深入原始碼理解 Ethereum 的獎勵機制

Sep 13, 2018

大家都知道在區塊鏈上，礦工（miner）可以透過挖礦（mining）的方式來獲得獎勵，也就是得到虛擬貨幣，一般來說，在整個區塊鏈上會有許多礦工在進行挖礦，來爭奪獎勵。在本文章中，會簡單介紹關於 Bitcoin 和 Ethereum 的基礎知識，理解礦工如何透過挖礦的方式取得獎勵，然後這中間進行了哪些事情，最後會透過原始碼的方式針對 Ethereum 的獎勵機制進行說明，讓大家可以更清楚地理解 Ethereum 的獎勵機制。

在本文中也會對於 Bitcoin 以及 Ethterum 常見的相關的名詞做說明，希望大家之後看到名詞之後，不會再對名詞產生疑惑，如果你對於區塊鏈還沒有很清楚的概念，可以參考 @fukuball 大大寫的 Ethereum 開發筆記系列，讓你可以對區塊鏈可以有更多的初步認識。

如果文章內容有任何錯誤請盡快告知我，謝謝！

⚖️ Consensus

區塊鏈是一個去中心化的系統，整個區塊鏈就像是一個大帳本，每個區塊上面紀錄了許多交易資訊，若某個節點若想要建立一個區塊，要如何讓分散在全球各地的節點可以一致認同這個區塊的建立，需要透過共識機制（Consensus）。

共識機制維護了整個區塊鏈的運作順序和公平性，也保障整個區塊鏈的安全性和一致性，其中也包含一些獎勵機制，讓整個區塊鏈系統可以有效的運作，本文內容就是要討論關於共識機制下的獎勵機制。

🇧itcoin

Bitcoin 主要是透過工作量證明和最長鏈兩個部分作為共識機制：

⛏ Proof Of Work (PoW)

每個節點收集許多有效但是尚未被確認的交易，這些交易會組成一顆 Merkle Tree，得到一個 Merkle Root 的 Hash 值：

接著再結合區塊的另外 6 個 Header（總共為 7 個 Header）並且經過 2 次的 SHA256 計算取得區塊的 Hash 值：

Source: parity-bitcoin, Bitcoin Block Header

bitcoin-block-header — Source: parity-bitcoin, Bitcoin Block Header

Version：區塊版號
hashPrevBlock：先前區塊的 Hash 值
hashMerkleRoot：通過 Merkle Root 來表示交易的 Hash 值
Timestamp：時間戳記
Bits：區塊計算難度
Nonce：隨機值，也就是 PoW 所要計算的值

公式：

SHA256(SHA256(Version + hashPrevBlock + hashMerkleRoot + Timestamp + Bits + Nonce))

一個有效的區塊要求 Hash 值必須小於 Bits 難度（Difficulty）值，實際上挖礦其實就是不斷通過修改 Nonce 參數來取得新的 Hash 值，直到符合要求難度的 Hash 值。因為 Hash 函式的特性，當難度值越大，若要計算出符合的 Hash 值就必須花上更多時間，在這個過程中可以證明你付出了一定的工作量，所以稱之為工作量證明。

進行工作量證明之前，每個節點都會進行以下準備：

收集廣播中尚未被記錄的交易
檢查每筆交易中，付款的地址是否有足夠的餘額
驗證交易是否有正確的簽名
打包通過驗證的交易
為自己的地址新增一筆獎勵交易
贏得記帳權的節點，可以贏得獎勵

在 Bitcoin 中，一段時間內（平均 10 分鐘以內）只有一個節點可以取得記帳的權利，礦工會透過工作量證明競爭來取得唯一記帳的權利，當某個節點（礦工）計算出符合難度的 Hash 時，說明該節點已經挖礦成功，它會將該區塊放入到自己本機的區塊鏈上，並同時廣播該區塊給其他的節點，其他節點在收到該區塊時會對進行驗證，確認該區塊是有效的。當各個節點驗證該區塊沒問題之後，便會把這個區塊放入自己本機上的區塊鏈，挖礦成功的礦工則可以獲得獎勵。

