区块链是一种公开透明且抗篡改的分散式的公共数字账本技术,如今在虚拟货币、时间戳证明、证据保持等众多领域广泛使用。工作量证明共识算法作为最稳定、最被广泛应用的区块链共识算法,使以比特币为例的众多区块链应用的平均出块时间,在很长一段时间以来都成功地维持在设计值左右。但是由于近年来虚拟货币为首的区块链的应用日渐火爆,市场价值波动明显,越来越多的矿工加入了区块链的挖矿网络。矿工们的每一次加入或是退出操作都直接影响了全网的计算能力,现如今的难度调整算法往往实时性较差,难以及时应对全网算力的剧烈波动,从而导致出块速度大幅度偏离预期值。对于区块链系统而言,出块速率的稳定性直接影响了其服务的稳定性。制约区块链发展的另一个重要的问题是,矿工在使用工作量证明进行挖矿时所采用的计算没有任何实际价值,区块链的挖矿是对电力资源的一种极大的浪费。这两个问题制约了区块链在应用上的进一步发展。本文旨在消除以上两个制约区块链发展的关键问题。针对区块链工作量证明共识难度更新的实时性问题以及挖矿计算的算力浪费问题,对区块链方案进行了研究与改进。本文的主要研究内容如下:1.针对区块链工作量证明共识难度更新的实时性问题,提出了一种以弱工作量证明为基础的,对全网算力变化高度敏感的难度调整算法,并将搭载该实时难度调整算法的共识机制命名为RTPo W（Real-Time Proof-of-Work）。在该方案中,区块链系统通过使矿工主动提交挖掘过程中的弱区块头,并通过弱区块头产生的速率更为精准地估测全网的实时计算能力,并通过计算结果得到实时性更强的实时难度目标。通过测试与模拟,该实时难度调整算法能够使出块速度得以在算力剧烈波动时,依然能够维持与恒定算力环境下相同的稳定性。此外,本文讨论了方案潜在的攻击可能,并逐一提出抵抗算法或解决方案来修补这些漏洞。2.针对区块链这一分布式系统在单主机下模拟实验的困难,本文提出了两种区块链测试框架以支撑上述方案的实验与模拟。针对区块链的共识过程研究,基于mininet虚拟网络拓扑模拟技术提出了一种区块链共识模拟方案;针对区块链系统出块时间的研究,通过在单机环境下对网络通信的模拟以及对挖矿的简化抽象,提出了一种基于时间片轮询的区块链模拟方案,并在低算力的测试环境下实现了对高哈希算力的分布式区块链系统的出块时间模拟。为了方便测试,本文基于Flask以及Materialize Css设计了一种区块链实验平台,在前端使用Echart进行实验结果的实时可视化,并利用matplotlib库实现了测试结果的可视化与导出。3.针对工作量证明的算力浪费问题,本文提出了工作量证明通用共识算力回收方案。本文提出了有效负载哈希,并以此为基础设计了一种防串通、公开透明的区块链外包计算平台。在该方案中,通过改造工作量证明中的哈希算法结构,在其中插入具有一定特征并有实际意义的运算负载,实现了能够被用作工作量证明且同时进行工作计算的有效负载哈希。本文基于区块链、非对称加密以及磁力链接分布式下载技术实现了区块链外包计算平台,填补了有效负载哈希的潜在作弊可能。区块链外包计算平台和有效负载哈希算法共同构成了工作量证明通用共识算力回收方案。为了测试算力回收方案的算力回收率,本文选用了大矩阵计算作为测试中的工作负载,完善了配套的算法设计,并最终在实验中达到了50%的算力回收率,即算力回收方案在选用大矩阵计算作为工作负载时能够将一半的挖矿算力投入有意义的工作负载之中。