比特币市场采矿经济的建模与仿真

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英文标题：
《Modeling and Simulation of the Economics of Mining in the Bitcoin Market》
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作者：
Luisanna Cocco and Michele Marchesi
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最新提交年份：
2016
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英文摘要：
  In January 3, 2009, Satoshi Nakamoto gave rise to the \"Bitcoin Block Chain\" creating the first block of the chain hashing on his computers central processing unit (CPU). Since then, the hash calculations to mine Bitcoin have been getting more and more complex, and consequently the mining hardware evolved to adapt to this increasing difficulty. Three generations of mining hardware have followed the CPU\'s generation. They are GPU\'s, FPGA\'s and ASIC\'s generations. This work presents an agent based artificial market model of the Bitcoin mining process and of the Bitcoin transactions. The goal of this work is to model the economy of the mining process, starting from GPU\'s generation, the first with economic significance. The model reproduces some \"stylized facts\" found in real time price series and some core aspects of the mining business. In particular, the computational experiments performed are able to reproduce the unit root property, the fat tail phenomenon and the volatility clustering of Bitcoin price series. In addition, under proper assumptions, they are able to reproduce the price peak at the end of November 2013, its next fall in April 2014, the generation of Bitcoins, the hashing capability, the power consumption, and the mining hardware and electrical energy expenses of the Bitcoin network.
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中文摘要：
2009年1月3日，中本聪（Satoshi Nakamoto）提出了“比特币区块链”，在他的计算机中央处理器（CPU）上创建了第一个区块链散列。从那时起，挖掘比特币的散列计算变得越来越复杂，因此挖掘硬件也在进化，以适应这一日益增加的困难。随着CPU的诞生，三代挖掘硬件也随之诞生。它们是GPU、FPGA和ASIC的代产品。这项工作提出了一个基于代理的比特币挖掘过程和比特币交易的人工市场模型。这项工作的目标是建模采矿过程的经济性，从GPU的产生开始，这是第一代具有经济意义的GPU。该模型再现了实时价格序列中发现的一些“程式化事实”，以及采矿业务的一些核心方面。特别是，所进行的计算实验能够再现比特币价格序列的单位根特性、厚尾现象和波动率聚类。此外，在适当的假设下，他们能够重现2013年11月底的价格峰值、2014年4月的下一个秋季、比特币的产生、哈希能力、功耗以及比特币网络的采矿硬件和电能费用。
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分类信息：

一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：Trading and Market Microstructure        交易与市场微观结构
分类描述：Market microstructure, liquidity, exchange and auction design, automated trading, agent-based modeling and market-making
市场微观结构，流动性，交易和拍卖设计，自动化交易，基于代理的建模和做市
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PDF下载：
--> Modeling_and_Simulation_of_the_Economics_of_Mining_in_the_Bitcoin_Market.pdf (1.82 MB)

2022-5-16 13:21:15 上传

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关键词：比特币 Quantitative Calculations Transactions significance

比特币市场挖掘经济性的建模与仿真Luisanna Cocco，1*Michele Marchesi，卡利亚里大学电气与电子工程系，意大利卡利亚里广场09123号。*电子邮件：{luisanna.cocco，michele}@diee。尤妮卡。事实上，2009年1月3日，中本聪（Satoshi Nakamoto）在他的计算机中央处理器（CPU）上创建了“比特币区块链”（Bitcoin Block-Chain）的第一个区块。从那时起，挖掘比特币的哈希计算变得越来越复杂，因此挖掘硬件也在不断发展，以适应这种日益增加的困难。随着CPU时代的到来，三代挖掘硬件也随之诞生。它们是GPU、FPGA和ASIC的代产品。这项工作提出了一个基于代理的比特币挖掘过程和比特币交易的艺术市场模型。这项工作的目标是从GPU的产生开始，对采矿过程的经济性进行建模，这是第一代具有经济意义的GPU。该模型再现了实时价格序列中发现的一些“程式化事实”，以及采矿业务的一些核心方面。特别是，所进行的计算实验能够再现比特币价格序列的单位根特性、厚尾现象和波动性聚类。此外，在适当的假设下，他们能够在2013年11月底、2014年4月的下一个秋季产生价格峰值、比特币的产生、哈希功能、功耗以及比特币网络的挖掘硬件和电能费用。关键词：艺术金融市场、比特币、异构代理、市场模拟1简介比特币与任何其他加密货币一样，是合法货币的数字货币替代品。如今，比特币是最流行的加密货币。

