Вступ

Іноді ви можете помітити, що новостворений блок Bitcoin містить лише одну транзакцію — транзакцію coinbase (і ні, це не біржа). Наразі ця транзакція винагороджує гірника 3,125 біткоїнами.
(Винагорода для майнерів буде зменшуватися з кожним подією половинування Bitcoin.)

Але чому з'являються такі блоки? Чи це якась форма атаки на мережу Bitcoin? Це не перший раз, коли в мережі Bitcoin з'явився порожній блок (наприклад, на висотах блоків 776 339 та 857 116). Хоча цей блок був успішно завантажений до ланцюжка блоків Bitcoin, він не містив операції користувачів.

Що саме таке "порожній блок"? Чи це помилка в мережі Bitcoin, чи це неодмінне явище? У цій статті ми дослідимо причини формування порожніх блоків, їх вплив на мережу та потенційні стратегії для їх вирішення.

Приклад порожнього блоку (висота 857116)
（Джерело: mempool)
Примітка: Зазвичай використовуються дослідники Bitcoin: mempool.com, blockchain.com, blockchair.com, blockcypher.com

Процес майнінгу майнера

1. Поширення та перевірка нового блоку:
   • Коли майнер успішно знаходить новий блок, він розсилається по всій мережі та розподіляється всім пулам майнерів.
   • Інші шахтарі повинні перевірити новий блок, такі як перевірка правильності роботи та перевірка транзакцій всередині блоку.
2. Оновити мемпул:
   • Майнери видаляють підтверджені транзакції з пам'яті, залишаючи непідтверджені.
3. Побудуйте кандидатний блок:
   • Шахтарі створюють кандидатський блок на основі непідтверджених транзакцій у пам'ятці, посилаючись на хеш попереднього блоку та додавши залишкові транзакції.
   • Кандидатний блок повинен містити транзакцію coinbase як джерело винагороди для майнера при успішному майнінгу.
4. Створити заголовок блоку:
   • Майнери складають заголовок блоку для кандидатського блоку, який містить хеш попереднього блоку, часову мітку, цільову складність і nonce (випадкове число).
5. Обчислення хешу:
   • Майнери використовують значні обчислювальні ресурси, постійно оновлюючи nonce в заголовку блоку для обчислення хешу з метою знаходження хешу меншого за поточну мережеву ціль.
6. Трансляція нового блоку:
   • Як тільки потрібний хеш знайдено, майнер негайно транслює новий блок в мережу для перевірки іншими вузлами.
7. Отримати винагороду: Отримати винагороду: Отримати винагороду:
   • Якщо новий блок приймається мережею, майнер отримує блокову субсидію (винагороду за койнбейс) та дохід від комісійних зборів з транзакцій, що знаходяться в блоку.

У певних ситуаціях, щоб зменшити вплив затримки мережі, майнери можуть швидко згенерувати порожній блок-кандидат, який містить лише транзакцію coinbase. Цей порожній блок фактично фіксує винагороду, але не може обробляти інші транзакції. (У наступному розділі буде детально пояснено порожній блок.)

Формування порожніх блоків

Концепція порожніх блоків

У блокчейні Bitcoin кожен блок зазвичай містить кілька транзакцій, які не лише додають вартість мережі, але й підтримують функціональність Bitcoin як системи обробки платежів. Однак, порожній блок (також відомий як «блок з однією транзакцією») містить лише винагороду майнера (coinbase reward) і не включає жодних інших транзакцій. Таким чином, він відмовляється від додаткового доходу від комісій за транзакції.

Щоб стимулювати швидке видобування блоків, пули майнінгу негайно надають майнерам порожній шаблон блока, як тільки знайдено новий блок (щоб зменшити час, необхідний для видобутку наступного блоку та максимізувати ефективність апаратного хешування). Це дозволяє майнерам швидко розпочати наступний раунд майнінгу, навіть до отримання нових даних про транзакції. Під час перехідного періоду між пулом, що надає шаблон блока та записом транзакцій (зазвичай тільки одну-дві секунди), майнери можуть “відчути удачу” та використовувати порожній шаблон, щоб успішно знайти новий блок, що призведе до створення порожнього блоку.

