров продолжать вкладываться в сеть.

Повышение эффективности майнинга:

• Предоставляя майнерам пустой блок-шаблон сразу после идентификации нового блока, пулы майнинга могут сократить время, необходимое для майнинга следующего блока.

Поддержание непрерывности блокчейна:

• Даже без данных о транзакциях, пустые блоки обеспечивают "непрерывность" блокчейна, предотвращая сетевые прерывания.

Негативное воздействие

Сниженная эффективность обработки транзакций:

• Пустые блоки не содержат данных транзакций, что означает, что они не могут обрабатывать ожидающие транзакции, что приводит к задержке в mempool.
• В периоды пиковых транзакций пустые блоки могут еще больше усугубить сетевую конгестию, негативно сказываясь на общем опыте транзакций.

Снижение пропускной способности блокчейна:

• Количество транзакций в секунду (TPS) снижается из-за пустых блоков, что снижает потенциал Биткоина как платежной системы.

Проблемы пользовательского опыта и доверия:

• Как уже упоминалось, пустые блоки могут увеличить время ожидания транзакций, что может вызвать неудобства для пользователей.
• Противоречие между ожиданиями пользователей и поведением майнеров, стремящихся к максимизации прибыли, может еще больше подорвать доверие к сети (майнеры могут «выбрать» принять этот метод для увеличения прибыли, но такие действия могут упустить из виду необходимость общей эффективности сети, усиливая критику поведения, ориентированного на прибыль).

Проблемы потребления энергии и ресурсоэффективности:

• Энергия, используемая пустыми блоками, почти такая же, как у блоков, содержащих полные транзакции, что вызывает беспокойство относительно эффективности использования энергии.

Стратегии по снижению пустых блоков

Снижение количества пустых блоков может быть обсуждено как с технической, так и протокольной точек зрения.

Технические решения для сокращения пустых блоков

1. Применение протокола компактного блока: это уменьшает объем передаваемых данных во время распространения блока, что позволяет майнерам быстрее получать полные данные о транзакциях. (Дополнительные сведения см. в: A. Kim, J. Kim, M. Essaid, S. Park и H. Ju, «Анализ задержки распространения компактного блока в сети Биткойн», 2021 22-й симпозиум по операциям и управлению сетями Азиатско-Тихоокеанского региона (APNOMS), Тайнань, Тайвань, 2021, с. 313-318, doi: 10.23919/APNOMS52696.2021.9562656.)
2. Применение протокола Erlay: Это улучшает эффективность передачи транзакций и сокращает время, необходимое для трансляции транзакций из mempool к майнерам.
3. Разработка более эффективных алгоритмов вычисления дерева Меркла: Путем сокращения времени, необходимого для обработки транзакций или позволяя майнерам быстро генерировать дерево Меркла, содержащее транзакции при майнинге нового блока, майнеры могут избежать использования пустых шаблонов и обрабатывать больше транзакций.

Улучшения на уровне протокола

1. Требуйте, чтобы в каждом блоке была указана определенная сумма или общие комиссионные, в противном случае майнеры не получат полной блоковой субсидии.
2. Увеличение доли комиссий за транзакции в общей награде, стимулируя майнеров обрабатывать больше транзакций, а не добывать пустые блоки.

Заключение

Поколение пустых блоков в основном обусловлено стремлением майнеров к эффективности и стабильным прибылям. После идентификации блока пулы майнинга немедленно предоставляют майнерам шаблон пустого блока, даже до полного распространения данных о транзакции майнерам. Создание пустых блоков не является сбоем сети или злонамеренной деятельностью, а является выбором, сделанным майнерами после рассмотрения издержек возможности.

Тем не менее, пустые блоки также создают определенные проблемы для сети Биткойн, включая снижение эффективности обработки транзакций, снижение количества транзакций в секунду (TPS) и повышенное потребление энергии. Это может привести к увеличению времени ожидания пользователя. Чтобы смягчить негативное влияние пустых блоков, могут быть приняты технические решения, такие как протоколы Compact Block и Erlay, для повышения эффективности распространения транзакций, в то время как на уровне протокола установка минимальных требований к транзакциям или корректировка коэффициентов комиссий за транзакции могут стимулировать майнеров отдавать приоритет обработке транзакций. Наличие пустых блоков — это не недостаток в дизайне сети, а часть динамического баланса. Благодаря непрерывной оптимизации эффективность и стабильность сети Биткойн все еще имеют возможности для дальнейшего улучшения.