BTC出塊時間出現差異:理論與實際對比
BTC區塊時間戳歷史分布情況究竟有多符合預期?
本周,我收到了一些消息提醒,這些提醒都是關于一個時不時會出現的問題:
“BTC區塊鏈兩個小時都不能挖到一個塊的情況多久會出現一次呢?昨晚,我偶然發現了在區塊670637和638之間出現了這個狀況。”
這讓我陷入了思考,我不禁想到在過去12年中,BTC區塊時間戳歷史分布情況究竟有多符合預期?
我之前也對BTC時間戳機制進行過討論,有充分理由認為BTC的安全性很高,其時間戳背后的博弈論機制也非常完美。
金色晨訊 | 7月11日隔夜重要動態一覽:21:00-7:00關鍵詞:韓國、日本、紐約、中科院
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幸運的是,你如果有一個節點的話,就能很輕松地循環訪問所有BTC區塊頭,查看它們的時間戳。為此,我寫了個腳本,我的筆記本電腦只用了5分鐘就查看了所有的時間戳。
請注意,為了方便測量數據,BTC區塊鏈中第100個區塊之前都被我排除了,因為BTC誕生之初,礦工數量很少,發生了一些很特殊的狀況。
金色財經挖礦數據播報 | BSV今日全網算力下降5.02%:金色財經報道,據蜘蛛礦池數據顯示:
ETH全網算力179.116TH/s,挖礦難度2278.36T,目前區塊高度10042081,理論收益0.00822318/100MH/天。
BTC全網算力120.805EH/s,挖礦難度16.10T,目前區塊高度629881,理論收益0.00001561/T/天。
BSV全網算力1.248EH/s,挖礦難度0.17T,目前區塊高度634359,理論收益0.00072117/T/天。
BCH全網算力1.607EH/s,挖礦難度0.24T,目前區塊高度634565,理論收益0.00056008/T/天。[2020/5/11]
結果表明,有190個區塊在前一個區塊出塊后106分鐘才被挖出,占迄今挖出的67萬個區塊中的0.0028%,非常接近0.0025%的預期值!這個結果很容易通過計算得出,但只能代表某個特定時間段內出塊時間的差值分布情況。
深層次分析
如果要對這個問題進行深入思考,Felix?Weiss已經解決了這個問題,他提供了一種方法,能夠確定在前一個區塊挖出后的特定時間段內應該挖出的區塊數量。
金色財經挖礦數據播報 | BCH今日全網算力下降20.86%:金色財經報道,據蜘蛛礦池數據顯示:
ETH全網算力180.126TH/s,挖礦難度2255.42T,目前區塊高度9886773,理論收益0.00782353/100MH/天。
BTC全網算力118.837EH/s,挖礦難度14.72T,目前區塊高度626341,理論收益0.00001708/T/天。
BSV全網算力1.534EH/s,挖礦難度0.20T,目前區塊高度630939,理論收益0.00058671/T/天。
BCH全網算力1.741EH/s,挖礦難度0.24T,目前區塊高度631146,理論收益0.00051707/T/天。[2020/4/17]
這個數量能夠通過計算指數分布的累積分布函數得出。
但就出塊時間的差值而言,怎樣才能其整個歷史分布狀況與預期分布進行對比呢?為了解決這個問題,我們需要利用指數分布的概率密度函數,這個函數可以通過f(x;λ)=?λe^-(λx)進行建模。針對出塊時間問題,x等于上個區塊出塊后的某個時間點,λ作為率參數,等于1/600,概率密度函數用線性方式表示如下圖:
金色財經行情播報丨多頭強勁 但整理需求依然存在:據火幣行情顯示,截至18:30,今日BTC拉升最高探至7453USDT。從日線級別看,均線多頭排列楔形上漲突破,上午局部行情在略做調整后,價格企穩在4小時圖MA5均線上,多頭表現強勁。但上午局部整理力度尚顯不足,整理需求依然存在。[2020/4/7]
