附注 34 - 挖矿奖励

矿工的收入来自挖矿奖励。 只有这样，才能鼓励矿工积极参与挖矿，维护网络安全。 那么，以太坊是如何奖励矿工的呢？

本文通过提出两个问题帮助您理解该机制：

奖励是如何计算的； 何时何地颁发奖励； 1. 奖励如何计算

奖励分为三部分：

新区块奖励 叔块奖励 矿工费

{总奖励} = 新区块奖励 + 叔块奖励 + 矿工费

1.1 新区块奖励

是矿工消耗电力和完成工作量证明的奖励。 本次奖励调整了两次：

起初，每个区块奖励 5 ETH； 2017年10月16日（区块高度4370000）实施拜占庭硬分叉，奖励减为3 ETH； 2019 年 2 月 28 日（区块高度 Block height 7280000）执行君士坦丁堡硬分叉，再次将奖励减少到 2 ETH。

以太坊在2015年7月正式发布以太坊主网后，其团队规划了发展阶段，分为“边疆”、“家园”、“大都市”和“宁静”四个阶段。 拜占庭和君士坦丁堡是大都市的两个阶段。

新区块奖励是矿工的主要收入来源，新区块奖励低至 2 Ether。 对矿机厂商和矿工，乃至以太坊的挖矿生态都会产生比较大的影响和调整。 由于挖矿收益减少，机会成本增加，以太坊挖矿的成本效益将低于其他币种，这可能会降低矿工的积极性。 这也是一种助燃剂，迫使以太坊升级到以太坊2.0，迫使以太坊更新。

1.2 叔块奖励

以太坊的平均区块间隔为 12 秒。 区块链软分叉是一种普遍现象。 如果和比特币一样处理，只有最长链上的区块才会有区块奖励。 对于最终没有进入最长链的矿工来说是非常不公平的，这种“不公平”将是一种普遍的情况。 这会影响矿工挖矿的积极性，甚至可能削弱以太坊网络的系统安全性，也是一种算力的浪费。 因此，以太坊系统为不在最长链上的叔块设置了“叔块奖励”。

叔块奖励也分为两部分：

奖励叔块的创造者； 奖励收集叔块的矿工；

叔块创建者的奖励根据“远近”关系不同。 离当前区块越远，奖励越少。

{叔块挖矿奖励} = {8-(当前区块高度-叔块高度)} {8} * {当前区块挖矿奖励}

叔块

奖

按挖矿奖励2 ETH计算

第一代

7/8

1.75 以太币

第二代

6/8

1.5 以太币

第三代

5/8

1.25 以太币

第四代

4/8

1 以太币

第五代

3/8

0.75 以太币

第六代

2/8

0.5 以太币

第七代

1/8

0.25 以太币

注意：叔块中产生的交易手续费不会返还给创建者。 毕竟叔块里面的交易是不能统计的。

包含叔块的矿工每包含一个叔块，将获得多 1/32 的块挖矿奖励。

收集叔块的奖励 = 数量 \times \frac{新区块奖励}{32}

1.3 矿工费

矿工处理交易，校验和包含在块中。 这时，交易签名者需要向矿工支付矿工费。 每笔交易收取的矿工费取决于交易消耗的gas量，等于用户设置的GasPrice乘以交易消耗的gas。

费用 = \text{tx.gasPrice} \times \text{tx.gasUsed}

2. 何时何地奖励

奖励是当一个区块被挖出并打包时，奖励的分配已经在其中完成，相当于实时结算。

矿工费的分配，在处理一笔交易时比特币挖矿怎样算收益，根据交易消耗的Gas直接存入矿工账户； 区块奖励和叔块奖励在所有交易处理完毕后实时计算。

3.代码展示

3.1 实时结算交易矿工费

//core/state_transition.go
func (st *StateTransition) TransitionDb() (*ExecutionResult, error) {
	 //...
	var (
		ret   []byte
		vmerr error // vm errors do not effect consensus and are therefore not assigned to err
	)
	if contractCreation {
		ret, _, st.gas, vmerr = st.evm.Create(sender, st.data, st.gas, st.value)
	} else {
		// Increment the nonce for the next transaction
		st.state.SetNonce(msg.From(), st.state.GetNonce(sender.Address())+1)
		ret, st.gas, vmerr = st.evm.Call(sender, st.to(), st.data, st.gas, st.value)
	}
	st.refundGas()
	st.state.AddBalance(st.evm.Coinbase, new(big.Int).Mul(new(big.Int).SetUint64(st.gasUsed()), st.gasPrice))
	return &ExecutionResult{
		UsedGas:    st.gasUsed(),
		Err:        vmerr,
		ReturnData: ret,
	}, nil
}

3.2 挖矿奖励和叔块奖励实时结算

//consensus/ethash/consensus.go:572

func (ethash *Ethash) Finalize(chain consensus.ChainReader, header *types.Header, state *state.StateDB, txs []*types.Transaction, uncles []*types.Header) {
	// Accumulate any block and uncle rewards and commit the final state root
	accumulateRewards(chain.Config(), state, header, uncles)
	header.Root = state.IntermediateRoot(chain.Config().IsEIP158(header.Number))
}
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
	}
	if config.IsConstantinople(header.Number) {
		blockReward = ConstantinopleBlockReward
	}
	// 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)
}

