摘要：

在本报告中，我们研究了比特币区块链上的合并挖掘。在过去一年左右的时间里，平均每个开采的比特币区块都包含大约两个来自 Coinbase 交易中其他区块链的承诺哈希值，这表明大多数矿工正在进行多种形式的合并挖掘。目前，超过 90% 的比特币算力似乎都在参与一种或另一种类型的合并挖矿。过去几年，合并挖矿有了相当大的增长，但由于潜在的安全风险较小和挖矿集中化压力增加，一些人对此的关注可能有限。如果采用这些新方案，大部分风险可以通过BMM盲目合并挖矿来缓解。

什么是合并挖矿？

MM(merge-mining)合并挖矿，有时称为辅助工作证明，是同时挖掘两个或多个链的过程。本质上，相同的工作量证明可以用作多个系统的保证。这涉及到父链和子链，子链本质上继承了父链的一些安全特性。我们在 2017 年的文章“2014 年莱特币与狗狗币的算力大战以及对比特币与比特币现金的影响”[1] 中首次讨论了这个概念。

本报告将重点关注比特币是母链且来自另一条链的承诺哈希位于比特币区块链内部某处的情况。在这些情况下，比特币不需要改变，它不需要知道其他系统。 然而，另一个链需要被构造为接受和接收比特币区块头作为工作的证据。然后，矿工可以因生产有效区块而获得两种类型的奖励：正常的比特币奖励和在替代链上挖矿的奖励。

常规挖矿与盲目合并挖矿

解释和识别合并挖掘的两种理论类型也很重要：常规合并挖掘和盲目合并挖掘。常规合并挖矿由比特币矿工进行，而盲目合并挖矿通常可以由任何人进行，然后向比特币矿工支付费用。

常规挖矿与盲目合并挖矿的特点

从安全角度来看，盲合并挖掘通常被认为优于常规合并挖掘，因为盲合并挖掘可以防止子链影响父链的风险。例如，在某些系统中，子链中的错误或问题可能会导致块生产停止或母链中的区块链重组。常规合并挖掘的另一个潜在问题是子链中的验证成本可能非常昂贵（例如，由于区块大小较大），这可能导致母链中的挖掘集中化。遗憾的是，据我们所知，目前合并挖矿主要是按常规方式进行，盲目合并挖矿的情况相对较少。

BMM 盲合并挖掘系统 的例子包括两个相互竞争的提案：

• Paul Sztorc[2] 的早期提案（他发现了合并挖掘的许多理论问题）BIP301[3]
• 以及Ruben Somsen[4] 的最新升级提案[5]，该提案避免了“特定”软分叉。
• Veriblock[6]也可以被视为一种盲目合并挖矿方案，尽管它对比特币区块空间的使用使得该机制有些争议。

在本报告中，我们对常规合并挖掘感兴趣。替代链承诺哈希位于区块头或 coinbase 交易内部而不只是在任何交易中的情况。我们选择这样做的原因是，在 coinbase 交易中寻找替代链的哈希证据比在所有交易中寻找要容易得多。除此之外，从安全角度来看，常规合并挖掘可能更重要，正如我们上面所解释的。因此，定期合并挖矿的盛行可能会很有趣。

承诺哈希位于哪里？

至于矿工在哪里包含来自替代链的这些哈希值，他们必须位于特定位置，以避免对哪个承诺是真实的产生任何疑问。这种承诺的选择有限，区块头空间几乎全部用完，因此使用 coinbase 交易。我们在 coinbase 交易中为替代链承诺确定了两个空间：

作为 OP_Return coinbase 输出

1. 在 coinbase 脚本中
2. 在本报告中，我们试图评估随着时间的推移，合并挖矿在 coinbase 交易的这两个部分中的流行程度。

Coinbase 输出

我们扫描了整个区块链历史，从2009年到2020年10月，统计了coinbase交易中零值输出的频率，几乎都是OP_Return输出。如下图 1 所示，近年来这些产出的普及速度急剧加快。2020 年年初至今，每笔比特币 coinbase 交易中平均有 2.3 个 OP_Return 输出，而在 2017 年之前，该数字实际上为零。

正如我们在2018 年 3 月解释的那样[7]，SegWit 升级的工作原理是在 coinbase 交易中添加见证默克尔树的默克尔根。此承诺与替代合并挖掘链的许多承诺非常相似，因为它们都使用 OP_Return 输出。因此，SegWit 被包含在下面的图表中，并且采用率几乎达到 100%。SegWit 不能真正被视为替代链，但是从 2018 年开始，即使排除 SegWit，OP_Return 输出在 coinbase 交易中也变得越来越普遍。这可能表明定期合并挖矿正变得越来越流行。