🔗 最長鏈規則 (Longest Chain Rule)

區塊鏈上存在著許多節點，有可能會出現多個節點同時挖出了區塊，前面提到，當礦工完成挖礦的同時，會向全網路上的礦工（節點）進行廣播告訴大家說：「Hey 各位，我解出問題啦！」，假設 A 礦工和 B 礦工同時間廣播了 B1 和 B2 區塊，這時候可能會因為網路的延遲造成其他節點收到的區塊是不一樣的，可能有些節點先收到 B1，有些則先收到 B2，因為這些區塊都是有效的，當其他節點收到後，就會將該區塊納入自己的節點中，這時候就會造成所謂的「分岔（fork）」，也就是說節點之間的區塊會有不一致的狀況：

但是這種分岔情況不會一直持續下去，當下個區塊的出現，將會打破這個僵局。

以上圖繼續為範例進行說明，若是當下一個新的區塊（B3）是基於 B1 所產生的，這時候可以說明，B1 這條鏈是累積工作量最多的鏈，所以就會變成最長鏈（見下圖）：

而原本基於 B2 區塊繼續挖礦的礦工，當收到新的區塊（B3）的時候，這時候就會放棄原本基於 B2 區塊的工作，並轉為開始挖掘基於 B1、B3 的新區塊，這時候的 B2 就會變成所謂的「陳舊區塊（Stale Block）」，而整個區塊鏈就會收斂成只有一條鏈的狀態了。

💰 區塊獎勵（Block Reward）

Bitcoin 的獎勵機制非常簡單，每位礦工在挖礦的過程中，可以得到 2 種類型的獎勵：

建立區塊的獎勵
區塊的手續費

在建立區塊的獎勵中，這是憑空產生 Bitcoin，又稱為 Coinbase。

在中本聰設計的 Bitcoin 中，每挖出 21 萬個區塊時，區塊獎勵就會減半，也就是說：

1 - 210000 => 50BTC
210001 - 420000 => 25BTC
420001 - 630000 => 12.5BTC
...以此類推

目前挖到 Bitcoin 的區塊只能獲得 12.5BTC（於 2018/09/15，目前區塊編號 #541,476），有興趣的可以看看這個網站。

thereum

在本文上半段介紹了 Bitcoin 的共識機制，以及區塊的獎勵，那 Bitcoin 的共識機制和獎勵與 Ethereum 有什麼不同呢？

Ethereum 的共識機制也是基於 Bitcoin，但是與 Bitcoin 不同的是，在 Ethereum 中，產生區塊的速度非常的快，所以一定會有許多的陳舊區塊產生，而在 Bitcoin 中，那些沒有成為普通區塊的陳舊區塊，是沒有任何獎勵的；但是在 Ethereum 中，若較新的區塊將先前面的陳舊區塊打包進來，則可以獲得獎勵。

延伸閱讀：Proof Of Stake

👻 GHOST（Greedy Heaviest Observed Subtree）Protocl

GHOST Protocol，中文稱為「貪婪最重可見子樹協議」，是由 Yonatan Sompolinsky 和 Aviv Zohar 於 2013 年提出的協議。

GHOST 提出的主要動機是可以快速地確認產出的區塊，避免過多的陳舊區塊造成安全性降低，因為區塊被挖出後需要一定的時間才可以擴散至整個網路。在前面有提到分岔的問題，若 A 礦工和 B 礦工同時間挖出了區塊，如果 A 礦工的區塊傳播速度較 B 礦工來得快，B 礦工的所挖的 B 區塊就會變成陳舊區塊，B 礦工等於做了白工，而且沒有為整個網路的安全做出貢獻；另外也有算力中心化的問題：假設在 P 礦池中，A 礦工的算力若是大於 B 礦工，A 礦工實際上有可以掌握更多挖礦算力的機會。

🤵🏻 Uncle Block

在 GHOST 協議中，除了目前區塊的父區塊和祖先區塊也打包了那些陳舊區塊（Stale Block），這些陳舊區塊也會是工作證明的根據之一，在 Ethereum 中這些被打包的陳舊區塊稱為「叔區塊（Uncle Block）」。