4.叔块

4.1 什么是叔块

指**未能成为区块链最长链的一部分的区块（废弃区块），但当它们被包含在后续区块中时，这些区块被称为“叔块”。

是针对区块的，是指区块中包含的老祖宗孤块，未能成为区块链最长链的一部分而被包含。

它是当前块的叔块，一个块最多可以记录7个叔块。 叔块也是一个拥有合法数据的块，但是它所在的区块链分支还没有成功成为主链的一部分。

如上图所示，新区块E可以包含两个绿色孤块B和C，但是灰色区块不能包含，因为它们的父区块不在新区块所在的区块链上。 黄色块和红色新块是兄弟块，不能被新块包含为叔块。

4.2 为什么要设计叔块

在比特币中，由于临时分叉（软分叉）而未能成为最长合法链上的区块的区块称为孤儿块，孤儿块没有区块奖励。 研究发现，一个新区块传播到整个比特币网络 95% 的节点需要 12.6 秒。 在比特币系统中，平均每 10 分钟产生一个区块，并且有足够的时间将新区块广播给全网其他节点。 这种临时分叉的概率是相当小的。 根据历史数据，平均3000多个区块会出现一次临时分叉，相当于20多天出现一次这样的临时分叉，属于比较“罕见”的情况。

但是以太坊的出块时间已经缩短到每块 12 到 14 秒。 更短的时间意味着临时分叉的概率大大增加。 这是因为当矿工A挖出一个新区块时，需要向全网广播，广播过程需要时间。 由于以太坊的出块时间较短，其他节点可能在收到矿工A释放的区块之前已经挖出相同高度的区块，造成临时分叉。 在以太坊网络中，临时分叉发生的概率约为 6.6%。

以上数据来自（2020-06-03），目前以太坊叔块率为6.6%。 这意味着在以太坊网络中，每 100 个区块大约产生 7 个叔块。 如果按照平均出块时间13.5秒计算，一个小时内大约有17.6个临时分叉。

以太坊系统中的临时分叉是一种普遍现象。 如果和比特币一样处理，只有最长链上的区块才会有区块奖励。 对于矿工来说，这是非常不公平的，这种“不公平”将是一种普遍的情况。 这会影响矿工挖矿的积极性，甚至可能削弱以太坊网络的系统安全性，也是一种算力的浪费。 因此，以太坊系统为不在最长链上的叔块设置叔块奖励。

4.3 如何在区块中包含叔块

当节点不断收到区块比特币挖矿怎样算收益，尤其是多个相同高度的区块时，以太坊会陷入短期的软分叉，或者在多个软分叉分支之间来回切换。 一旦发生软分叉，就意味着一个区块未能成为最长链的一部分。

比如上图中，挖矿依次收到A、B、C，会在本地验证并存储这些区块，但最终会按照最长链规则切换到分支B。 所以此时A和C暂时成为孤块。 矿工将基于B挖出下一个新的区块D。

此时，D 可以将临时存储在区块 D 本地的孤立区块 A 和 C 作为其叔块。 当然，D不仅可以收集初代祖宗，还可以收集七代以内的孤块。 但是有一些限制。 以下图中的新区块N为例：

N不能包含A：因为A不在七代祖中（区间要求）； N不能包括M：因为M不是N的祖先，而是兄弟； N不能包含E、G、K、L：因为它们的父块不在N所在块的分支上，但是B可以； N不能同时包含D、C、B：因为一个区块最多可以包含两个叔块，所以选择两个大于三个； 当D被F包含时，N不能重复包含D； N不包括F或H：因为F和H不是孤立的块；

在挖出一个新区块并准备区块头信息时，矿工会从本地节点存储中获取七代以内的所有家族区块，并根据上述规则选择最多两个叔块。 另外，选择时优先考虑本地叔块。

5. 叔块奖励分配

叔块奖励分为两部分：奖励包含叔块的矿工和奖励叔块创建者。

5.1 奖励叔块创建者

叔块创建者的奖励根据“远近”关系不同。 离当前区块越远，奖励越少。

{叔块奖励} = {8-(当前区块高度-叔块高度)}{8} * {当前区块挖矿奖励}

5.2 收集叔块的矿工

矿工为当前新区块的矿工。 除了获得原始区块挖矿奖励（2 ETH）和交易手续费外，他还可以获得包含叔块的奖励。 每包含一个区块，他就会多获得1/32的区块挖矿奖励。

