本发明属于金融技术领域，尤其涉及一种区块链可持续挖矿方法及系统。
背景技术：
基于区块链的交易系统(以下简称交易系统)，其中一个支撑性机制就是通过挖矿产生虚拟数字货币，进而形成交易系统的经济生态。挖矿，通过竞争计算哈希难题来获得区块链的记账权，对系统中的交易信息进行区块封装，同时赢得记账权的矿工将会获得一定的虚拟货币作为挖矿回报。也就是说，挖矿对于交易系统有两点贡献：一是虚拟数字货币发行(产生)的唯一方式；二是控制区块的生成。挖矿回报，是矿工挖矿的激励，更高层面上也是区块链正常工作的基础。然而，对于任何金融系统的稳定性来说，系统内货币总量应该是有限的。这就意味着，交易系统中的虚拟数字货币也应该限定在一定范围。例如比特币，其最终货币总量大概是2100万枚比特币。其货币控制策略是每生成21万个区块，矿工获得的挖矿回报减半，直至回报减为零。众所周知，矿工挖矿消耗大量算力(包括硬件设备消耗、电力消耗等)。如果所获得挖矿回报不足以抵消支出，挖矿工作就难以为继，区块链也就难以为继，这对交易系统是灾难性的。
针对上述问题，目前尚未有理想的解决方案。为了提高挖矿回报收益，有些系统引入小费策略；系统交易用户可以自愿支付小费，获得记账权的矿工可以将当前区块包含的所有交易小费收入到自己的账户中；然而该方法并不能保证区块链过程中矿工收入的稳定性，在交易动态变化性和矿工获得记账权的随机性这两个系统特性下，矿工收益无法保障稳定；在系统性奖励过低甚至停止后，对于交易系统的可持续性存在极大的威胁；
针对矿工获得记账权的随机性问题，使得矿工付出算力去常常得不到回报，有些系统允许矿工进行合作挖矿，然后根据算力的付出分享挖矿收益；该方法有限地解决了矿工收益不均衡的问题，其并没有对小费支付进行约束，只是约定合作矿工对当前挖矿收益进行分享，收益还是受到小费动态变化的影响；
因此，如何在系统性的挖矿回报减少或停止的情况下，实现挖矿奖励的可持续性，是基于区块链的交易系统迫切需要解决的问题。
综上所述，现有技术存在的问题是：
基于区块链的交易系统，通过挖矿奖励过程进行数字货币的发行，然而为了经济生态的稳定性，数字货币发行总量有限，因此，区块链挖矿过程中系统性奖励会逐步减少至零，使得挖矿过程难以为继；此外，即使现有交易系统引入小费机制，由于交易发生的动态性和小费支付的随意性，还是难以保证矿工的稳定收入，从而难以保证区块链的可持续性。因此，现有交易系统存在的挑战性难题如下：
设计一种新的可持续挖矿回报机制，该机制具备提供稳定回报的能力，可以补充或替换现有的系统性挖矿回报机制，从而实现交易系统的可持续性；
在区块链去中心化环境中，即没有中心化管理机构情况下，实现可持续挖矿机制的安全可靠。
以上问题的解决，可以避免基于区块链因挖矿回报不足而中断的潜在威胁；对基于区块链交易系统的稳定性和可持续性有至关重要的作用。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种区块链可持续挖矿方法及系统。
本发明是这样实现的，一种区块链可持续挖矿方法，所述区块链可持续挖矿方法包括：
所有交易系统用户在交易过程中按照税率支付一定的交易费用；该交易费用不直接支付给矿工，而是收集到设置的一个税费专用账户中；每成功生成一个新区块，获得该新区块记账权的矿工从税费专用账户中领取固定的挖矿回报的税费机制；补偿或替代原有的系统性挖矿回报，使挖矿过程稳定；
利用链上数据结构设置税费专用账户，税费收集与挖矿回报支付都通过共识验证，实现税费管理；
采用基于双门限控制的滑窗平均算法进行交易税率计算，进行税费余额的稳定性和可靠性控制。
进一步，所述税费机制具体包括：
税费专用账户的设置：采用链上数据结构的方式进行税费专用账户的设置；在区块头中增加两个数据域，分别记为余额和税率；
税收及挖矿回报协议的设置，包括：
