PoW矿池挖空块原理和解决方案

 01 
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的。

挖矿就是系统给定一个目标值，矿工需要找一个随机数x，使得这个f(x)<目标值成立。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？

随机数Nonce是做哈希碰撞，使得上面这个式子在最新的区块高度上成立。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（“50W+1”高度）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，恭喜你，成功挖到矿，否则就将Nonce加1，再哈希，再对比……

显然用一台矿机来哈希，你要试出满足目标值的Nonce值，那真是要慢死了。但矿池可以将不同的Nonce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。

 02 
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。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以及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，以及填充交易进“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至所有的矿池中也是需要时间的，广播区块分两步：第一步是广播区块头；第二步是广播区块体。区块头非常小，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需要的时间更长了，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：一个矿池只有在拿到区块体时，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，矿池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，平均时间不到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。

 03 
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(Compact block)和瘦区块（Xthin block）。（Compact block是Core dev开发的，Xthin block是Unlimited dev开发的，两者功能一样。）

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Compact block和Xthin block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，要知道这个浪费的10秒对全网来说是无比巨大的能源。

那怎么办？

 04 
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“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，打包就有和“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，可以100%没有冲突的打包进“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，这些交易得到猴年马月才能被打包，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。

 05 
结束语

只需要考虑经济因素的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，其实是对PoW挖矿机制没有信心。

——End——

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