はじめに

時々、新しく生成されたビットコインのブロックには1つの取引だけが含まれていることに気づくかもしれません-コインベース取引（いいえ、取引所ではありません）。現在、この取引によりマイナーに3.125ビットコインが報酬として支払われます。
(ビットコインの半減期ごとにマイナー報酬が減少します。)

しかし、そのようなブロックがなぜ現れるのでしょうか？これはBitcoinネットワークへの攻撃の一形態ですか？ Bitcoinネットワークで空のブロックが現れるのは初めてではありません（例えば、ブロック高776,339と857,116）。このブロックはBitcoinブロックチェーンに正常にアップロードされましたが、ユーザートランザクションは含まれていませんでした。

「空のブロック」とは具体的に何ですか？ビットコインネットワークの障害なのか、それとも避けられない現象なのでしょうか？この記事では、空のブロックが形成される原因、ネットワークへの影響、およびそれらに対処するための潜在的な戦略について探求します。

空のブロックの例（高さ857116）
（ソース: メンプール)
注意：一般的に使用されるBitcoinエクスプローラー：mempool.com、blockchain.com、blockchair.com、blockcypher.com

マイナーのマイニングプロセス

1. 新しいブロックの伝播と検証:
   • マイナーが新しいブロックを正常に発見すると、それは全ネットワークにブロードキャストされ、すべてのマイニングプールに配布されます。
   • 他のマイナーは、新しいブロックを検証する必要があります。たとえば、Proof of Work が正しいかどうか、ブロック内の取引が有効かどうかを確認する必要があります。
2. Mempoolの更新:
   • マイナーは、確認済みの取引をメンプールから削除し、未確認の取引を残します。
3. ビルド候補ブロック:
   • マイナーは、前のブロックのハッシュを参照し、未確認トランザクションをもとに候補ブロックを作成し、残りのトランザクションを追加します。
   • 候補ブロックは、マイニングに成功した場合のマイナーへの報酬元としてコインベーストランザクションを含める必要があります。
4. ブロックヘッダーを構築する:
   • マイナーは、前のブロックのハッシュ、タイムスタンプ、目標の難易度、およびノンス（ランダムな数値）を含む候補ブロックのブロックヘッダーを構築します。
5. ハッシュ計算:
   • マイナーは、計算リソースを大量に消費し、ブロックヘッダーのnonceを継続的に更新してハッシュを計算し、現在のネットワークターゲットよりも小さいハッシュを見つけることを目指しています。
6. 新しいブロックをブロードキャストする:
   • 必要なハッシュが見つかると、マイナーはすぐに新しいブロックをネットワークにブロードキャストし、他のノードによる検証を受けます。
7. 報酬を受け取る: 報酬を受け取る: 報酬を受け取る:
   • 新しいブロックがネットワークに受け入れられる場合、マイナーはブロック報酬（コインベースリワード）とブロック内のトランザクションの手数料収入を受け取ります。

特定の状況では、ネットワークの遅延の影響を軽減するために、マイナーはコインベース取引のみを含む空の候補ブロックを迅速に生成することがあります。この空のブロックは報酬を確定させる効果がありますが、他のトランザクションを処理することはできません。（次のセクションでは、空のブロックについて詳しく説明します。）

空のブロックの形成

空のブロックの概念

Bitcoinブロックチェーンでは、通常、各ブロックには複数のトランザクションが含まれており、これによってネットワークに価値が追加されるだけでなく、Bitcoinの支払い処理システムとしての機能もサポートされます。ただし、空のブロック（または「単一トランザクションブロック」とも呼ばれる）にはマイナーのコインベース報酬のみが含まれ、他のトランザクションは含まれていないため、追加の手数料収入を放棄します。

マイニングプールは、新しいブロックが見つかるとすぐにマイナーに空のブロックテンプレートを提供し、次のブロックの採掘に必要な時間を短縮しハードウェアのハッシュ効率を最大化するよう促します。これにより、新しいトランザクションデータを受け取る前でも、マイナーはすぐに次のマイニングラウンドを開始できます。ブロックテンプレートの提供とトランザクションの記入の間の移行期間（通常1〜2秒）中に、マイナーは「幸運」を得て、空のテンプレートを使用して成功裏に新しいブロックを採掘することがあります。その結果、空のブロックが発生します。