交易税费支付：
用户创建交易时，按照交易额和税率支付交易费用，具体计算根据：交易额×税率；其中用输入表示用户引用的utxo(未经使用的交易输出，是指向在某个区块声明的、该交易创建者所持有的虚拟数字货币)，找零表示uxto高于交易额与交易税费之和的部分返还给该用户；交易创建时需满足：输入－交易额×(1+税率)＝找零；
交易税费全网验证：
在交易创建完成后，该交易需要通过全网传播和税费验证，验证交易税费支付步骤中交易创建时需满足的关系式；
税费收集及挖矿回报支付：
交易系统中的矿工，收集网络上传播的交易，对交易进行验证；
矿工收集所有成功验证的交易的税费；
成功获得记账权的矿工，给自己的钱包存入指定数量的货币作为挖矿回报，同时更新税费专用账户中的余额信息；同时，矿工还根据系统给定的交易税率计算方法，进行下一周期税率的计算，并更新税率信息；
税费专用账户数据全网验证：
矿工生成新区块后，将该新区块广播至全网进行验证；收到新区块的网络节点，对税费专用账户中的余额信息和税率信息进行验证；
税费专用账户数据写入账本：
在新区块通过网络大多数节点验证之后，区块成功加入主链，税费专用账户的数据信息得到全网认可。
进一步，所述交易税率计算采用滑窗平均法对交易量进行估计，根据交易量的估计和其他系统参数，计算交易税率，具体如下：
用x(k)表示第k个区块统计的税费专用账户余额；s(k)表示第k个区块发生的交易总额；μ表示挖矿回报，为常量；λ(k)表示第k个区块生成周期的交易税率；l表示滑窗长度；相关计算如下：
进一步，所述双门限方法对税率进行微调具体包括：
根据税费专用账户余额进行税率调整；
第一步：如果当前账户余额低于余额下限xl，则上调税率如下：
λ(k+1)←λ(k+1)(1+δ)；
否者，进入第二步；
第二步：如果当前账户余额高于余额上限xh，则下调税率如下：
λ(k+1)←λ(k+1)(1+δ)；
否者，进入第三步；
第三步：维持第一步之前所计算得到的税率，即：
λ(k+1)←λ(k+1)；
第四步：输出所得到的税率λ(k+1)。
进一步，所述区块链可持续挖矿方法还包括：
从挖矿回报、税费余额、税率稳定性分析建立评价体系；具体包括：
首先，用μ表示挖矿的固定回报，用μ(k)表示产生第k个区块获得的挖矿回报，定义δμmax＝max1≤k≤k|μ(k)-μ|为挖矿回报距离目标回报的最大偏移；定义
其次，税费专用账户余额，一方面表征系统交易活跃程度，一方面也体现支付挖矿回报的能力；分别定义
然后，进行税率稳定性分析，定义平均税率和税率公平性两个指标，分别如下
其中，公平性指标中
本发明的另一目的在于提供一种区块链可持续挖矿系统。系统包括链上税费专用账户模块，交易量统计模块，税率计算及自适应调整模块，以及执行税费管理与挖矿汇报支付的协议机制模块；
税费专用账户模块，其设置在区块头中增加两个数据域，用于记录账户余额和声明下一区块周期的税率；税费专用账户的管理由获得记账权的矿工负责，税费专用账户数据可靠性由全网络共识机制验证；
交易量统计模块，其实现当前区块以及之前若干区块中包含的交易额的平均统计，统计区块数目调整算法参数l决定；统计结果用于下一区块周期内交易额的估计；
税率计算及自适应调整模块，其根据交易量统计模块中交易额的估计和挖矿回报的设置，计算下一区块周期内的交易税率；此外，其根据税费专用账户余额的状态，使用双门限控制方法对税率进行微调，使得税费专用账户余额稳定在预期的范围；
执行税费管理与挖矿汇报支付的协议机制模块，其约定系统用户发起交易所需支付的税费，通过区块链共识机制验证交易税费支付是否有效；其约定获得记账权的矿工执行专用税费账户的信息，计算与更新管理以及矿工挖矿回报的支付，通过区块链共识机制验证专用税费账户信息的有效性和挖矿回报支付的有效性。
