CN110096359B - 一种快速收敛的区块链工作量证明共识难度调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种快速收敛的区块链工作量证明共识难度调整方法。该方法主要分为两部分来对工作量证明共识难度值进行更新，两部分的计算都依赖于父区块的难度值，第一部分需要另外结合当前区块的发行时长来计算，其中对当前区块发行时长采用了对数函数来进行处理，并通过一定的系数处理得到结果。第二部分的还依赖过去十个区块发行的平均时长和区块竞争系数，其中区块发行的平均时长需要结合标准时长区间进行预处理，区块竞争系数指示区块发行是否存在竞争。两个部分的结果结合相加便得到新的工作量证明共识难度值。本发明改善了传统区块链工作量证明共识难度调整算法存在的调整粗放、收敛过慢、不稳定等问题，确保了区块可以稳定发行。

Description

一种快速收敛的区块链工作量证明共识难度调整方法

技术领域

本发明涉及一种区块链工作量证明共识难度，特别是涉及一种快速收敛的区块链工作量证明共识难度调整方法。

背景技术

自从比特币出现以来，区块链技术逐渐发展起来。区块链的本质是一个公共的数字记账账本，通过一定的存储结构来确保已确认的信息极难被修改或删除，通过共识机制来确保整个系统的最终一致性，通过密码学理论来验证信息有效性和完整性，通过P2P网络进行节点间的信息交互。正是有了这些特性，在一个一定规模的区块链系统中，新节点可随时加入系统并同步数据，已有节点也可随时退出系统，这些都不影响整个系统的运行。这说明在区块链系统中，单个节点或者说个体对于系统整体的影响较小。

对于区块链来说，稳定性是一个很重要的指标，新节点的加入和旧节点的退出都会对区块链系统的总算力造成一定的影响，稳定性主要指整个系统在一定程度的算力波动情况下可以快速调整以使得区块发行时长仍然在标准时长区间内。

区块链是一个由若干个区块组成的链式结构，在一个使用工作量证明作为共识机制的区块链系统中，区块的发行需要通过区块链中的矿工进行工作量证明，随着区块的发行，区块链的长度不断增长，对区块链中的区块从0开始递增编号，这个编号被称为区块的高度，当前区块指即将发行的区块，父区块则是高度比当前区块小1的区块。

矿工是区块链中的一种特殊节点，它们进行工作量证明来保证区块链状态的一致性。工作量证明实际上是矿工不断用一个随机数结合区块数据进行哈希运算得到结果并对结果进行验证。每个区块中都存储了共识难度值，这个难度值用于检查工作量证明的结果是否符合要求。其验证公式为：

其中，r为工作量证明的结果，max256是一个常量，其值为2²⁵⁶，D表示共识难度值，如果满足不等式

则该工作量证明的结果有效。难度值D对共识结果r的合法性验证有很大的影响，难度值D越大，

的值就越小，r的值需要更小才能满足条件——即r的解空间更小了，工作量证明的结果符合要求的概率更小，区块发行更不容易，反应在区块发行时间上就是区块发行时间会变长；反之，难度值D越小，

的值就越小，r的解空间就越大，工作量证明的结果符合要求的概率更大，区块发行时间越短。另外，区块链系统中的矿工可以随时加入或者退出系统，系统矿工的数量是处于变化之中的。系统中矿工的数量和矿工的运算能力都会影响区块的发行时长，矿工越多且运算能力越强，系统总算力越大，这时每秒运算次数越大，得到符合要求的工作量证明结果的时间也越短。

在工作量证明共识机制下，稳定发行区块较难，因为无法直接控制区块发行时间间隔，而只能通过控制调整工作量证明共识难度来间接控制区块发行——在工作量证明共识机制中使用的算法得到的结果符合均匀分布。

当前主流的采用工作量证明共识机制的区块链系统主要有比特币和以太坊。比特币主要根据过去2016个区块的发行时长平均值和父区块难度值来计算新的难度值。以太坊则根据当前区块的发行时长和父区块难度值来计算新的难度值，还存在一个难度炸弹，难度值以10万个区块为单位指数增长。比特币的难度调整是比较粗放的模式，调整的幅度会比较平缓；以太坊的难度调整与较早的区块无关，且存在难度炸弹，存在难度陡增的情况。

