Introducción

A veces, puede notar que un nuevo bloque de Bitcoin generado contiene solo una transacción: la transacción de coinbase (y no, no es el intercambio). Actualmente, esta transacción recompensa al minero con 3.125 bitcoins.
(Las recompensas de los mineros disminuirán con cada evento de reducción a la mitad de Bitcoin.)

Pero, ¿por qué aparecen bloques vacíos? ¿Es esto alguna forma de ataque a la red Bitcoin? No es la primera vez que ha aparecido un bloque vacío en la red Bitcoin (por ejemplo, en las alturas de bloque 776,339 y 857,116). Aunque este bloque se cargó con éxito en la cadena de bloques de Bitcoin, no incluyó transacciones de usuarios.

¿Qué es exactamente un "bloque vacío"? ¿Es una falla en la red de Bitcoin o es un fenómeno inevitable? En este artículo, exploraremos las causas de la formación de bloques vacíos, su impacto en la red y estrategias potenciales para abordarlos.

Ejemplo de un Bloque vacío (Altura 857116)
（Fuente: mempool)
Nota: Exploradores de Bitcoin comúnmente utilizados: mempool.com, blockchain.com, blockchair.com, blockcypher.com

Proceso de minería de minero

1. Nueva Propagación y Verificación de Bloques:
   • Cuando un minero descubre con éxito un nuevo bloque, se transmite a toda la red y se distribuye a todos los grupos de minería.
   • Otros mineros deben verificar el nuevo bloque, como comprobar si la Prueba de Trabajo es correcta y si las transacciones dentro del bloque son válidas.
2. Actualizar Mempool:
   • Los mineros eliminan las transacciones confirmadas de la mempool, dejando las no confirmadas.
3. Bloquear Candidato de Construcción:
   • Los mineros crean un bloque candidato basado en transacciones no confirmadas en el mempool, haciendo referencia al hash del bloque anterior y agregando las transacciones restantes.
   • El bloque candidato debe incluir una transacción de coinbase como fuente de recompensa para el minero al completar con éxito la minería.
4. Construir Encabezado del Bloque:
   • Los mineros construyen la cabecera del bloque para el bloque candidato, que contiene el hash del bloque anterior, la marca de tiempo, la dificultad objetivo y un nonce (número aleatorio).
5. Cálculo de Hash:
   • Los mineros consumen recursos computacionales sustanciales, actualizando continuamente el nonce en el encabezado del bloque para calcular el hash, con el objetivo de encontrar un hash menor que el objetivo actual de la red.
6. Transmitir nuevo bloque:
   • Una vez que se encuentra el hash requerido, el minero transmite inmediatamente el nuevo bloque a la red para su validación por otros nodos.
7. Recibir recompensa:Recibir recompensa:Recibir recompensa:
   • Si el nuevo bloque es aceptado por la red, el minero recibe la subvención del bloque (recompensa de coinbase) y los ingresos por tarifas de transacción de las transacciones dentro del bloque.

En ciertas situaciones, para reducir el impacto de la latencia de red, los mineros pueden generar rápidamente un bloque candidato vacío que contiene solo la transacción de coinbase. Este bloque vacío bloquea efectivamente la recompensa pero no puede procesar otras transacciones. (La siguiente sección explicará en detalle un bloque vacío).

Formación de Bloques Vacíos

Concepto de Bloque vacío

En la cadena de bloques de Bitcoin, cada bloque suele contener múltiples transacciones, que no solo agregan valor a la red, sino que también respaldan la funcionalidad de Bitcoin como sistema de procesamiento de pagos. Sin embargo, un bloque vacío (también conocido como un 'bloque de una sola transacción') contiene solo la recompensa del minero y no incluye ninguna otra transacción, renunciando así a ingresos adicionales por tarifas de transacción.

Para animar a los mineros a minar bloques rápidamente, los pools de minería proporcionan inmediatamente a los mineros una plantilla de bloque vacía una vez que se localiza un nuevo bloque (para reducir el tiempo necesario para minar el siguiente bloque y maximizar la eficiencia del hash del hardware). Esto permite a los mineros comenzar la siguiente ronda de minería rápidamente, incluso antes de recibir nuevos datos de transacciones. Durante el período de transición entre el grupo que proporciona la plantilla de bloque y la escritura de transacciones (generalmente solo uno o dos segundos), los mineros pueden "tener suerte" y usar la plantilla vacía para minar con éxito un nuevo bloque, lo que resulta en un bloque vacío.

