[发明专利]一种快速收敛的区块链工作量证明共识难度调整方法

说明书

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。

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。