发明内容

本发明针对当前主流的采用工作量证明共识机制的区块链系统存在的调整粗放、调节速度慢和稳定性较差的情况，提供了一种快速收敛的区块链工作量证明共识难度调整方法。

本发明区块链工作量证明共识难度调整通过调节工作量证明的难度值，来控制区块发行时长收敛于标准时长区间内；

更新计算的区块链工作量证明共识难度值依赖的时间表现为当前区块的发行时长和过去10个区块的平均发行时长，当前区块发行时长设置较大的调节系数，过去10个区块的平均发行时长设置较小的调节系数；

更新计算的区块链工作量证明共识难度值依赖的难度值基础为父区块的难度值，具体计算结果是父区块难度值与某个系数相乘的结果；

计算区块链工作量证明共识难度值过程中使用了对数函数和乘以负系数的方式来使得发行时长与难度值的单调性一致；

区块链工作量证明共识难度调整也考虑了区块竞争的情况，若存在竞争，难度值会相应调大。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种快速收敛的区块链工作量证明共识难度调整方法，包括如下步骤：

S1：设定当前区块发行时间戳为Hn，父区块发行时间戳为Hn_-1，过去10个区块平均发行时长为a₁₀，父区块的难度值为D(n-1)；n为当前区块的高度；n-1为父区块的高度；获得区块竞争系数y：

S2：当前区块发行时长为H_n-H_n-1，对当前区块发行时长进行标准化处理得到值f₁，设定区块发行的标准时长区间为[10,20)；对当前区块发行时长进行标准化处理的公式为：

t为当前区块发行时长根据标准时长区间处理得到的中间变量；

S3：计算第一部分难度调节值D(n)₁：

第一部分难度调节值D(n)₁的计算是对所述的f₁值进行对数处理得到ln(f₁)，对ln(f₁)设定最大值为10，得到min(ln(f₁),10)，乘以父区块难度值的

并乘以-1；

S4：将过去10个区块发行的平均时长a₁₀进行标准化处理得到f₂；

S5：根据计算得到的f₂和y，范围控制系数m，以及父区块的难度值D(n-1)，计算得到第二部分难度调节值D(n)₂；

S6：根据第一部分难度调节值D(n)₁、第二部分难度调节值D(n)₂以及父区块的难度值D(n-1)，计算得到当前区块的难度值D(n)：D(n)＝D(n-1)+D(n)₁+D(n)₂。

为进一步实现本发明目的，优选地，步骤S5所述的范围控制系数m取值为-99。

优选地，将a₁₀进行标准化处理的公式为

对当前区块发行时长进行标准化处理的目的是为了使难度值调节后区块发行的时长可以处于标准时长区间内；

平均时长作为调整中的一个参数可以起到一个平滑过渡的作用，避免难度值调整出现陡增或者陡降的情况。

本发明主要为了消除系统总算力变化对区块发行时长带来的影响，系统总算力增大时，区块发行时间会变短，这时将共识难度值提高，以此减小工作量证明成功的概率，使得区块发行时间变慢；反之，系统总算力减小时，区块发行时间变长，这时将共识难度值降低，以此增大工作量证明成功的概率，使得区块发行时间变快。

本发明与现有工作量证明共识难度调整方法相比，具有以下显著优势：

(1)本发明使用对数函数ln平衡标准时长区间左右两侧的偏离量的度量。因为标准时长区间为[10,20)，并且时长非负，因此标准时长区间左侧只有较小的取值范围[0,10)，而右侧有非常大的取值范围[20,+∞)。对数函数ln的函数值与自变量的关系有些类似于这种左边较小右边较大的偏离情况，对数函数ln自变量在(0，1)区间时，函数值为负数；而对数函数ln自变量在[1，+∞)时，函数值为正数。因此，对数函数ln用来平衡标准时长左右两侧偏离的刻度度量。而现有的工作量证明共识难度调整方法只根据偏离量的数值大小来进行调整，标准时长区间左侧的偏离量最多只可能为10，而右侧可能会达到正无穷，未考虑到两侧偏离量平衡的问题。