Es importante tener en cuenta que los bloques vacíos no amenazan a la red de Bitcoin. Incluso si no hay transacciones de usuarios en el bloque, la recompensa de coinbase aún se genera, lo que incentiva a los mineros a participar en la minería y garantiza que el suministro de Bitcoin se acerque gradualmente a su límite máximo de 21 millones de monedas.

Información en un Bloque vacío

Aunque un bloque vacío no contiene transacciones de usuario, aún registra cierta información:

1. Encabezado de bloque:
   • Información básica sobre el bloque, como el número de versión, el hash del bloque anterior y la marca de tiempo.
2. Transacción Coinbase:
   • La única transacción incluida. La transacción de recompensa del minero.
   • Esta transacción asigna recompensas a los mineros por minar bloques.
3. Raíz de Merkle:
   • Aunque no haya otras transacciones en el bloque, la transacción de coinbase todavía genera una raíz de Merkle para demostrar la integridad de los datos de la transacción.
4. Tamaño y peso del bloque:
   • Aunque el volumen de datos de un bloque vacío es pequeño, el tamaño aún se registra.
5. Dirección del minero (si está marcada):
   • Algunos mineros incrustan su información de identificación en la transacción de coinbase, como el nombre o dirección del grupo de minería.
6. Altura del bloque:
   • La posición del bloque en la cadena de bloques (por ejemplo, Bloque 871,732).
7. Valor de Nonce:
   • El número aleatorio encontrado por el minero, utilizado para resolver el rompecabezas matemático de Prueba de Trabajo.

Ejemplo de un Bloque vacío (Altura 871732)
(Source: btc.tokenview.io)

¿Por qué los mineros crean bloques vacíos?

Cuando un minero recibe una plantilla de bloque en blanco de la piscina minera poco después de que se genere el bloque anterior (generalmente en unos pocos segundos), el minero se enfrenta a dos opciones: generar inmediatamente un bloque vacío para garantizar la subvención de bloque garantizada (por ejemplo, 3.125 bitcoins) o dedicar tiempo a ordenar transacciones para aumentar los ingresos por comisiones de transacción, pero correr el riesgo de que otro minero mine el bloque primero antes de que terminen.

Esta es la consideración del minero sobre el “costo de oportunidad”. Si el minero pasa demasiado tiempo procesando transacciones y otro minero completa el bloque primero, no solo pierden las tarifas de transacción, sino que también renuncian a la subvención básica del bloque. En contraste, si el minero genera un bloque vacío, aunque renuncian a los ingresos adicionales por tarifas de transacción, pueden asegurar de manera confiable la subvención.

Como se mencionó en el párrafo anterior, los bloques vacíos no representan una amenaza para la red de Bitcoin. Algunos creen que los bloques vacíos son como ``spam'' y perturban la red, pero esta visión no es del todo precisa. Si bien los bloques vacíos no procesan ninguna transacción pendiente, tampoco causan confusión. Por el contrario, estos bloques aún pasan por el mecanismo de Prueba de Trabajo, lo que aumenta la dificultad para el siguiente bloque, proporcionando una mayor seguridad para todos los bloques anteriores y manteniendo la integridad de la red.

Nota: Si bien los bloques vacíos no representan una amenaza para la red, una alta frecuencia de bloques vacíos podría indicar que la red no está utilizando completamente su potencial.

Impactos de Bloques Vacíos

Impactos positivos

Mejorando la Seguridad de la Red:

• Aunque los bloques vacíos no contienen transacciones de usuario, aún completan la Prueba de Trabajo, aumentando la dificultad de calcular el siguiente bloque.
• Cada bloque vacío generado fortalece aún más la seguridad de todos los bloques anteriores, mejorando la capacidad de la red para resistir ataques de doble gasto.

Estabilizando Ingresos de Mineros:

• Incluso sin datos de transacciones, los mineros aún pueden recibir un subsidio de bloque estable, lo que motiva a los mineros a seguir contribuyendo a la red.

Aumentando la eficiencia minera:

• Al proporcionar a los mineros una plantilla de bloque en blanco inmediatamente después de identificar el nuevo bloque, los grupos de minería pueden reducir el tiempo necesario para minar el siguiente bloque.

Manteniendo la Continuidad del Blockchain:

• Incluso sin datos de transacción, los bloques vacíos aseguran la “continuidad” del blockchain, previniendo interrupciones en la red.