以块 [10192970]() 为例：

区块矿工2Miners:SOLO共获得2**.**385338652682918613 ETH奖励，其中：

2 ETH为挖矿奖励； 0.322838652682918613 ETH为交易手续费； 0**.**0625 ETH是包含一个叔块的奖励，是2 ETH挖矿奖励的1/32。

包含的[叔块]()为第一代叔块，奖励2个ETH的7/8。

5.3 叔块如何包含在块中

6.块存储

本文提到的挖矿环节中的存储环节，当矿工通过穷举计算找到符合要求的区块Nonce时，就标志着新区块被成功挖出。

这时，矿工会直接将这个合法的区块存储在本地。 下面具体说明矿工如何将自己挖出的新区块存储在geth中。

经过上一个链接“PoW 寻找 Nonce”，我们已经有了完整的区块信息。

在“处理本地交易”和“处理远程交易”之后，你有一个完整的大宗交易收据列表：

区块中的每一笔交易处理完后，都会有一张交易收据。 本次交易的执行结果信息记录在交易回执中。 对于交易收据，我们在之前的课程中已经进行了说明，这里不再赘述。

同时，“区块奖励发放”后，区块状态不会再发生变化。 这时，我们已经获得了一个可以代表区块的状态数据。 状态`state`会在内存中记录本区块交易执行后状态发送的变化信息，包括新增、变化和删除的数据。

上述的区块（Block）、交易回执（Receipt）、状态（State）就是本次挖矿的产物，本地只需要存储这三部分数据。

挖矿中处理和存储这些数据的代码如下：

//miner/worker.go:595
var (
				receipts = make([]*types.Receipt, len(task.receipts))
				logs     []*types.Log
			)
			for i, receipt := range task.receipts {//❶
				// add block location fields
				receipt.BlockHash = hash
				receipt.BlockNumber = block.Number()
				receipt.TransactionIndex = uint(i)
				receipts[i] = new(types.Receipt)
				*receipts[i] = *receipt
				for _, log := range receipt.Logs {
					log.BlockHash = hash
				}
				logs = append(logs, receipt.Logs...)//❷
			}
			// Commit block and state to database. //❸
			_, err := w.chain.WriteBlockWithState(block, receipts, logs, task.state, true)
			if err != nil {
				log.Error("Failed writing block to chain", "err", err)
				continue
			}
			log.Info("Successfully sealed new block", "number", block.Number(), "sealhash", sealhash, "hash", hash,
				"elapsed", common.PrettyDuration(time.Since(task.createdAt)))

遍历交易回执，为每个交易回执添加当前区块信息（blockHash、BlockNumber、TransactionIndex），这样就可以在本地记录交易回执与区块的查找关系。 同时将交易回执中产生的日志信息提取到一个大集合中，整体存储为一个块日志。 开始向本地数据库提交区块（Block）、交易回执（Receipt）、状态（State）和日志（log）。

在 `writeBlockWithState` 中，所有数据都作为批量事务写入数据库：

blockBatch := bc.db.NewBatch()
	rawdb.WriteTd(blockBatch, block.Hash(), block.NumberU64(), externTd)
	rawdb.WriteBlock(blockBatch, block)
	rawdb.WriteReceipts(blockBatch, block.Hash(), block.NumberU64(), receipts)
	rawdb.WritePreimages(blockBatch, state.Preimages())
	if err := blockBatch.Write(); err != nil {
		log.Crit("Failed to write block into disk", "err", err)
	}

	// Commit all cached state changes into underlying memory database.
	root, err := state.Commit(bc.chainConfig.IsEIP158(block.Number()))
//...
	// Set new head.
	if status == CanonStatTy {
		bc.writeHeadBlock(block)
	}

在一次交易中，区块难度、区块、交易回执、Preimages（key mapping）分别写入数据库，最后提交状态。

那么，geth是如何将这些数据存储在key-value数据库levelDB本地的呢？ 在这里，我为大家整理一张key-value信息表。

钥匙

价值

阐明

"b".blockNumber.blockHash

blockBody：叔叔+交易

通过区块哈希和高度存储对应的区块叔块和交易信息

“H”.blockHash

块号

通过区块哈希记录区块的区块高度

"h".blockNumber.blockHash

块头

通过区块哈希和高度存储区块的区块头

“r”.blockNumber

收据

通过区块高度记录区块的交易回执记录

“h”.blockNumber

块散列

区块高度对应的区块哈希

"l".txHash

块号

记录交易哈希所在的区块高度

“最后一块”

块散列

更新最后一个区块哈希值

“最后一个标题”

块散列

更新最后一个区块头的位置

注意上面的值信息需要序列化成字节后才能存入leveldb。 序列化是以太坊定制的RLP编码技术。 你有没有想过为什么要加前缀？ 比如“b”、“H”等等，第一个好处是可以对不同的数据进行分类，另一个重要的原因是leveldb中数据是按key-value排序存储的，这样在遍历区块头和查询的时候同类型读取性能会更好。

正是因为我们在本地有一些块数据的映射关系，我们可以通过本地数据库提供的少量信息，结合一个或多个键值关系，快速查询到目标数据。 下面我列出了一些常见的以太坊 API。 您如何看待从数据库中查找数据？

通过交易哈希获取交易信息：eth_getTransactionByHash("0xb903239f8543d04b5dc1ba6579132b143087c68db1b2168786408fcbce568238")查询最后一个区块信息： eth_getBlockByNumber("latest")通过交易哈希获取交易回执eth_getTransactionReceipt("0x444172bef57ad978655171a8af2cfd89baa02a97fcb773067aef7794d6913374")