POW:POW矿池挖空块原理和解决方案

编者按：本文来自闪电HSL，作者：黄世亮，Odaily星球日报经授权发布。

第0章引言

比特币的挖矿收益包含两部分，第一是区块奖励；第二是交易手续费。如果打空块，就收不到交易手续费，为什么有矿池会不要手续费来打空块呢？

第1章POW挖矿原理

工作量证明POW挖矿就是区块链生成新的区块的过程。包括BTC、BCH、ETH、LTC……在内，POW挖矿都是按以下逻辑来。挖矿是这样的，系统会给出一个目标值，这是一个数，比如前面有18个零。挖矿就是找出一个小于这个目标值的随机数，比如前面有19个零。找到了，就挖到了区块。关键字：随机数。关键问题：这个随机是怎么计算？这个随机数是对矿池对最新高度的区块链进行哈希得来的。关键字：最新高度。关键问题：什么是最新高度？现在有一个矿池挖到了一个区块，并且广播出去，我们假定这个区块高度是50W高度。接下来所有矿池就会在这个50W高度后面继续挖矿，具体动作是矿池先组装一个新的区块，这个新的区块包含了“区块头”和“填充交易的区块体”。区块头里有两个需要特别说明的，第一个是父块哈希值，这里是50W高度的hash值；第二个是Nonce，这是一个数，一个可以调整的数，从0开始。组装好这个新的区块后，矿机就对这个新区块加上前面50W高度的区块进行哈希。这个新的区块就是上面的“最新高度”。矿机执行哈希一次，就得到一个哈希值，这是一个二进制数。矿池会拿这个值和目标值对比，如果小于目标值，就恭喜你，成功挖到矿，否则就将Nonce加1，再哈希，再对比，……显然一台矿机来哈希，你要试出满足目标值的Nounce值，那真是要慢死了。但矿池可以将不同的Nounce划分给不同的矿机来试。比如矿池一共有1000台矿机，将0到1000，给第1台试；10001到2000给第2台试……这就是挖矿的并行。第2章POW挖空块的原理

动态 | EmpowerTheDAO完成第一阶段集成，支持Aragon DAO使用Compound、Uniswap和ENS:EmpowerTheDAO宣布完成 Aragon和 ENS、Compound 和Uniswap 的第一阶段集成，这意味着所有 Aragon 上的所有 DAO 项目可与集成在 Aragon 上的协议进行交互，比如现在基于 Aragon 的任何 DAO 项目可将 DAI 发送到 Compound 中，并获得利息。同时，也支持配置其他 ERC-20 代币，而集成 Uniswap 后则支持 DAO 项目对持有的 ETH 和 DAI 交易对进行兑换，这意味着任何持有 ETH 的 DAO 项目都可以将 ETH 换成 DAI 以获得稳定性，同时也支持用于 ETH 和其他 ERC-20 代币的兑换，集成 ENS 则意味着 DAO 项目可使用 ENS 设置反向记录，这意味着 DAO 组织可发布对人类读取友好的收款地址。EmpowerTheDAO 是在 Aragon 社区发起的「Aragon Nest」提案，于今年 5 月关闭，旨在构建最小可行 的 Aragon Agent 应用程序，以使 DAO 能与其他一些基于以太坊的著名项目开发的协议进行交互。安装后，这些应用程序将出现在应用程序选择器中，从而允许该 DAO 用户与连接到其他协议的应用程序进行交互。EmpowerTheDAO 本身就是 DAO，第 1 阶段由 Aragon 的 Nest Grants 计划资助，项目提案是通过提交到 Aragon Nest github 上发起申请和申请资金。EmpowerTheDAO 使用 Aragon 的 DAO 框架作为合作伙伴 DAO运行，资金使用和操作是完全透明的。[2019/11/3]