Impactos negativos

Eficiencia de procesamiento de transacciones reducida:

• Los bloques vacíos no contienen datos de transacciones, lo que significa que no pueden procesar transacciones pendientes, lo que lleva a un atasco en el mempool.
• Durante los períodos de transacción pico, los bloques vacíos pueden agravar aún más la congestión de la red, afectando negativamente la experiencia general de la transacción.

Menor rendimiento de la cadena de bloques:

• Las transacciones por segundo (TPS) disminuyen debido a bloques vacíos, lo que reduce el potencial de Bitcoin como sistema de pago.

Experiencia del usuario y problemas de confianza:

• Como se mencionó, los bloques vacíos pueden aumentar los tiempos de espera de las transacciones, causando inconvenientes para los usuarios.
• La contradicción entre las expectativas de los usuarios y el comportamiento de maximización de ganancias de los mineros podría erosionar aún más la confianza en la red (los mineros pueden "elegir" adoptar este método para aumentar las ganancias, pero tales acciones pueden pasar por alto la necesidad de eficiencia general de la red, reforzando las críticas al comportamiento impulsado por las ganancias).

Problemas de consumo de energía y eficiencia de recursos:

• La energía utilizada por los bloques vacíos es casi la misma que la de los bloques que contienen transacciones completas, lo que genera preocupaciones sobre la eficiencia de la utilización de la energía.

Estrategias para reducir los bloques vacíos

Las estrategias para reducir los Bloques vacíos pueden discutirse desde perspectivas técnica y de protocolo.

Soluciones técnicas para reducir los bloques vacíos

1. Adopte el protocolo de bloques compactos: Esto reduce la cantidad de datos transmitidos durante la propagación de bloques, lo que permite a los mineros recibir datos completos de transacciones más rápidamente. (Para obtener más detalles, consulte: A. Kim, J. Kim, M. Essaid, S. Park y H. Ju, "Analysis of Compact Block Propagation Delay in Bitcoin Network", 2021 22nd Asia-Pacific Network Operations and Management Symposium (APNOMS), Tainan, Taiwán, 2021, pp. 313-318, doi: 10.23919/APNOMS52696.2021.9562656).
2. Adoptar el Protocolo Erlay: Esto mejora la eficiencia de la propagación de transacciones y acorta el tiempo que toma para que las transacciones sean difundidas desde el mempool a los mineros.
3. Desarrollar algoritmos de cálculo de árbol de Merkle más eficientes: Al reducir el tiempo requerido para procesar transacciones o permitir a los mineros generar rápidamente un árbol de Merkle que contenga transacciones al minar un nuevo bloque, los mineros pueden evitar usar plantillas vacías y procesar más transacciones.

Mejoras a nivel de protocolo

1. Requiere que cada bloque incluya una cierta cantidad o el total de las comisiones de transacción, de lo contrario los mineros no recibirán la subvención total del bloque.
2. Aumente la proporción de las comisiones de transacción en la recompensa total, incentivando a los mineros a procesar más transacciones en lugar de minar bloques vacíos.

Conclusión

La generación de bloques vacíos es impulsada principalmente por los mineros que buscan eficiencia y ganancias estables. Después de la identificación del bloque, los grupos de minería proporcionan de inmediato a los mineros una plantilla de bloque en blanco, incluso antes de que los datos de transacción se propaguen por completo a los mineros. La creación de bloques vacíos no es una falla de la red o una actividad maliciosa, sino una elección realizada por los mineros después de considerar el costo de oportunidad.

Sin embargo, los bloques vacíos también plantean ciertos desafíos a la red Bitcoin, incluida una menor eficiencia en el procesamiento de transacciones, una disminución de las transacciones por segundo (TPS) y un aumento del consumo de energía. Esto puede provocar tiempos de espera más largos para los usuarios. Para mitigar el impacto negativo de los bloques vacíos, se pueden adoptar soluciones técnicas como los protocolos Compact Block y Erlay para mejorar la eficiencia de la propagación de transacciones, mientras que a nivel de protocolo, el establecimiento de requisitos mínimos de transacción o el ajuste de las ratios de comisión de transacción pueden incentivar a los mineros a priorizar el procesamiento de transacciones. La existencia de bloques vacíos no es una falla en el diseño de la red, sino parte de un equilibrio dinámico. A través de una optimización continua, la eficiencia y la estabilidad de la red Bitcoin todavía tienen margen para seguir mejorando.