POW:POW矿池挖空块原理和解决方案

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。

灰度宣布旗下基金将被分配约310万ETH PoW代币:9月16日消息，灰度（Grayscale）宣布，其ETHE信托和GDLC基金获得分叉的ETH PoW代币的权利。在可行的范围内，灰度将寻求出售这些代币并将净现金收益分配给记录日期的股东。

ETHE信托目前持有约3,059,976.06309448个ETH PoW代币的权利，QDLC基金目前持有约40653.24325763 ETH PoW代币的权利。[2022/9/16 7:02:14]

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。

算力互联CMO Andy：Filecoin生态或将比PoW挖矿生态更丰富:Fielcoin生态成型之际，比特币矿业生态内的从业者也纷纷入局，金色财经专访了算力互联CMO Andy，解答了Filecoin与比特币挖矿的相关问题。Andy指出，PoW挖矿目前有的生态，Filecoin挖矿生态也基本都会有，甚至会比PoW挖矿更丰富。因为Filecoin可能会吸引有真实存储需求的巨头企业参与进来。我个人预计有可能会出现存储需求与供应的中间商。

Andy还提及挖矿的专业化和标准化门槛，Filecoin挖矿目前阶段来看，硬件门槛并不高，厂商也基本是对现有硬件进行优化组装；其次，后续拉开差距的部分来自对软件的优化能力，在这个领域深耕多年的头部厂商还是会有优势；在运维阶段，目前的IDC机房大部分厂商还是以租用为主，所以差距也并不大；最后，对Filecoin生态的理解也至关重要，由此形成的做事格局也是关键因素，目前Filecoin项目还处于很早期阶段，发展空间非常大。[2020/7/13]

第2章POW挖空块的原理

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。

Kraken业务开发总监：PoW将电能转化为数字黄金:Kraken业务负责人Dan Held在推特表示，“ PoW是关于物理的，而不是代码。比特币是一种超级商品，是从能源中提取的，而能源是宇宙的基本商品。PoW将电能转化为数字黄金。”[2020/7/7]

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。

声音 | 以太坊基金会成员：以太坊ProgPoW算法的审计工作已经完成:以太坊基金会成员Hudson Jameson宣布，关于以太坊ProgPoW算法的审计工作已经完成，审计方Ethereum Cat Herders已发布了相关的硬件和软件审计结果。审计团队给出的结论是：“在检查ProgPow算法的过程中，我们发现其代码与其抗ASIC的设计是符合的，并且它通过比Ethash更优化地利用gpu来实现它的目标，与ethash相比，progpow算法提供了更好的整体性能。然而，我们也会警告，未来硬件的进步可能会危及该算法，使得它的目的变得过时。”最终以太坊社区社区将投票决定其命运，更换ProgPoW算法需要通过硬分叉完成，而其结果显然会对现有的以太坊ASIC矿机商产生不利影响。[2019/9/10]

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。

动态 | monero计划在10月份改用一种新的PoW算法:据cointelegraph消息，以隐私为中心的加密货币monero (XMR)计划在10月份改用一种新的PoW算法，新算法与永久存储网络Arweave达成协议，后者将为新算法的审计提供资金。Arkweave表示，monero将率先使用RandomX算法，从而取代CryptoNight。[2019/5/24]

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

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

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

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。

来源：闪电HSL

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