本发明的优点及积极效果为：
本发明通过设置一种税费机制，并设立税费专用账户实现税费收集与管理。利用链上数据结构和区块链共识过程，实现税费管理的公开性和安全性。通过计算机仿真对一系列系统性能指标进行验证，结果显示所提出的新方案可以有效解决区块链挖矿可持续性问题。
针对基于区块链的交易系统挖矿回报逐步减少且不稳定的问题，提出了一种支持可持续挖矿的税收及回报支付方案。本发明可在系统性回报降低或者中断的情况下，补偿或替代原有的系统性挖矿回报，使得挖矿过程，亦即区块产生过程稳定，从而使得交易系统可持续。通过计算机仿真，在系统性挖矿奖励中断的情况下，本发明可以为交易系统提供稳定的挖矿回报，相比自愿小费模式50％的概率挖矿回报低于设定的期望值，本发明挖矿回报只有0.01％的概率是低于期望值的。
本发明设计采用基于双门限控制的滑窗平均算法计算进行税率计算，提高税费余额控制的稳定性和可靠性；通过双门限控制，使得税费专用账户余额可控，从而提高挖矿回报的稳定性，从而促进交易系统稳定性；通过计算机仿真验证，在平均区块交易量为10000，期望挖矿回报为12.5的时候，如果采用简单的固定税率模式，账户余额时常不足，且余额标准差很大，达到14.2；而本发明设计的基于双门限控制的滑窗平均算法，可以将账户余额保持在期望范围之内，同时余额标准差较小，为5.34。此外，用于采用滑窗平均算法，使得系统税率保持相对稳定；计算机仿真结果显示，税率公平性指标为0.99，接近固定税率情况下公平性为1的指标。公平性越高，税率越稳定。
本发明设计采用链上数据结构设置税费专用账户，税费收集与挖矿回报支付都通过共识验证，使得该账户与区块链技术具备同样的安全性和可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的区块链可持续挖矿方法流程图。
图2是本发明实施例提供的税收及挖矿回报协议及其工作流程示意图。
图3是本发明实施例提供的税率计算算法流程图。
图4是本发明实施例提供的四种挖矿回报模式下，生成每个区块矿工所获得的回报(为了图示的清晰性，时间轴以10个区块周期为单位进行了抽样显示)图。
图5是本发明实施例提供的税费专用账户余额记录图。
图6是本发明实施例提供的税率动态变化记录图。
图7是本发明实施例提供的区块链可持续挖矿系统图。
图中：1、链上税费专用账户模块；2、交易量统计模块；3、税率计算及自适应调整模块；4、执行税费管理与挖矿汇报支付的协议机制模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中，基于区块链的交易系统，其系统性挖矿回报减少或中断情况下，挖矿过程难以保持稳定性和可持续性。
下面结合附图及具体实施例对本发明作详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的区块链可持续挖矿方法，通过设置一种所有交易系统用户在交易过程中按照税率支付一定的交易费用；该交易费用不直接支付给矿工，而是收集到设置的一个税费专用账户中；每成功生成一个新区块，获得该新区块记账权的矿工从税费专用账户中领取固定的挖矿回报的税费机制；补偿或替代原有的系统性挖矿回报，使挖矿过程稳定；
利用链上数据结构设置税费专用账户，税费收集与挖矿回报支付都通过共识验证，实现税费管理；
采用基于双门限控制的滑窗平均算法进行交易税率计算，进行税费余额的稳定性和可靠性控制。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
一、可持续挖矿奖励设计方法
本发明实施例提供的区块链可持续挖矿方法，设计了一种税收机制：所有交易系统用户在交易过程中按照税率支付一定的交易费用；但是该费用不是直接支付给矿工，而是收集到设置的一个税费专用账户中；每成功生成一个新区块，获得该区块记账权的矿工从税费专用账户中领取固定的挖矿回报。如图1。