(2)本发明还对过去10个区块发行的平均时长进行计算作为补充调整部分，使得难度值变化曲线更为平滑，相对更为稳定。

(3)本发明针对当前区块发行竞争关系进行有效微调，减少区块发行竞争，避免区块链分叉。

(4)本发明主要根据当前区块发行时长来进行调整，可以确保及时适应系统总算力的变化，加快收敛速度。

(5)本发明改善了传统区块链工作量证明共识难度调整算法存在的调整粗放、收敛过慢、不稳定等问题，确保了区块可以稳定发行。

附图说明

图1为本发明快速收敛的区块链工作量证明共识难度调整方法的流程框图；

图2为本发明所述区块链工作量证明共识难度调整示意图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，需要说明的是，本发明的实施方式不限于此。

区块高度是各区块在区块链的链式结构中的编号，从0开始递增；过去10个区块的平均发行时长a₁₀，取当前区块的前10个区块的发行时长的平均值，如当前区块的高度为n，那么取高度为n-10,n-9,…n-1的区块发行时长的平均值；若区块链中当前没有10个区块，那么取区块链中所有已发行区块的平均发行时长的平均值，比如当前只有高度为1，2，3这三个区块，那么就取高度为1，2，3区块的发行时长的平均值。区块链系统中各区块的难度值都存储于该区块中，因此可从系统中读取容易高度的区块的难度值，如当前区块高度为n，那么他父区块的难度值只需要读取高度为n-1的区块中存储的难度值。同样地，区块发行时间戳也存储于区块之中，可读取任意高度的区块的发行时间戳。竞争系数y也可以通过读取区块数据得出结果，存在竞争的具体表现是多个区块连接在一个区块之后，如高度为n的区块之后跟着两个高度为n+1的区块，两个区块的发行都有工作量证明的过程。通过查看区块中是否存在类似并列区块的情况即可确定竞争系数y。

本发明难度调节值分为两个部分，第一部分难度调节值根据当前区块的发行时间来调节，因为当前区块更能反应系统总算力的变化情况，且第一部分有较大的调节系数，这可以确保它更快地达到调节目的。第二部分是根据过去10个区块发行的平均情况进行调节的，这里的调节系数较小，起到辅助调节的作用，可以使难度值的调节更为平滑，不会出现陡变的情况。

实施例1

本实施例具体参数情况如下：

当前区块高度为n，父区块高度为n-1，且n>10。

如图2为区块链工作量证明共识难度调整示意图，其中当前区块的难度值主要以父区块的难度值为基础，同时需要结合当前区块发行时长、过去10个区块发行平均时长和区块发行竞争系数来综合计算得到当前区块的难度值。

场景一：区块发行不存在竞争

如图1所示，一种快速收敛的区块链工作量证明共识难度调整方法，包括如下步骤：

步骤101：获取参数：父区块的难度值D(n-1)＝131072，当前区块发行时间戳为H_n＝H_n-1+25，过去10个区块平均发行时长为a₁₀＝5。

步骤102：计算当前区块发行时长为25，对当前区块发行时长进行标准化处理得到值f₁，具体是

得到f₁＝2.5。

步骤103：结合父区块难度值和当前区块发行时长标准化后的值，得到第一部分难度调节值D(n)₁；

步骤104：将过去10个区块发行的平均时长a₁₀进行标准化处理得到f₂，

步骤105：由于不存在区块竞争，因此得到区块竞争系数y＝1。

步骤106：根据计算得到的f₂和y，范围控制系数设定为m＝-99，以及父区块的难度值，可计算得到第二部分难度调节值D(n)₂；

范围控制系数设定为-99是为了控制第二部分难度调节值的影响范围，因为第一部分是主要调节部分，也是当前系统算力的体现，第二部分难度调节值通过-99来控制可调节难度值的最大范围，即第二部分最大可调节的范围为

而第一部分难度调节值理论上最大可调节范围为

步骤107：根据第一部分难度调节值D(n)₁、第二部分难度调节值D(n)₂以及父区块的难度值，最终得到当前区块的难度值为：D(n)＝D(n-1)+D(n)₁+D(n)₂＝130197。