Важливо зазначити, що порожні блоки не загрожують мережі Bitcoin. Навіть якщо в блоку немає транзакцій користувачів, все ще генерується винагорода за coinbase, що стимулює майнерів брати участь у майнінгу і забезпечує поступове наближення попиту на Bitcoin до його максимального ліміту в 21 мільйон монет.

Інформація в порожньому блоку

Навіть якщо порожній блок не містить користувацьких транзакцій, він все ще записує деяку інформацію:

1. Блоковий заголовок:
   • Основна інформація про блок, така як номер версії, хеш попереднього блоку та мітка часу.
2. Транзакція Coinbase:
   • Тільки включена операція. Операція винагороди рударя.
   • Ця транзакція розподіляє винагороду для рударів за видобуття блоків.
3. Корінь Меркла:
   • Навіть якщо в блоку немає інших транзакцій, транзакція coinbase все ще генерує корінь Меркла, щоб довести цілісність даних транзакції.
4. Розмір блоку та вага:
   • Хоча обсяг даних порожнього блоку невеликий, розмір все ще записується.
5. Адреса майнера (якщо позначено):
   • Деякі майнери вбудовують свою ідентифікаційну інформацію в транзакцію coinbase, таку як назва або адреса пулу майнінгу.
6. Висота блоку:
   • Позиція блоку в блокчейні (наприклад, Блок 871,732).
7. Значення Nonce:
   • Випадкове число, знайдене шахтарем, використовується для вирішення математичної головоломки Proof of Work.

Приклад порожнього блоку (Висота 871732)
(Джерело: btc.tokenview.io)

Чому майнери створюють порожні блоки?

Коли майнер отримує порожній шаблон блоку від пулу майнінгу незабаром після створення попереднього блоку (зазвичай протягом кількох секунд), майнер стикається з двома виборами: або негайно створювати порожній блок, щоб забезпечити гарантовану блокову субсидію (наприклад, 3,125 біткоїнів), або витрачати час на сортування транзакцій, щоб збільшити дохід з комісій за транзакції, але ризикувати тим, що інший майнер встигне видобути блок першим, перш ніж вони закінчать.

Це розгляд майнера «витрати на нагоду». Якщо майнер витрачає занадто багато часу на обробку транзакцій, а інший майнер завершує блок першим, вони не тільки втрачають комісії з транзакцій, але й втрачають базове дотування блоку. Натомість, якщо майнер генерує порожній блок, хоча вони відмовляються від додаткових доходів з комісій за транзакції, вони можуть надійно забезпечити дотування.

Як зазначено в попередньому абзаці, порожні блоки не становлять загрозу для мережі Bitcoin. Деякі вважають, що порожні блоки подібні до "спаму" та перешкоджають мережі, але цей погляд не є повністю точним. Хоча порожні блоки не обробляють жодних чекаючих транзакцій, вони не викликають плутанини. Навпаки, ці блоки все ще проходять механізм підтвердження роботи, що підвищує складність для наступного блоку, забезпечуючи вищий рівень безпеки для всіх попередніх блоків та збереження цілісності мережі.

Зауваження: Хоча порожні блоки не становлять загрозу для мережі, велика частота порожніх блоків може свідчити про те, що мережа не використовує свій потенціал повністю.

Вплив порожніх блоків

Позитивні впливи

Підвищення мережевої безпеки:

• Хоча порожні блоки не містять користувацьких транзакцій, вони все ще завершують доказ роботи, збільшуючи складність обчислення наступного блоку.
• Кожен порожній блок, що генерується, подальше зміцнює безпеку всіх попередніх блоків, підвищуючи здатність мережі протистояти атакам подвійного витрачання.

Стабілізація доходу майнера:

• Навіть без даних про транзакції, шахраї все одно можуть отримати стабільну підсуму блоків, що мотивує шахраїв продовжувати сприяти мережі.

Підвищення ефективності майнінгу:

• Надаючи шахтарям порожній блок шаблону безпосередньо після виявлення нового блоку, басейни для видобутку можуть скоротити час, необхідний для видобутку наступного блоку.

Забезпечення неперервності блокчейну:

• Навіть без даних про транзакції, порожні блоки забезпечують «континуїтет» блокчейну, запобігаючи перервам в мережі.