1、税费专用账户设计
本发明采用链上数据结构的方式实现税费专用账户的设置。具体在区块头中增加两个数据域，分别记为余额和税率。修正后的区块头数据格式如表1所示。
表1包含余额和税率数据域的区块头数据结构
税费专用账户数据结构中，余额项用于记录税费专用账户截止至当前区块的余额(包含当前区块所有交易费用，并去除了当前区块的挖矿回报)；税率则表示下一区块形成周期内的交易税率。这里需要说明的是，税费专用账户区别于一般的用户账户，它只是记录税收的信息，并不是存储货币，其支付挖矿回报的过程，也不需要任何人的数字签名。税费专用账户数据以及数字货币在该账户控制下的流通，都是通过区块链的共识过程来保障其安全可信。
2、税收及挖矿回报协议设计
基于区块链可持续挖矿的需求，税费专用账户的引入，以及用户交易和支付挖矿回报的设计，本发明提供一种新的协议，记为税收及挖矿回报协议。
该协议引入一系列与区块生成过程同步的工作流程，具体如图2所示。为方便比对，图2中每一步骤文字描述中，处于下方的是区块生成的步骤，处于上方的是本发明协议步骤。
以下根据图2所示对税收及挖矿回报协议及其流程进行阐述。
1)交易税费支付
这一步与用户创建交易同步。用户创建交易时，必须按照交易额和税率支付交易费用，具体计算根据：交易额×税率。这里用“输入”表示用户引用的utxo，“找零”表示uxto高于交易额与交易税费之和的部分返还给该用户。那么，交易创建时需满足：输入－交易额×(1+税率)＝找零。
2)交易税费全网验证
这一步与交易全网传播验证同步。在交易创建完成后，该交易需要通过全网传播和税费验证，主要是验证上一条中需要满足的关系式。
3)税费收集及挖矿回报支付
这一步与矿工收集交易已经挖矿过程同步。交易系统中的矿工，会收集网络上传播的交易，对交易进行验证。矿工会收集所有成功验证的交易的税费。成功获得记账权的矿工，会给自己的钱包存入指定数量的货币作为挖矿回报，同时更新税费专用账户中的余额信息。此外，矿工还会根据系统给定的税率计算方法，进行下一周期税率的计算，并更新税率信息。
4)税费专用账户数据全网验证
这一步与新生成区块的全网传播验证同步。矿工生成新区块后，将该区块广播至全网进行验证。收到新区块的网络节点，将对税费专用账户中的余额信息和税率信息进行验证。
5)税费专用账户数据写入账本
这一步与区块加入主链同步。在新区块通过网络大多数节点验证之后，区块成功加入主链，税费专用账户的数据信息得到全网认可。
可以看出，可持续挖矿方法及其协议依托于区块链的共识过程，与区块链具备相同的安全性能。
3、交易税率计算算法，如图3。
本发明采用滑窗平均法对交易量进行估计，根据交易量的估计和其他系统参数，计算交易税率，具体如下：
用x(k)表示第k个区块统计的税费专用账户余额；s(k)表示第k个区块发生的交易总额；μ表示挖矿回报，为常量；λ(k)表示第k个区块生成周期的交易税率；l表示滑窗长度；相关计算如下：
进一步，所述双门限方法对税率进行微调具体包括：
根据税费专用账户余额进行税率调整；
第一步：如果当前账户余额低于余额下限xl，则上调税率如下：
λ(k+1)←λ(k+1)(1+δ)；
否者，进入第二步；
第二步：如果当前账户余额高于余额上限xh，则下调税率如下：
λ(k+1)←λ(k+1)(1+δ)；
否者，进入第三步；
第三步：维持第一步之前所计算得到的税率，即：
λ(k+1)←λ(k+1)；
第四步：输出所得到的税率λ(k+1)。
针对基于区块链的交易系统挖矿回报逐步减少且不稳定的问题，提出了一种支持可持续挖矿的税收及回报支付方案。本发明可在系统性回报降低或者中断的情况下，补偿或替代原有的系统性挖矿回报，使得挖矿过程，亦即区块产生过程稳定，从而使得交易系统可持续。