场景二：区块发行存在竞争

如图1所示，一种快速收敛的区块链工作量证明共识难度调整方法，包括如下步骤：

步骤101：获取参数，父区块的难度值D(n-1)＝131072，当前区块发行时间戳为H_n＝H_n-1+15，过去10个区块平均发行时长为a₁₀＝38。

步骤102：计算当前区块发行时长为15，对当前区块发行时长进行标准化处理，由于

所以得到f₁＝1。

步骤103：结合父区块难度值和当前区块发行时长标准化后的值，得到第一部分的结果为

步骤104：将过去10个区块平均发行时长进行标准化处理，得到

步骤105：由于存在区块竞争，因此得到区块竞争系数y＝2。

步骤106：根据计算得到的f₂和y，范围控制系数设定为m＝-99，以及父区块的难度值，可计算得到第二部分的结果：

步骤107：根据第一部分、第二部分的结果以及父区块的难度值，最终得到新的难度值为：D(n)＝D(n-1)+D(n)₁+D(n)₂＝131008。

本发明在共识难度值调节过程中分成了两个部分分别进行调节，第一部分共识难度调节值主要使用当前区块发行时间来计算，计算过程中使用了对数函数ln来对标准时长区间左右两侧的刻度进行平衡，如场景一中，当前区块发行时长为25秒，那么标准化处理后进行对数运算得到的结果是0.916，场景二中由于时长为15秒位于标准时长区间内，标准化处理后得到对数运算结果为0；另外如果当前区块发行时长为5秒，标准化处理后得到对数运算结果为-0.619，与当前区块发行时长为25秒的调节幅度不同，因为对数函数对两边的偏离量进行的平衡。而使用其他工作量证明共识难度调整方法的话，当前区块发行时长为25秒的计算结果和当前区块发行时长为5秒的计算结果会是相反数，两者的调节幅度相同，这对于标准时长区间左边范围小，右边范围大的情况不适合。

第二部分共识难度调节值使用过去10个区块的平均发行时长来计算，这会使得难度调节更加平稳，不会出现陡变的情况。如场景一中，第一部分难度调节值降低了难度，但是第二部分难度调节值根据过去10个区块发行的平均时长小于标准时长区间的情况下，提升难度值64，与第一部分难度调节值-939相比较小，主要起到防止难度值陡变的作用。

本发明分为两部分进行有主次关系的调节，比其他难度调节算法在具体的结果上会更加稳定但是又可以通过调节难度值使区块发行时间快速收敛到标准时长区间中。

本发明还对过去10个区块发行的平均时长进行计算作为补充调整部分，使得难度值变化曲线更为平滑，相对更为稳定。

本发明针对当前区块发行竞争关系进行有效微调，减少区块发行竞争，避免区块链分叉。

本发明主要根据当前区块发行时长来进行调整，可以确保及时适应系统总算力的变化，加快收敛速度。

本发明改善了传统区块链工作量证明共识难度调整算法存在的调整粗放、收敛过慢、不稳定等问题，确保了区块可以稳定发行。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种快速收敛的区块链工作量证明共识难度调整方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：设定当前区块发行时间戳为H_n，父区块发行时间戳为H_n-1，过去10个区块平均发行时长为a₁₀，父区块的难度值为D(n-1)；n为当前区块的高度；n-1为父区块的高度；获得区块竞争系数y：

S2：当前区块发行时长为H_n-H_n-1，对当前区块发行时长进行标准化处理得到值f₁，设定区块发行的标准时长区间为[10，20)；对当前区块发行时长进行标准化处理的公式为：

t为当前区块发行时长根据标准时长区间处理得到的中间变量；

S3：计算第一部分难度调节值D(n)₁：

S4：将过去10个区块发行的平均时长a₁₀进行标准化处理得到f₂；

S5：根据计算得到的f₂和y，范围控制系数m，以及父区块的难度值D(n-1)，计算得到第二部分难度调节值D(n)₂；

S6：根据第一部分难度调节值D(n)₁、第二部分难度调节值D(n)₂以及父区块的难度值D(n-1)，计算得到当前区块的难度值D(n)：D(n)＝D(n-1)+D(n)₁+D(n)₂。

2.根据权利要求1所述的快速收敛的区块链工作量证明共识难度调整方法，其特征在于：步骤S5所述的范围控制系数m取值为-99。

3.根据权利要求1所述的快速收敛的区块链工作量证明共识难度调整方法，其特征在于：将a₁₀进行标准化处理的公式为

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