為什麼叫叔區塊呢？

目前區塊的上一個區塊我們稱為「父區塊」，而和父區塊幾乎是同時間產生的，但卻是沒有放進主鏈，若目前區塊把先前的陳舊區塊打包進來，就稱作為「叔區塊」。

叔區塊定義如下，詳細可以參閱白皮書：

一個區塊必須指定一個父區塊，而且它必須指定 0 或多個叔區塊
B 的叔區塊必須具備以下屬性：
- 它必須是 B 的第 k 代祖先區塊的直接子區塊，條件為 2 <= k <= 7
- 它不能是 B 的祖先區塊
- 叔區塊必須有一個有效的區塊 Header，但不必是先前驗證或者是有效的區塊
- 叔區塊必須要是之前沒有被打包過的

🔗 選擇主鏈

在 Bitcoin 主要是以「最長鏈」為主鏈，而在 Ethereum 的 GHOST 協議則是以區塊子樹包含最多有效的區塊為主鏈。

Source: Secure High-Rate Transaction Processing in Bitcoin

根據上圖可以了解到：

如果是根據最長鏈規則，主鏈應該是 0 <- 1B <- 2D <- 3F <- 3F <- 4C <- 5B
如果是根據 GHOST 協議，主鏈應該是 0 <- 1B <- 2C <- 3D <- 4B，因為包含最多有效的區塊
如果採用 GHOST 協議，攻擊者（紅圈處）若偽造 0 <- 1A ... <- 6A 的鏈，並不會被認為是主鏈

但 GHOST 協議並沒有辦法有效的解決關於算力中心化的問題，於是 Ethereum 對 GHOST 協議做了一些改良，讓當初挖掘叔區塊的礦工也可以拿到應有的獎勵。

接下來就是本文的重點了，Ethereum 的獎勵機制到底是如何進行的。

💰 區塊獎勵（Block Reward）

1. 普通區塊的獎勵

普通區塊獎勵如下：

每個區塊固定獎勵為 3ETH
區塊內包含所有 Gas Fee
普通區塊打包了叔區塊，每個叔區塊可以得到額外的獎勵 3ETH 的 1/32

💡 小知識：Ethereum 在最初的區塊獎勵為 5ETH，在「拜占庭（Byzantium）」分岔後獎勵有所改變

2. 叔區塊的獎勵

上圖為一個普通區塊和叔區塊的關係示意圖，白色部分為叔區塊

叔區塊獎勵 =（叔區塊號碼 + 8 - 包含叔區塊的區塊號碼）* 普通區塊的獎勵（3ETH）/ 8

根據上述的公式，讓我們透過圖片所標示的區塊號碼做為範例計算一次：

目前的區塊號碼： 1007
第一個叔區塊：1006
公式帶入：

$$ (1006 + 8 - 1007) * 3 / 8 $$

將上述公式整理一下：

=> (1014 + 8 - 1007) * 3 / 8
=> 7 * 3 / 8
=> (7 / 8) * 3

我們將計算結果整理為 (7 / 8) * 3，也就是說第一層的叔區塊可以拿到的獎勵會是最多，如果叔區塊距離越遠，所拿到的獎勵相對的就會越少，以下表格是獎勵的整理：

間隔層數	報酬比例	獎勵 (Eth)
1	7/8	2.625
2	6/8	2.25
3	5/8	1.875
4	4/8	1.5
5	3/8	1.125
6	2/8	0.75

3. 從原始碼理解獎勵計算

接著我們將會從原始碼來理解獎勵是如何計算的：

// Some weird constants to avoid constant memory allocs for them.
var (
    big8  = big.NewInt(8)
    big32 = big.NewInt(32)
)