本发明设计采用链上数据结构设置税费专用账户，税费收集与挖矿回报支付都通过共识验证，使得该账户与区块链技术具备同样的安全性和可靠性。
本发明设计采用基于双门限控制的滑窗平均算法计算进行税率计算，提高税费余额控制的稳定性和可靠性，进而提升交易系统稳定性。
二、下面结合区块链可持续挖矿评价体系对本发明作进一步描述。
为了对区块链挖矿的可持续设计进行科学评价，本发明从挖矿回报统计、税费余额统计、税率稳定性分析建立评价体系。
首先，挖矿回报是本方案直接关心的系统性能。前面已提及，用μ表示挖矿的固定回报，这里用μ(k)表示产生第k个区块获得的挖矿回报，那么定义
δμmax＝max1≤k≤k|μ(k)-μ|；
为挖矿回报距离目标回报的最大偏移；定义
为挖矿回报距离目标回报的平均偏移，其中k是统计的时长。
其次，税费专用账户余额，一方面表征系统交易活跃程度，一方面也体现本方案支付挖矿回报的能力。这里分别定义
和
为账户余额的均值和标准差。
然后，考虑到税费账户余额的稳定性，本发明采用了动态税率调整策略。但是，合理的税率设置不应有过大的浮动调整，否则会影响短时间内税费的不公平性。因此，这里定义平均税率和税率公平性两个指标，分别如下
其中，公平性指标中
三、协议性能仿真分析
这部分以比特币系统为例，假设系统性挖矿回报已经中断，使用本方法提供的方案实现挖矿回报。通过计算机仿真进行本发明的验证及协议参数对性能的影响分析。交易系统仿真设置如表1所示。
表1.计算机仿真测试参数设置
网络节点以p2p方式组网，各个节点既是交易用户，同时也从事挖矿工作。为了对比分析，仿真对如下几种挖矿回报支付机制进行模拟分析：
1、传统的自愿小费支付模式，简记为自愿模式；
2、按固定费率支付小费模式，简记为固税模式；
3、按滑窗平均调整税率但不带双门限控制模式，简记为滑窗模式；
4、按滑窗平均调整税率且带双门限控制模式，简记为滑窗双门限模式。
通过以上仿真，按照提出的可持续挖矿评价体系，对以上模式进行性能分析与评价，结果如下所述。
结果一：挖矿回报分析
首先，针对本发明首要关注的挖矿回报参数进行分析。图4所示为四种挖矿回报模式下，生成每个区块矿工所获得的回报(为了图示的清晰性，时间轴以10个区块周期为单位进行了抽样显示)。从结果可以看出，采用税费专用账户模式对交易系统中的税费进行有效管理，即使在系统性奖励中断后，矿工挖矿回报依然可以保持稳定。而对于传统的自愿小费模式，挖矿回报随着消费的随机变化而变化，无法得到稳定的保障。
进一步分析固税模式、滑窗模式和滑窗双门限模式下，挖矿回报的对比差异。从结果看出，滑窗双门限模式对于挖矿回报的稳定性支持最好，几乎不受交易动态的影响，挖矿回报一直保持在12.5比特币。相对地，固税模式则因为受到系统交易动态性的影响，挖矿回报市场会有所下降；不带门限的滑窗模式也同样会受到系统交易动态性的影响。
表3给出性能参数的统计分析结果。可以看出，滑窗双门限模式在挖矿回报最大偏移量δumax、平均偏移量
表3挖矿回报分析
结果二：税费余额分析
这一部分分析税费账户余额在不同策略模式下的变化过程。由于传统自愿模式没有设置账户，因此该模式不在统计结果中。图5给出了余额随着区块产生的变化过程。结果显示，由于双门先控制，滑窗双门限模式可以将账户余额稳定在期望的水平，从而提高挖矿回报支付的稳定性。滑窗模式，由于采取了周期性的交易量统计平均作为税率设置的参考，因此，也获得比较稳定的账户余额水平，不过余额保持在较低水平，不利于稳定的挖矿回报支出。而固税模式下的账户余额则是受交易量的动态变化的影响。