针对上面50W高度和最新高度区块，我们需要进一步详说。在矿池在对最新高度区块链进行挖矿之前，是要对50W高度这个区块进行验证的。如果验证成功，在“50W+1”这个新组装的区块高度上挖矿才是合法的，如果50W高度是一个非法的区块，那所有的矿池是要回到“50W”高度去挖矿的。但验证区块是需要时间的，因为各个矿池的软硬件不同，我们假定一个平均时间，10秒钟验证1M的区块。在验证结束之前，矿池是无法确认这个区块是不是合法，也就无法确认是否应该添加“50W+1”高度的最新区块。而组装一个最新高度的区块也是需要时间的，拿到一个区块模板开始组装，往里填写父区块哈希值和在内存池里挑选交易填充进区块体，这都是需要时间，我们假定需要0.1秒。在验证“50W”高度区块时，和填充交易进“50W+1”区块里，有一个提前，填充的交易是绝对不能和50W高度里已经打包的交易相重的。不然你这个最新高度区块就会是非法的。而“50W”高度这个区块从挖出到广播到所有的矿池中也是需要时间的，广播区块有分两步。第一步是广播区块头；第二步是广播区块体。区块体非常小，只有80字节，比一笔交易还小，广播特别快，所有矿池可以非常快拿到区块头。有了区块头就可以拿到组装新高度区块的“父哈希值”。区块体是包含所有交易的那部分，一般非常大，比如2500笔交易就接近1M了。BTC最大可以接近1M，加外3M的隔离见证区块。而BCH曾经打包出21M的区块体。所有矿池收到区块体就要时间更长了，这叫网络延迟。我们假定网络延迟平时是0.5秒。矿池挖矿最简单的做法是：一个矿池只要在拿到区块体，才能确认区块体里有哪些交易。而只有验证完整个区块，才能知道这个“50W”高度的区块是否合法。然后再开始组装最新高度区块，然后再挖矿计算小于目标值的哈希值。那在拿到区块体，和验证完整个区块，再加上组装最新高度区块，的时间长度是多少？0.5+10+0.1=10.6秒。如果一个矿池按上述过程来挖矿，那就在这10.6秒钟的时间内是无法挖矿的，矿机是无效工作时间。而且矿机还是在开机耗电的。如果一个矿池按下面的过程来工作：拿到区块头，就开始组装一个新的“50W+1”高度的区块，但因为无法确认这个50W高度区块里的交易和是整个区块是否合法，所以这个“50W+1”高度的区块，矿池并不对区块体填充额外的交易，只填充一个Coinbase奖励交易。这个“50W+1”高度的区块，只有区块头，外加一个Coinbase奖励交易——这就是一个空块——然后就直接开始挖矿。这样操作，在全网出现一个新块时，矿也只需要等待拿到区块头和组装空块的时间，就可以开始挖矿。这个时间就非常短了，平时不到0.5秒。这样就比10.6秒，节省了10秒多的时间。而按上述过程挖矿，矿池在收到完整50W高度区块体和验证完50W高度区块，这个过程是10.6秒。在上述0.5秒到10.6秒的时间里，矿机如果计算出了一个随机数小于目标值，那矿池就成功挖到了一个空块。如果矿机没有计算出小于目标值的随机数，那矿池就会放弃这10.1秒的挖矿时间，然后改成组装一个填充了交易的“50W+1”高度的最新高度区块进行挖矿。上述就是挖空块的全部逻辑。第3章优化挖矿原理

动态 | 因与Craig Wright关系过近，ETC和以太坊峰会均未邀请 ProgPow的核心开发人员:由于与Craig Wright关系过近，ProgPow 的核心开发人员Kristy-Leigh Minehan未被邀请参加刚刚结束的以太坊峰会和即将开始的 ETC 峰会。同时，ETC合作执行董事Bob Summerwill对 ProgPow算法存在的知识产权问题仍存有疑虑。注：ProgPoW是对 Ethereum哈希算法的一项修改，更加倾向使 GPU矿工受益。（区块律动）[2019/9/19]