我在寫這篇文章的同時也繪制出了670000區塊之后所有區塊的預期分布狀況,與上圖的形狀很相似。
于是我收集了腳本的數據,并將其放入了以下這個表格中:
顯而易見的是,下圖的x軸用對數表示更加合理,否則數據會過于分散,而觀察不到一些有趣的現象。
金色財經訊:9月15日,鏈行發布公告,公告指出:將于9月30日前關閉所有虛擬貨幣交易業務。同時,為了確保用戶資產安全,鏈行會提供穩定的資金托管和錢包技術服務,并保障用戶正常的提幣、提現。[2017/9/15]
不同挖礦時期
出塊時間的預期分布是基于哈希率恒定不變的假設。但根據BTC的發展歷史,其哈希率不可能是恒定不變的。
所以我選取了三個時期進行分析。
1.?CPU時代:哈希率相對平穩。
2.?GPU時代:哈希率加速上升。
ASIC時代:哈希率增速相對較緩
CPU時代
在CPU時代,對于出塊時間少于10分鐘的區塊,實際數量比預期少,為什么會出現這種情況呢?我將在下文進行解釋。
GPU時代
請注意,在GPU時代,情況截然相反,實際數量比預期要多,最可能是因為哈希率加速上升。
ASIC時代
在早期ASIC時代,BTC哈希率有大幅上升,我特地選取了距離當今較近的時間段,這樣數據不會受到很大影響。我們能從上圖看出,BTC出塊數量仍然多于預期,但是不能夠與GPU時代相比。
整個挖礦時代
如果將670000個區塊的數據全部繪制成一張圖表會是怎么樣的呢?根據下圖,實際出塊時間與預期是非常吻合的,除了圖中左邊的部分。
根據上圖,我們能得知,父區塊挖出后29秒內出塊的數量遠低于預期,對此有沒有合理的解釋呢?
深入研究
在這個時間戳范圍內的預期出塊數量為30497。
另一方面,實際出塊數量是22441。
那么為什么出塊數量會相差8056?
我們發現,14296個區塊的增量是負數,其中有3549個屬于-29到0的區間范圍內,那么剩下還有大約6000個區塊,下文將會對這6000個區塊進行詳細分析。
通過繪制負增量的時間戳分布情況,我們能得出,下圖基本上是正增量分布情況的鏡像。
這是因為BTC協議允許負時間戳增量的存在,但這不是根本原因,我們要考慮到實際挖礦的工作過程:
1.?礦池會為下一個區塊生成區塊元。
2.?礦工向礦池發出工作請求,開始對區塊元進行哈希計算。
3.?礦工將完成的工作返回給礦池,形成工作量證明。
所以問題就變成了:區塊元的產生頻率是多少?時間戳多久更新一次?
但是,我認為背后的答案更加復雜,因為礦工也有可能更新時間戳,這就牽涉到了研究特定ASIC應用的硬件或者固件。
上文提到,還剩下大約6000個時間戳增量是負的區塊,對這些區塊有合理的解釋嗎?我認為理論上是能夠解釋的,原因可能是時鐘漂移或挖礦軟件沒有得到很好的適配。如果你了解BTC挖礦歷史的話,早期礦工沒有組成礦池,都是單獨挖礦。所以礦工配置不能達到企業級別,這些業余礦工無法保證礦機數據與權威渠道定期同步。早期礦池都是由業余挖礦愛好者而不是全職專業人士運營。我認為,如果我的理論合理,那么隨著挖礦產業逐漸成熟,礦池軟件得到改進,時鐘漂移出現的頻率也在下降。所以我運行了另外一個腳本,按照時間繪制了時間戳增量為負的區塊分布情況圖。
根據上圖,我們能看出,不僅時間戳增量為負的區塊數量在減少,時鐘漂移問題也逐漸得到改善,值得特別注意的是,自2017年底后,只有少數區塊的時間戳增量為負。
總結
BTC大部分運行機制都基于數學原理。通過分析實際出塊時間的分布情況,我們能發現,在過去12年中,10分鐘出塊時間這個機制運行非常良好,只出現過很少的極端情況,背后的原因也很容易找到。挖礦也形成了產業化,挖礦軟件得到逐步改善,出塊時間分布狀況越來越符合預期。
這就是數學的力量!
本文內容來自于:CypherpunkCogitations
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