它是由一位名为“Satoshi Nakamoto”的密码学家创建的，他的真实身份仍然未知[40]。和其他加密货币一样，比特币使用加密技术，而且由于有一个开源系统，任何人都可以检查甚至修改比特币软件的源代码。比特币网络是一个点对点网络，监控和管理新比特币的生成以及比特币交易的一致性验证。这个网络由大量通过互联网相互连接的计算机组成。它们形成复杂的加密程序，生成新的比特币（挖掘）并管理比特币交易登记簿，验证其正确性和真实性。挖掘是一个过程，它允许找到所谓的“工作证明”，以验证一组交易，并将其添加到过去每一笔比特币交易（称为“区块链”）的大规模透明账本中。比特币的产生是对交易验证过程的奖励。自2009年1月3日起，该区块链由比特币系统的发明者中本聪（Satoshi Nakamoto）创建。第一个区块被称为“genesis区块”，包含一笔交易，为区块创建者的利益生成50比特币。到2040年，整个系统的产量仅为2100万比特币，随着时间的推移，采矿过程将变得越来越不可行。未来矿工们的主要回报来源将是交易费用，而不是采矿过程本身。在这项工作中，我们提出了一个基于代理的模型，旨在研究和分析从2010年9月1日开始的挖掘过程和比特币市场。2010年9月1日是人们开始购买挖掘硬件来挖掘比特币的大致日期。

提出的模型通过实施比特币价格形成机制，以及每种类型交易商的特定行为，模拟了采矿过程和比特币交易。我们试图重现比特币的产生，真实比特币市场中存在的主要程式化事实，以及采矿过程的经济性。所描述的模型建立在作者之前的工作[15]的基础上，该工作从纯金融角度对比特币市场进行了建模。在这项工作中，我们还充分考虑了采矿业的经济性。论文的结构如下。在章节相关工作中，我们讨论了与本文相关的其他工作。在章节挖掘过程中，我们简要描述了挖掘过程，并概述了挖掘硬件及其随时间的演变。在模型部分，我们详细介绍了所提出的模型。部分模拟结果给出了模型的几个参数的值，并报告了模拟结果，包括比特币实际价格分析和稳健性分析。本文的结论为文献报道的结论。最后，附录对模型的一些参数进行了标定。2相关工作加密货币市场的研究和分析是一个相对较新的领域。在过去的几年里，考虑到这个话题的潜在兴趣和与之相关的许多问题，出现了几篇关于这个话题的论文（例如，见著作[3,5,7,24,28,29,39,53]）。然而，很少有人对加密货币市场进行建模。我们可以举出路德（Luther）[37]的作品，他研究了为什么一些加密货币无法使用简单的代理模型获得广泛的认可；Bornholdt等人[6]提出了一个基于Moran过程的模型来研究可能出现的加密货币；由加西亚等人。

[27]研究了社会互动在价格泡沫形成中的作用；Kristoufek[31]分析了比特币价格的主要驱动因素；Kaminsky等人[30]将比特币市场与社交网络上的情绪分析联系起来。在本文中，我们提出了一个基于复杂代理的模型，以重现挖掘过程的经济性和比特币价格序列的主要类型化事实。我们的模型受到基于商业、经济和金融代理的模型的启发，这些模型描述了一个国家的组织或总体经济如何创造、交付和获取价值。关于商业模式，Amini等人[2]提出了一个基于代理的模型，用于分析替代生产和销售政策对新产品扩散的影响；Cocco等人[12,13,14]提出了基于代理的模型来模拟软件市场，并分析专有软件公司和开源软件公司采用的业务流程和政策；Li等人[35]利用多智能体仿真模型研究了供应链中的主导者行为以及供应链中销售价格和购买价格之间的关系；Rohitratana等人[51]研究了软件即服务市场和专有或传统软件市场的定价方案；最后，小明等人[56]研究了一家企业如何通过确定新产品在其生命周期内的生产和销售政策来最大化其利润。关于经济模型，在[11]中，作者提出了迄今为止为研究欧洲经济而开发的最重要的基于主体的模型之一。特别是，它们显示了货币政策，即商业银行作为贷款企业提供的信贷资金，如何影响一个国家的经济。

[21,23]中提出了基于主体的凯恩斯模型，以研究宏观经济动力学的性质以及公共政策对供给、需求和经济基本面的影响，并研究收入分配与货币和金融政策之间的相互作用。就艺术金融市场模型而言，它们再现了市场的真实功能，试图解释金融市场中观察到的主要类型化事实，如收益率的厚尾分布、波动性聚类和单位根属性。有关综述，请参见著作[8]和[9]。Raberto等人[47]和Cincotti等人[10]提出了热那亚艺术股票市场（Genoa Arti-ficial Stock Market，GASM），这是一个基于代理人的艺术金融市场，其特点是对每个代理人的地位和财富进行实际跟踪，并建立了现实的交易和价格清算机制。GASM能够重现真实金融市场中观察到的一些主要风格化事实。本文以GASM为基础，添加了特定的功能以及零智能和趋势跟踪交易者的组合，旨在对比特币交易市场和采矿经济进行建模。3.挖掘过程今天，每隔几分钟就有数千人通过中本聪（Satoshi Nakamoto）创建的peer-topeer电子现金系统发送和接收比特币。所有交易都是公开的，并存储在一个名为区块链的分布式数据库中，该数据库用于确认交易并防止双重支出问题。确认比特币交易并将其存储在区块链中的人被称为“矿工”。一旦新交易通知网络，矿工们就会检查其有效性和真实性，并将其收集到一个区块中。