Негативні впливи

Знижена ефективність обробки транзакцій:

• Порожні блоки не містять даних про транзакції, що означає, що вони не можуть обробляти очікуючі транзакції, що призводить до заторів у пам'ятці.
• Під час пікових періодів транзакцій порожні блоки можуть додатково погіршити затори в мережі, що негативно впливає на загальний досвід транзакції.

Зниження пропускної здатності блокчейну:

• Кількість операцій на секунду (TPS) зменшується через порожні блоки, що знижує потенціал Bitcoin як платіжної системи.

Проблеми довіри та користувацького досвіду:

• Як уже згадувалося, порожні блоки можуть збільшити час очікування транзакцій, спричиняючи незручності для користувачів.
• Протиріччя між очікуваннями користувачів та максимізацією прибутку майнерів може додатково підривати довіру до мережі (майнери можуть «вибрати» цей метод для збільшення прибутку, але такі дії можуть не враховувати потребу в загальній ефективності мережі, підсилюючи критику з прибуткової поведінки).

Проблеми споживання енергії та ресурсної ефективності:

• Енергія, яку використовують порожні блоки, майже така ж сама, як у блоках, що містять повні транзакції, що викликає занепокоєння щодо ефективності використання енергії.

Стратегії для зменшення порожніх блоків

Стратегії для зменшення порожніх блоків можуть бути обговорені як з технічної, так і з протокольної перспективи.

Технічні рішення для зменшення порожніх блоків

1. Прийміть протокол компактного блоку: це зменшує обсяг передаваних даних під час поширення блоків, що дозволяє гірникам отримувати повні дані про транзакції швидше. (Для отримання деталей див. A. Kim, J. Kim, M. Essaid, S. Park та H. Ju, "Аналіз затримки поширення компактного блоку в мережі Bitcoin," 2021 22-й симпозіум з операцій і управління мережею Азійсько-Тихоокеанського регіону (APNOMS), Тайнань, Тайвань, 2021, с. 313-318, doi: 10.23919/APNOMS52696.2021.9562656.)
2. Прийміть протокол Erlay: це підвищує ефективність передачі транзакцій і скорочує час, який потрібно для розсилки транзакцій з mempool до майнерів.
3. Розробка більш ефективних алгоритмів розрахунку дерева Меркла: Шляхом зменшення часу, необхідного для обробки транзакцій або надання можливості майнерам швидко генерувати дерево Меркла, що містить транзакції при майні нового блоку, майнери можуть уникнути використання порожніх шаблонів і обробляти більше транзакцій.

Покращення на рівні протоколу

1. Вимагайте, щоб кожен блок включав певну кількість або загальну комісію за транзакції, інакше майнери не отримають субсидію на повний блок.
2. Збільшити частку комісійних винагород у загальній сумі, що стимулює шахтарів обробляти більше транзакцій, а не видобувати порожні блоки.

Висновок

Генерація порожніх блоків в основному стимулюється майнерами, які прагнуть ефективності та стабільного прибутку. Після ідентифікації блоку майнінгові пули негайно надають майнерам шаблон порожнього блоку, ще до того, як дані про транзакції повністю поширяться серед майнерів. Створення порожніх блоків - це не збій мережі або зловмисна діяльність, а скоріше вибір, зроблений майнерами після розгляду альтернативних витрат.

Однак порожні блоки також створюють певні проблеми для мережі Bitcoin, включаючи зниження ефективності обробки транзакцій, зменшення кількості транзакцій в секунду (TPS) і збільшення споживання енергії. Це може призвести до збільшення часу очікування користувача. Щоб пом'якшити негативний вплив порожніх блоків, технічні рішення, такі як протоколи Compact Block і Erlay, можуть бути прийняті для підвищення ефективності поширення транзакцій, тоді як на рівні протоколу встановлення мінімальних вимог до транзакцій або коригування коефіцієнтів комісій за транзакції може стимулювати майнерів віддавати пріоритет обробці транзакцій. Існування порожніх блоків - це не недолік в конструкції мережі, а частина динамічного балансу. Завдяки постійній оптимізації, ефективність і стабільність мережі Bitcoin все ще мають простір для подальшого вдосконалення.