第0章 引言

比特幣的挖礦收益包含兩部分，第一是區塊獎勵；第二是交易手續費。如果打空塊，就收不到交易手續費，為什麼有礦池會不要手續費來打空塊呢？

第1章POW挖礦原理

工作量證明POW挖礦就是區塊鏈生成新的區塊的過程。包括BTC、BCH、ETH、LTC……在內，POW挖礦都是按以下邏輯來。

挖礦是這樣的，系統會給出一個目標值，這是一個數，比如前面有18個零。挖礦就是找出一個小於這個目標值的隨機數，比如前面有19個零。找到了，就挖到了區塊。關鍵字：隨機數。關鍵問題：這個隨機是怎麼計算？

這個隨機數是對礦池對最新高度的區塊鏈進行雜湊得來的。

現在有一個礦池挖到了一個區塊，並且廣播出去，我們假定這個區塊高度是50W高度。接下來所有礦池就會在這個50W高度後面繼續挖礦，具體動作是礦池先組裝一個新的區塊，這個新的區塊包含了“區塊頭”和“填充交易的區塊體”。區塊頭裡有兩個需要特別說明的，第一個是父塊雜湊值，這裡是50W高度的hash值；第二個是Nonce，這是一個數，一個可以調整的數，從0開始。

組裝好這個新的區塊後，礦機就對這個新區塊（“50W+1”高度）加上前面50W高度的區塊進行雜湊。這個新的區塊就是上面的“最新高度”。

礦機執行雜湊一次，就得到一個雜湊值，這是一個二進位制數。礦池會拿這個值和目標值對比，如果小於目標值，就恭喜你，成功挖到礦，否則就將Nonce加1，再雜湊，再對比，……

顯然一臺礦機來雜湊，你要試出滿足目標值的Nounce值，那真是要慢死了。但礦池可以將不同的Nounce劃分給不同的礦機來試。比如礦池一共有1000臺礦機，將0到1000，給第1臺試；10001到2000給第2臺試……這就是挖礦的並行。

第2章POW挖空塊的原理

針對上面50W高度和最新高度區塊，我們需要進一步詳說。在礦池在對最新高度區塊鏈進行挖礦之前，是要對50W高度這個區塊進行驗證的。如果驗證成功，在“50W+1”這個新組裝的區塊高度上挖礦才是合法的，如果50W高度是一個非法的區塊，那所有的礦池是要回到“50W”高度去挖礦的。

但驗證區塊是需要時間的，因為各個礦池的軟硬體不同，我們假定一個平均時間，10秒鐘驗證1M的區塊。

而組裝一個最新高度的區塊也是需要時間的，拿到一個區塊模板開始組裝，往裡填寫父區塊雜湊值和在記憶體池裡挑選交易填充進區塊體，這都是需要時間，我們假定需要0.1秒。

在驗證“50W”高度區塊時，和填充交易進“50W+1”區塊裡，有一個提前，填充的交易是絕對不能和50W高度裡已經打包的交易相重的。不然你這個最新高度區塊就會是非法的。

而“50W”高度這個區塊從挖出到廣播到所有的礦池中也是需要時間的，廣播區塊有分兩步。第一步是廣播區塊頭；第二步是廣播區塊體。區塊體非常小，只有80位元組，比一筆交易還小，廣播特別快，所有礦池可以非常快拿到區塊頭。有了區塊頭就可以拿到組裝新高度區塊的“父雜湊值”。區塊體是包含所有交易的那部分，一般非常大，比如2500筆交易就接近1M了。BTC最大可以接近1M，加外3M的隔離見證區塊。而BCH曾經打包出21M的區塊體。所有礦池收到區塊體就要時間更長了，這叫網路延遲。我們假定網路延遲平時是0.5秒。

礦池挖礦最簡單的做法是：一個礦池只要在拿到區塊體，才能確認區塊體裡有哪些交易。而只有驗證完整個區塊，才能知道這個“50W”高度的區塊是否合法。然後再開始組裝最新高度區塊，然後再挖礦計算小於目標值的雜湊值。那在拿到區塊體，和驗證完整個區塊，再加上組裝最新高度區塊，的時間長度是多少？0.5+10+0.1=10.6秒。

如果一個礦池按上述過程來挖礦，那就在這10.6秒鐘的時間內是無法挖礦的，礦機是無效工作時間。而且礦機還是在開機耗電的。

如果一個礦池按下面的過程來工作：拿到區塊頭，就開始組裝一個新的“50W+1”高度的區塊，但因為無法確認這個50W高度區塊裡的交易和是整個區塊是否合法，所以這個“50W+1”高度的區塊，礦池並不對區塊體填充額外的交易，只填充一個Coinbase獎勵交易。這個“50W+1”高度的區塊，只有區塊頭，外加一個Coinbase獎勵交易——這就是一個空塊——然後就直接開始挖礦。這樣操作，在全網出現一個新塊時，礦也只需要等待拿到區塊頭和組裝空塊的時間，就可以開始挖礦。這個時間就非常短了，平時不到0.5秒。這樣就比10.6秒，節省了10秒多的時間。