空のブロックがビットコインネットワークに脅威を与えることは重要ではありません。ブロックにユーザートランザクションがなくても、コインベースの報酬が生成されるため、マイナーがマイニングに参加する動機付けとなり、ビットコインの供給が徐々に21百万枚の最大限度に近づくことが確保されます。

空のブロックに情報

空のブロックはユーザートランザクションを含んでいませんが、いくつかの情報を記録しています:

1. ブロックヘッダー：
   • バージョン番号、前のブロックのハッシュ、タイムスタンプなど、ブロックの基本情報。
2. Coinbaseトランザクション:
   • 唯一含まれる取引。マイナーの報酬取引。
   • このトランザクションは、ブロックをマイニングするための報酬をマイナーに割り当てます。
3. Merkle Root:
   • ブロック内に他のトランザクションがなくても、コインベーストランザクションはトランザクションデータの完全性を証明するためにMerkleルートを生成します。
4. ブロックサイズと重量:
   • 空のブロックのデータ容量は小さいですが、サイズは依然として記録されています。
5. マイナーアドレス（マークされている場合）：
   • 一部のマイナーは、コインベーストランザクションに採掘プールの名前やアドレスなどの識別情報を埋め込んでいます。
6. ブロック高:
   • ブロックの位置（例：ブロック871,732）
7. Nonce Value: ノンス値:
   • マイナーが見つけたランダムな数値は、Proof of Workの数学的パズルを解くために使用されます。

空のブロックの例（高さ871732）
(ソース：btc.tokenview.io)

なぜマイナーは空のブロックを作成するのですか？

採掘者は、前のブロックが生成された直後（通常数秒以内）に採掘プールから空のブロックテンプレートを受け取ると、2つの選択肢があります。すぐに空のブロックを生成して保証されたブロック報酬（たとえば3.125ビットコイン）を確保するか、トランザクション手数料の収入を増やすためにトランザクションのソートに時間を費やしますが、その間に別の採掘者が先にブロックを採掘するリスクもあります。

これはマイナーが「機会費用」を考慮するものです。マイナーが取引を処理するのにあまりにも多くの時間を費やし、別のマイナーが最初にブロックを完成させた場合、彼らは取引手数料だけでなく、基本的なブロックの補助金も失います。一方、マイナーが空のブロックを生成した場合、追加の取引手数料収入を諦めることになりますが、安定した補助金を確実に確保することができます。

前の段落で述べたように、空のブロックはビットコインネットワークに脅威を与えません。空のブロックは「スパム」のようであり、ネットワークを乱すと考える人もいますが、この見解は完全に正確ではありません。空のブロックは保留中の取引を処理しませんが、混乱を引き起こしません。それどころか、これらのブロックは引き続きProof of Workメカニズムを通過し、次のブロックの難易度を上げ、すべての前のブロックのセキュリティを高め、ネットワークの整合性を維持します。

注意：空のブロックはネットワークに脅威を与えるわけではありませんが、空のブロックの高頻度はネットワークがその潜在能力を十分に活用していないことを示す可能性があります。

空のブロックの影響

ポジティブな影響

ネットワークセキュリティの強化:

• 空のブロックにはユーザートランザクションが含まれていませんが、Proof of Work を完了し、次のブロックの計算難度を上げます。
• 生成される空のブロックごとに、以前のすべてのブロックのセキュリティがさらに強化され、ネットワークが二重支払い攻撃に対する能力が向上します。

マイナー収入の安定化:

• 取引データがなくても、マイナーは安定したブロックの補助金を受け取ることができます。これはマイナーがネットワークへの貢献を続ける動機となっています。

マイニング効率の向上:

• 新しいブロックが特定された直後に、マイニングプールはマイナーに空のブロックテンプレートを提供することで、次のブロックを採掘するために必要な時間を短縮することができます。

ブロックチェーンの継続性の維持:

• 取引データがなくても、空のブロックはブロックチェーンの「連続性」を保ち、ネットワークの中断を防ぎます。

ネガティブな影響

取引処理効率の低下:

• 空のブロックにはトランザクションデータが含まれていないため、保留中のトランザクションを処理することができず、メンプールに遅延が生じます。
• ピーク時の取引量が増加すると、空のブロックがネットワークの混雑をさらに悪化させ、全体的な取引体験に悪影響を与えることがあります。

低いブロックチェーンスループット:

• 空のブロックによる秒間トランザクション数（TPS）の減少は、ビットコインの支払いシステムとしての潜在能力を低下させます。

ユーザーエクスペリエンスと信頼性の問題:

• 前述のように、空のブロックはトランザクションの待ち時間を増加させ、ユーザーに不便をもたらす可能性があります。
• ユーザーの期待とマイナーの利益最大化の行動との矛盾は、ネットワークへの信頼をさらに侵食する可能性があります（マイナーはこの方法を採用することで収益を増やすことができますが、そのような行動は全体的なネットワークの効率性の必要性を見落とす可能性があり、利益志向の行動に対する批判を強めることがあります）。

エネルギー消費とリソース効率の問題：

• 空のブロックが使用するエネルギーは、完全なトランザクションを含むブロックのエネルギーとほぼ同じであり、エネルギー利用効率が懸念されます。

空のブロックを減らす戦略

空のブロックを減らすための戦略は、技術的な観点とプロトコルの観点の両方から議論することができます。

空のブロックを減らすための技術的な解決策

1. コンパクトブロックプロトコルの採用：これにより、ブロック伝播中に送信されるデータ量が減少し、マイナーはより速く完全なトランザクションデータを受信できます。（詳細については、A. Kim、J. Kim、M. Essaid、S. Park、H. Ju、「Analysis of Compact Block Propagation Delay in Bitcoin Network」、2021年第22回アジア太平洋ネットワークオペレーションと管理シンポジウム（APNOMS）、台南、台湾、2021年、pp. 313-318、doi：10.23919 / APNOMS52696.2021.9562656.）を参照してください。
2. Erlayプロトコルの採用:これにより、トランザクションの伝播の効率が向上し、トランザクションがmempoolからマイナーにブロードキャストされるまでの時間が短縮されます。
3. より効率的なマークルツリー計算アルゴリズムの開発:トランザクションの処理に必要な時間を短縮したり、マイナーが新しいブロックをマイニングする際にトランザクションを含むマークルツリーを迅速に生成できるようにすることで、マイナーは空のテンプレートの使用を回避し、より多くのトランザクションを処理できます。

プロトコルレベルの改善

1. 各ブロックには一定数または合計トランザクション手数料を含める必要があります。そうしないと、マイナーは完全なブロック補助金を受け取ることはできません。
2. 総報酬における取引手数料の割合を増やし、マイナーが空のブロックを採掘する代わりにより多くの取引を処理するようにインセンティブを与える。

結論

空のブロックの生成は、主に効率と安定した利益を追求するマイナーによって推進されています。ブロックの識別後、マイニングプールはトランザクションデータが完全にマイナーに伝播する前に、すぐにマイナーに空のブロックテンプレートを提供します。空のブロックを作成することは、ネットワークの障害や悪意のある活動ではなく、マイナーが機会費用を考慮した上での選択です。

ただし、空のブロックは、トランザクション処理効率の低下、毎秒のトランザクション(TPS)の減少、エネルギー消費量の増加など、ビットコインネットワークに特定の課題をもたらします。これにより、ユーザーの待機時間が長くなる可能性があります。空のブロックの悪影響を軽減するために、Compact BlockやErlayプロトコルなどの技術的ソリューションを採用してトランザクションの伝播効率を高めることができますが、プロトコルレベルでは、最小トランザクション要件を設定したり、トランザクション手数料率を調整したりすることで、マイナーがトランザクションの処理を優先するインセンティブを得ることができます。空のブロックの存在は、ネットワーク設計の欠陥ではなく、動的バランスの一部です。継続的な最適化を通じて、ビットコインネットワークの効率と安定性にはまださらなる改善の余地があります。