表4给出了税费专用账户余额的统计分析结果。结果显示滑窗双门限模式下，账户余额的平均值是485.19比特币，标准差达到了84.42。之所以得到这个结果，是因为账户余额初始阶段是设置为0的，余额有一段增加的过程。表中括号内的数据是账户余额首次达到500比特币之后的再次统计，可以看出，余额平均是506.42比特币，标准差则下降为5.34，说明账户余额具备良好的稳定性，对挖矿的可持续性提供了重要支撑。相比较，固税模式下，余额标准差比较大，经常触底到0，稳定性不足；不带门限的滑窗模式，同样保持很低的余额水平。
表4税费专用账户余额分析
结果三：税率稳定性分析
最后，从交易系统用户交税费公平性角度分析系统税率的变化情况。从图6所示的结果可以看出，滑窗模式和滑窗双门限模式，税率设置是以系统交易量的统计均值为参考的，因此，税率随时间是一个动态变化过程；此外，由于滑窗双门限模式还会根据税费专用账户的余额情况，都税率进行调整，从图中可看出其中间的调整过程。正是由于动态调整，使得该模式在账户余额、挖矿回报支付都有良好的稳定性。固税模式下，税率是固定的，而且这是在仿真过程中已知系统平均交易量的情况下设定的税率；在实际系统中，如果税率设置不当，也会使得区块链挖矿过程收到影响。表5进一步给出了平均税率和税率公平性指标的统计结果。结果显示平均意义上，税率都是保持在0.125％的水平。此外，尽管图6显示滑窗模式和滑窗双门限模式下，税率是动态变化的过程，但是其调整范围是很小的，基本在10-4量级；从公平性参数λfair看，其公平性指数都接近固定税率的水平。
表5税费专用账户余额分析
三、下面结合仿真结果对本发明作进一步描述。
本发明对提出的区块链可持续挖矿机制进行了对比分析和验证。从结果可以看出，设置强制交易税费后并设置税费专用账户后进行税费收集和管理，可以为区块链挖矿过程提供可靠稳定的回报，从而使得基于区块链的交易系统实现可持续性，即使是在系统性挖矿回报停止之后。此外，通过滑窗平均方法利用历史交易量对当前交易额进行合理预测，提高税费专用账户余额的稳定性；进一步，通过双门限控制，可以将税费余额稳定在系统期望的水平，大大提高账户提供挖矿回报的稳定性和可持续性。
本发明针对基于区块链的交易系统，其系统性挖矿回报减少或中断情况下，挖矿过程难以保持稳定的问题，提出了一种可持续挖矿的方法，并给出了完整的方案设计。具体地，通过设置一种税费机制，并设立税费专用账户实现税费收集与管理。利用链上数据结构和区块链共识过程，实现税费管理的公开性和安全性。通过计算机仿真对一系列系统性能指标进行验证，结果显示所提出的新方案可以有效解决区块链挖矿可持续性问题。
下面结合区块链可持续挖矿系统对本发明作进一步描述。
如图7所示，本发明实施例提供的区块链可持续挖矿系统。包括链上税费专用账户模块1，交易量统计模块2，税率计算及自适应调整模块3，以及执行税费管理与挖矿汇报支付的协议机制模块4；
税费专用账户模块1，其设置在区块头中增加两个数据域，用于记录账户余额和声明下一区块周期的税率；税费专用账户的管理由获得记账权的矿工负责，税费专用账户数据可靠性由全网络共识机制验证；
交易量统计模块2，其实现当前区块以及之前若干区块中包含的交易额的平均统计，统计区块数目调整算法参数l决定；统计结果用于下一区块周期内交易额的估计；
税率计算及自适应调整模块3，其根据交易量统计模块中交易额的估计和挖矿回报的设置，计算下一区块周期内的交易税率；此外，其根据税费专用账户余额的状态，使用双门限控制方法对税率进行微调，使得税费专用账户余额稳定在预期的范围；
执行税费管理与挖矿汇报支付的协议机制模块4，其约定系统用户发起交易所需支付的税费，通过区块链共识机制验证交易税费支付是否有效；其约定获得记账权的矿工执行专用税费账户的信息计算与更新管理以及矿工挖矿回报的支付，通过区块链共识机制验证专用税费账户信息的有效性和挖矿回报支付的有效性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。