06-BTC-挖矿难度

免责声明：本文为重点笔记，简介及系列笔记收录在专题：区块链技术与应用

目标预值越小，挖矿难度越大。 调整挖矿难度就是调整目标空间在整个输出空间中的比例。

比特币使用的哈希算法是 SHA-256，它产生 256 位的哈希值。 所以整个输出空间是2的256次方。 调整这个比例，即目标空间与输出空间的比例。 通俗地说，就是哈希值前面0的个数。 例如，对于一个256位的哈希值，如果它是一个合法的块，则要求计算出的哈希值前面至少有70个零。 当然这只是通俗的说法，因为这个目标预值并不是说前面全是0，从某个位置开始，后面就变成1了。

挖矿难度与目标预值成反比，公式为：difficulty=difficulty_1_target / target。 以上是指挖矿难度等于1时对应的目标预值，最小挖矿难度为1，此时对应的目标预值是一个非常大的数。

也就是说，目标越大，就越容易被挖掘。 所以公式中一个非常大的数，除以当前的目标预值，就是当前的挖矿难度。 所以难度和目标大小是成反比的。

为什么要调整挖矿难度？ 如果不调整会有什么问题？ 系统的总算力越来越强，如果挖矿难度不变，出块时间会越来越短。

出块时间越来越短，会不会有什么问题？

例如，如果一个块在不到一秒的时间内产生，则该块可能需要数十秒才能在网络上传播，而底层比特币网络可能需要数十秒才能被其他节点接收。 在其他节点收到这个块之前btc难度调整，它们会沿着现有的区块链继续扩展。 如果两个节点同时发布一个区块，此时就会发生分叉。

如果出块时间越来越短，这种分叉就会成为常态，不仅会出现两个分叉，还可能出现很多个分叉。 比如同时挖出10个区块，那么系统中可能会有10个分叉。

如果分叉太多，不利于系统达成共识，还会危及系统的安全。 比特币协议假定大部分计算能力掌握在诚实的矿工手中。 系统的总算力越强，安全性越好，因为恶意节点更难控制51%的算力。 如果它有51%的算力，它就可以做很多坏事，比如分叉攻击。

如果未来有很多分叉，前一个区块中的某笔交易很可能被分叉攻击，恶意节点会试图回滚。 因为未来分叉很多，算力会分散，恶意节点得逞的概率更大。 这时候恶意节点不需要51%的算力，也许10%的算力就够了，所以出块时间越短越好。

10 分钟的出块时间是否最优？ 不确定。 也可以将其更改为其他值。 有个区间只是说应该有一个恒定的区间。 以太坊系统出块时间缩短为15s，因此以太坊出块速度是比特币的40倍。

在出块时间急剧下降后，以太坊会设计一个新的协议，叫做 ghost。 在这个协议中，这些分叉产生的孤儿块，即最长合法链产生后的另一个要丢弃的块，不能简单地丢弃，但也会给予一些奖励。 这叫叔叔赏赐。 以太坊还需要调整挖矿难度，使出块时间保持在 15s。

说完为什么要调整挖矿难度，现在我们来说说如何调整挖矿难度。 比特币协议规定目标预值每2016个区块调整一次，大约每两周调整一次。

具体调整公式：目标=目标×（实际时间/预计时间）。 实际时间是指实际生成2016个区块所花费的时间，预期时间是指生成2016个区块的理论时间，即2016×10min。

如果实际花费时间超过两周，平均出块时间超过10分钟。 那么这个时候应该降低挖矿的难度，这样应该会更容易出块。 所以这个公式计算出来的目标会变大，难度也会降低。

事实上，上调和下调都有四倍的限制。 如果实际时间超过8周，那么我们在计算公式的时候只能按4倍计算，目标预增值最多只能增加4倍。

那么如何让所有矿工同时调整目标预估值呢？ 计算目标的方法写在比特币系统的代码中，每挖出2016个区块就会自动调整。 如果恶意节点故意不调整会怎样？

如果一个节点失调并发布了区块，诚实节点将无法识别它。 nBits 是目标的编码版本。 区块头中没有直接存放目标的字段，因为目标的字段是256位，直接存放目标需要32个字节。 nBits在头部只有四个字节，所以可以认为是对目标的压缩编码。

如果遇到恶意矿工，如果该调整的时候不调整，那么就无法检查区块的合法性。 因为每个节点独立验证发布区块的合法性。 检查的内容包括：nBits，目标预置值是否设置正确。 如果你投机设计了一个过大的目标预值，让你更容易自己挖矿，但是这个区块是不会被接受的。

哈希率

上图显示了比特币系统中总算力的变化。 在比特币流行之前，有很长一段时间算力没有大幅提升。 前几年算力几乎为0，其实这几年算力也在增长，只是这几年算力增长太快，所以前面部分看起来像一条直线。 近几年涨的很猛，这也体现在算力的增长上，算力呈指数级增长。 即使在这个黄金时期，算力也不是单调增长的，中间有很多波动。

一直都困难

上图是挖矿难度的变化，与算力的增长基本同步，也符合难度调整的设计目标。 通过调整挖矿难度，出块时间保持稳定。 请注意，此图显示的是挖矿难度，而不是目标预估值。

180天难度曲线

上图是180天的难度调整曲线，可以看出明显是分段的。 每两周，难度就上升一个档次，说明挖矿的人越来越多，使用的设备越来越先进，反映出大家对比特币的热情越来越高。 如果相反，比如某个加密货币的挖矿难度越来越小，说明挖矿越来越容易。 但这并不是什么好事，说明大家对币的热情在逐渐降低。 这种情况继续表明该币将被淘汰。

每日出块时间

上图显示了每天的区块生成时间。 可以看出，一般情况下，出块时间稳定在10分钟左右，震荡。

180 天出块时间

上图为半年出块时间，同样维持在10分钟左右。

挖矿难度公式

上图显示了挖矿难度的公式。

挖矿难度公式：下一个难度=上一个难度*两周/挖出前2016个区块的时间。 （注：前面的男

公式是目标预置值的公式，两者成反比btc难度调整，不要混淆）