上述挖空矿的原理中，确认“50W”高度区块里的交易是一个重要的工作，如果能够提前知道这些交易，那组装“50W+1”高度的区块，不就可以避开这些交易，去组装另外一些交易了吗，这样就可以不用打空块了。现在BTC和BCH网络有两个技术可以优化这个区块体的传播，也就可以让所有矿池更快知道“50W”高度里有哪些交易。第一个技术叫布隆过滤器；第二个叫致密区块(Compactblock)和瘦区块。布隆过滤器是用来标记“50W”高度的区块有哪些交易的，只是标识。矿池拿到这个标记就知道了里面有哪些交易，然后矿池会去自己的内存池查找这些交易，并列出自己没有的交易，然后向其他节点索要自己没有的交易。要到这些没有的交易后，就在本地重新组装一个“50W”高度的区块，而不是从网络上下载一个“50W”高度区块。这个过程就是Compactblock和Xthinblock的原理。通过这两个技术就可以压缩网络延迟时间，但依然压缩不了验证“50W”高度区块的时间，而前者只有0.5秒，后者有10秒。这样的时间差距，矿池还是要去挖空块，不然整个矿机就在白白浪费电，要知道这个浪费10秒对全网来说是无比巨大的能源。那怎么办？第4章彻底解决挖空块的办法

声音 | Weiss Ratings：亚马逊不需要PoW专利:加密货币评级机构Weiss Ratings发推就亚马逊最近获得的PoW专利评论称：PoW只适用于完全分散的、抗审查的开放区块链，亚马逊不需要这个。[2019/5/18]

上述分析了挖空块的原理和优化挖矿的原理，挖空块的核心原因是矿池不敢往“50W+1”这个空块中填充和“50W”高度里已经有的交易。如果有一种办法可以保证矿池组装的“50W+1”高度的空块里绝对没有“50W”高度里出现过的交易，不就可以解决问题了吗？一种办法是，矿池自己生成一些交易，不广播，只保存在自己的内存池里，用来填充“50W+1”高度的空块区块，就可以了。但矿池不能生成一些无意义的交易，不然就是一些垃圾交易，这是对网络的浪费。打包用户发的交易肯定是有意义的，但用户发的交易往往都是经过广播的，打包就和“50W”高度区块里的交易相冲突的风险。一定要找那些没有经过广播的交易。一种方法是矿池和交易所合作，用户在交易所发起的提现交易，交易所不去广播，而是通过IP到IP的方式，以加密的方法直接发给矿池，这些交易绝对不会被“50W”高度区块打包的。这些交易就可以100%没有冲突的打进“50W+1”高度。如果有交易所和矿池是同一个公司主体，那这种方法就非常好执行了。不是同一个主体，矿池还是怕被交易所坑，万一交易所塞一个经过广播的交易就可能被浪费掉一个空块的区块奖励。但这种方法会让交易所的用户体验有所下降，因为打空块的概率低啊，这些交易得何年马月才能被打包，虽然矿池可以在挖非空块中打包，但用户也得等这个矿池出块才有确认，这和全网有出块是差好长的时间的。另一种方法是让交易所给矿池提交的保密交易不是用户的提现交易，而是一些零散UTXO拼凑成大UTXO的交易。这种交易是对整个UTXO体积有很大的优化的，而且这些交易都没有非常强烈的时间要求。适合被空块打包。第5章结束语

动态 | 美国SEC认可基于PoW的加密货币不属于投资合约:美国证券交易委员会已经认可一些基于“工作量证明”（PoW）的加密货币不属于投资合约的定义范畴，包括莱特币、门罗币等。同时，美国证券交易委员会也已确认比特币不是证券。此外，美国证券交易委员会在非正式场合下给以太坊开了绿灯，他们认为以太坊已经足够“去中心化”，不适用“Howey Test”。[2019/2/15]

只需要考虑经济因为的POW挖矿机制是最优的设定，道德不应该被掺进来。所有批评矿池打空块的言论，都是对POW挖矿机制没有信心的。

现场 | EOS原力创始人孤矢：Pow的特点就是“谁说了也不算”:金色财经现场报道，全球区块链开发者大会 GBDC 2018 Day2 会议正在进行，会上EOS原力创始人孤矢表示，做公有链都不难，难就难在社区治理。注重工程化能力的区块链开发团队建设、多链架构体系、探索更公平的DPOS治理，平衡的资源模型。Pow的特点就是“谁说了也不算”，在未来10-20年将继续流行。进行面向应用开发者的开发，明年或将提供一键启动公有链配置服务。发行跨链代币，没有ICO，从块奖励中抽出一定比例给开发者激励。达成社区之间共识比较难，但是哪怕半年达成一次共识，也比每升级一次就分叉一次要好。[2018/12/17]

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