然后，他们获取事务块中包含的信息，其中包括一个名为“nonce”的变量，并在此块上运行SHA256哈希算法，将初始信息转换为256位的序列，称为哈希[18]。在计算之前，无法知道这个序列会是什么样子，在初始数据中引入一个微小的变化会导致结果哈希的剧烈变化。矿工无法更改包含事务信息的数据，但可以更改用于创建不同哈希的“nonce”编号。目标是找到具有给定前导零位数的哈希。这个数字可以改变，以改变问题的难度。第一个成功创建适当哈希（找到“工作证明”）的矿工将获得比特币奖励，成功的哈希将与区块链中已验证交易的块一起存储。简言之，“比特币挖掘者在找到32位值时赚钱，当使用标准哈希函数将该值与其他交易的数据进行哈希运算时，得到的哈希值为60或更多个零。

这是一个极其罕见的事件“，[18]。运行网络的步骤如下：“向所有节点广播新事务；每个节点将新事务收集到一个锁中；每个节点都致力于为其块找到不同的工作证明；当一个节点找到工作证明时，它会向所有节点广播该块；节点仅在数据块中的所有事务有效且尚未使用时才接受该数据块；节点通过创建链中的下一个块来表达对该块的接受，使用acceptedblock的哈希作为前一个哈希“，[40]。生成单个散列在计算上非常容易，因此，为了规范比特币的生成，随着时间的推移，比特币协议使得这项任务变得越来越困难。工作证明是通过增加块中的nonce来实现的，直到找到一个值，该值给出了具有所需前导零位的块哈希。如果哈希与所需格式不匹配，则会生成一个新的nonce，并再次开始哈希计算[40]。在找到能够生成正确哈希的临时值之前，可能需要无数次尝试。找到工作证明所需的过程的计算复杂性会随着时间的推移而调整，以便每天找到的区块数量或多或少保持不变（大约两周内有2016个区块，每10分钟一个）。起初，每生成一个区块对应50个比特币的创造，在增加21万个区块后，这个数字每四年减半一次。

因此，如果createdblocks属于区块链的前21万个区块，矿工可以获得相当于50比特币的奖励；如果createdblocks在区块链中从210001个区块到420000个区块，矿工可以获得25比特币的奖励；如果createdblocks在区块链中从420001个区块到630000个区块，矿工可以获得12.5比特币的奖励，依此类推。随着时间的推移，挖掘比特币变得越来越复杂，这是因为挖掘者的数量越来越多，他们的硬件功能也越来越强大。我们见证了四代硬件的相继诞生，即CPU、GPU、FPGA和ASIC的诞生，每一代都有特定的哈希率（以H/s为单位）和功耗。随着时间的推移，采矿硬件的功率和价格一直在稳步上升，尽管H/sec的价格一直在下降。为了应对不断增加的成本，矿工们正在联合起来共享资源。3.1采矿硬件的演变2009年1月3日，中本聪在其计算机的中央处理器（CPU）上创建了区块链的第一个区块，称为“基因区块”。和他一样，早期的矿工在个人电脑上运行比特币软件。CPU的era代表挖掘过程的第一阶段，其他era是GPU、FPGA和ASIC的era（参见网站https://tradeblock.com/blog/the-evolution-of-mining/).每个时代都宣布使用特定类型的采矿硬件。

在第二个时代，大约从2010年9月开始，基于并行运行的图形处理单元（GPU）的电路板进入市场，由此产生了GPU时代。大约在2011年12月，FPGA的时代开始了，基于现场可编程LEGATE阵列卡（FPGA）的硬件（专门设计用于挖掘比特币）已上市。最后，2013年出现了完全定制的专用应用集成电路（ASIC），大大提高了比特币网络的哈希能力，标志着第四个时代的开始。随着时间的推移，可用的不同挖掘硬件的特点是哈希率不断提高，每个哈希的功耗不断降低，成本不断增加。例如，NVIDIAQuadro NVS 3100M，16核，属于GPU一代，哈希率等于3.6MH/s，功耗等于14 W[16]；ModMiner Quad属于FPGAgeneration，哈希速率等于800 MH/s，功耗等于40 W[16]；Monator（300）属于ASIC一代，哈希速率等于300 GH/s，功耗等于175 W（参见网站https://tradeblock.com/mining/.3.2建模采矿硬件性能我们的工作目标是建模采矿过程的经济性，因此我们忽略了Firstera，当时比特币没有任何货币价值，矿工们几乎免费使用PC上的可用电源。