而按上述過程挖礦，礦池在收到完整50W高度區塊體和驗證完50W高度區塊，這個過程是10.6秒。在上述0.5秒到10.6秒的時間裡，礦機如果計算出了一個隨機數小於目標值，那礦池就成功挖到了一個空塊。如果礦機沒有計算出小於目標值的隨機數，那礦池就會放棄這10.1秒的挖礦時間，然後改成組裝一個填充了交易的“50W+1”高度的最新高度區塊進行挖礦。

上述就是挖空塊的全部邏輯。

第3章 優化挖礦原理

上述挖空礦的原理中，確認“50W”高度區塊裡的交易是一個重要的工作，如果能夠提前知道這些交易，那組裝“50W+1”高度的區塊，不就可以避開這些交易，去組裝另外一些交易了嗎，這樣就可以不用打空塊了。

現在BTC和BCH網路有兩個技術可以優化這個區塊體的傳播，也就可以讓所有礦池更快知道“50W”高度裡有哪些交易。第一個技術叫布隆過濾器；第二個叫緻密區塊(Compact block)和瘦區塊（Xthin block）。（compact block是Core dev開發的，Xthin是unlimited dev開發的，兩者功能一樣。）

布隆過濾器是用來標記“50W”高度的區塊有哪些交易的，只是標識。礦池拿到這個標記就知道了裡面有哪些交易，然後礦池會去自己的記憶體池查詢這些交易，並列出自己沒有的交易，然後向其他節點索要自己沒有的交易。要到這些沒有的交易後，就在本地重新組裝一個“50W”高度的區塊，而不是從網路上下載一個“50W”高度區塊。這個過程就是Compact block和Xthin block的原理。

通過這兩個技術就可以壓縮網路延遲時間，但依然壓縮不了驗證“50W”高度區塊的時間，而前者只有0.5秒，後者有10秒。

這樣的時間差距，礦池還是要去挖空塊，不然整個礦機就在白白浪費電，要知道這個浪費10秒對全網來說是無比巨大的能源。

那怎麼辦？

第4章 徹底解決挖空塊的辦法

上述分析了挖空塊的原理和優化挖礦的原理，挖空塊的核心原因是礦池不敢往“50W+1”這個空塊中填充和“50W”高度裡已經有的交易。

如果有一種辦法可以保證礦池組裝的“50W+1”高度的空塊裡絕對沒有“50W”高度裡出現過的交易，不就可以解決問題了嗎？

一種辦法是，礦池自己生成一些交易，不廣播，只儲存在自己的記憶體池裡，用來填充“50W+1”高度的空塊區塊，就可以了。

但礦池不能生成一些無意義的交易，不然就是一些垃圾交易，這是對網路的浪費。打包使用者發的交易肯定是有意義的，但使用者發的交易往往都是經過廣播的，打包就和“50W”高度區塊裡的交易相沖突的風險。

一定要找那些沒有經過廣播的交易。

一種方法是礦池和交易所合作，使用者在交易所發起的提現交易，交易所不去廣播，而是通過IP到IP的方式，以加密的方法直接發給礦池，這些交易絕對不會被“50W”高度區塊打包的。這些交易就可以100%沒有衝突的打進“50W+1”高度。

如果有交易所和礦池是同一個公司主體，那這種方法就非常好執行了。不是同一個主體，礦池還是怕被交易所坑，萬一交易所塞一個經過廣播的交易就可能被浪費掉一個空塊的區塊獎勵。

但這種方法會讓交易所的使用者體驗有所下降，因為打空塊的概率低啊，這些交易得何年馬月才能被打包，雖然礦池可以在挖非空塊中打包，但使用者也得等這個礦池出塊才有確認，這和全網有出塊是差好長的時間的。

另一種方法是讓交易所給礦池提交的保密交易不是使用者的提現交易，而是一些零散UTXO拼湊成大UTXO的交易。這種交易是對整個UTXO體積有很大的優化的，而且這些交易都沒有非常強烈的時間要求。適合被空塊打包。

第5章 結束語

只需要考慮經濟因為的POW挖礦機制是最優的設定，道德不應該被摻進來。所有批評礦池打空塊的言論，都是對POW挖礦機制沒有信心的。

作者：黃世亮

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