图 1 – 比特币 coinbase 交易中的零值输出数量（超过 1,000 个区块周期的平均值）

如图所示，除了 SegWit 之外，我们已将RSK区块链[8]确定为这种增长的主要原因，并以红色突出显示。由于输出中存在 RSK 相关标签，我们能够识别这些内容。在 2019 年的某个时候，其他 OP_Return 输出开始出现，但我们尚未能够识别和标记这些项目。在下面的图 2 中，我们更详细地了解了 RSK 的采用。该图表显示了 RSK 链在比特币矿工中的采用率目前处于 40% 到 50% 的水平。

图 2 – Coinbase 交易中具有 RSK 承诺的比特币区块比例（超过 1,000 个区块周期的平均值）

如下图 3 所示，这些 OP_Return 输出的频率在各个矿池中并不统一，有些矿池采用合并挖矿，而其他矿池则没有。例如，HuoBi 和 Binance 对 RSK 的采用率非常低，但它们的 coinbase 输出包含额外的 OP_Returns，可能来自其他项目。另一方面，SlushPool 对 RSK 的采用率非常高，达到 88%，但其他 OP_Return 输出并不多。最近，币安矿池似乎已采用 RSK，因此 RSK 合并挖矿将进一步增加。

图 3 – 按矿池划分的比特币 coinbase 交易中零值输出的平均数量（自区块 500,000 以来的数据）（来源：BitMEX Research）（注：矿池按发现的区块数量排序。矿池使用来自ForkMonitor的数据[9]确定）

coinbase 脚本中的合并挖矿

承诺哈希的另一个位置是 coinbase scriptig[10]，此处概述了此类合并挖掘的规范。该方案描述了一种将多个替代链承诺的默克尔根嵌入到 coinbase 脚本中的方法。因此，该系统通过避免在多个合并的开采链的情况下需要多个承诺哈希来节省块空间。Namecoin 是第一个合并开采的硬币，也是比特币之后的第一个替代硬币，就使用了这种方案。

如上所述，我们扫描了 2009 年至 2020 年 10 月的整个比特币区块链，寻找此类合并挖矿的证据。如下图 4 所示，根据我们的分析，使用该方案的合并挖矿似乎已于 2011 年底开始。随后，采用率迅速上升至约 75% 的算力，然后在 2016 年期间降至接近于零。从那时起，这种合并挖矿方案的采用率再次上升，目前约为 85%。

图 4 – coinbase scriptig 中具有辅助工作证明的比特币区块比例（超过 1,000 个区块周期的平均值）（来源：BitMEX 研究）

至于这种合并挖矿方案的受欢迎程度在比特币历史上发生的重大变化，我们无法提供简洁的解释。它可能与 Namecoin 中的各种软件错误有关[11]，这些错误可能导致各个时期矿工的采用率下降，或者随着时间的推移各个矿池的受欢迎程度发生变化。下面的图 5 显示了该时期 Namecoin 的价格，这似乎在某种程度上与这种合并挖矿方案的使用相关，这也可以部分解释比特币矿工采用情况的变化。因此，2017 年的复苏可能是由 ICO 价格泡沫推动的，再加上 Namecoin Core 的发布，Namecoin Core 基于当前的 Bitcoin Core（而不是非常旧的比特币版本），这可能使合并挖矿变得更加容易。

图5-Namecoin 价格（美元）源文件[12] 来源：Coinmarketcap.com[13]）

如下图6所示，近几年大部分矿池都采用了这种合并挖矿方案。主要矿池中唯一显着的异常值是 Antpool，其采用率低于同行，为 71%；而 BitFury 似乎从未采用该计划。

图 6 – coinbase 脚本中合并挖矿承诺的百分比（自区块 500,000 以来的数据）

注： 矿池按发现的区块数量排序。矿池使用来自 ForkMonitor[14]的数据确定

结论

我们惊讶地发现，近年来，MM 合并挖矿在比特币矿工中变得如此流行。特别是矿工不仅使用一种方案，而且采用多个系统并可能使用多个软件，这在理论上可能会出错并导致问题。每个 coinbase 交易都包含对许多替代区块链系统的承诺哈希，有时多达四个或五个。鉴于比特币矿工的高度采用，这可能会给一些人带来额外的安全担忧。例如，矿工为了保持经济竞争力可能需要运行复杂或资源密集型的合并挖矿计划，这可能会增加挖矿集中化压力。除此之外，这些替代区块链中的错误或链重组可能会导致主链出现问题，

上述 BMM 盲目合并挖矿方案似乎可以减轻大部分安全风险，因此采用这些较新的系统可能是可取的。然而，尚不清楚是否有任何重大动机升级到这些盲系统。至少目前，我们还没有看到任何证据表明这些替代合并挖矿链构成了区块奖励的很大一部分，因此与合并挖矿相关的安全风险在实践中可能会受到一定程度的限制。与此同时，我们还没有看到任何证据表明合并挖矿正在给比特币带来问题。然而，我们认为值得仔细监测局势。