// AccumulateRewards credits the coinbase of the given block with the mining
// reward. The total reward consists of the static block reward and rewards for
// included uncles. The coinbase of each uncle block is also rewarded.
func accumulateRewards(config *params.ChainConfig, state *state.StateDB, header *types.Header, uncles []*types.Header) {
    // Select the correct block reward based on chain progression
    blockReward := FrontierBlockReward
    if config.IsByzantium(header.Number) {
        blockReward = ByzantiumBlockReward
    }
    // Accumulate the rewards for the miner and any included uncles
    reward := new(big.Int).Set(blockReward)
    r := new(big.Int)
    for _, uncle := range uncles {
        r.Add(uncle.Number, big8)
        r.Sub(r, header.Number)
        r.Mul(r, blockReward)
        r.Div(r, big8)
        state.AddBalance(uncle.Coinbase, r)

        r.Div(blockReward, big32)
        reward.Add(reward, r)
    }
    state.AddBalance(header.Coinbase, reward)
}

獎勵計算的的原始碼

在 accumulateRewards 函式部分，blockReward 變數一開始預設為 FrontierBlockReward，也就是 5ETH，在拜占庭分岔後，礦工的獎勵機制有所改變，由原先的 5ETH 變成 3ETH，詳細可以參考原始碼：

// Ethash proof-of-work protocol constants.
var (
    FrontierBlockReward    = big.NewInt(5e+18) // Block reward in wei for successfully mining a block
    ByzantiumBlockReward   = big.NewInt(3e+18) // Block reward in wei for successfully mining a block upward from Byzantium
    maxUncles              = 2                 // Maximum number of uncles allowed in a single block
    allowedFutureBlockTime = 15 * time.Second  // Max time from current time allowed for blocks, before they're considered future blocks
)

這裡有一個很重要的資訊，每個區塊最多只能打包 2 個叔區塊！

接著來看如何計算區塊的獎勵：

reward 是建立一個 big.Int 的整數，並且設定數值為每個區塊的獎勵，這是當礦工挖到一個區塊時所可以得到的獎勵
r 為一個初始值，用來計算挖掘叔區塊的礦工可以得到多少獎勵
for 迴圈計算該區塊打包了多少個叔區塊，並且可以得到多少的獎勵

從以下程式碼可以對照先前計算叔區塊的公式：

叔區塊獎勵 =（叔區塊號碼 + 8 - 包含叔區塊的區塊號碼）* 普通區塊的獎勵（3ETH）/ 8

// (叔區塊號碼 + 8 - 包含叔區塊的區塊號碼)
r.Add(uncle.Number, big8)
r.Sub(r, header.Number)

// * 普通區塊的獎勵（3ETH）
r.Mul(r, blockReward)

// ÷ 8
r.Div(r, big8)

最後會將獎勵分給挖掘叔區塊的礦工：

state.AddBalance(uncle.Coinbase, r)

for 最後的兩段程式碼，其實就是普通區塊把叔區塊打包進來的額外獎勵：

// blockReward * (1 / 32)
r.Div(blockReward, big32)

// reward = reward + (blockReward * (1 / 32))
reward.Add(reward, r)

最後將 reward 加入到目前的區塊：

state.AddBalance(header.Coinbase, reward)

透過原始碼來看獎勵機制有種安心的感覺（？），網路上雖然很多文章寫了關於獎勵機制，但覺得可以深入看原始碼也是很不錯的理解方式。

Troubleshooting

區塊名詞的混淆

🗿 Stale Block

Stale Block，稱為「陳舊區塊」，它是一個成功被挖掘的區塊，但是並沒成為主鏈的區塊。陳舊區塊通常出現在分岔（fork）的情況下，這些區塊都具有「父節點」，只是在同個高度下，某個區塊累積較多的工作證明，成為主鏈，這些沒進到主鏈的就變成陳舊區塊了。

🏝 Orphan Block

Orphan Block，稱為「孤塊」，這是一個常常和 Stale Block 搞混的名詞（對，就是在說我！），孤塊和陳舊區塊最大的差別在於：在節點中，「孤塊指的是還找不到父區塊的區塊」，因為找不到父區塊，所以無法被驗證，會出現這樣的狀況可能是因為像是網路延遲（network latency）等之類的因素。

最後讓我們用一張圖來看 Stale Block 和 Orphan Block 的區別：