区块链学习笔记6——比特币的挖矿难度调整

六、比特币的挖矿难度调整

H(block header)<=target

target越小，挖矿难度越大，调整挖矿难度，就是调整挖矿空间在整个输出空间中所占的比例，比特币中用的哈希算法是SHA-256，这个产生的哈希值是256位，所以整个输出空间是2的256次方。调整比例通俗地来说就是，哈希值前面有多少个零，假如是256位的哈希值，要是合法的区块，前面至少有70个零，这只是通俗的说法。严格的话，还是按照定义去看这个问题。

挖矿难度跟目标域值成反比

difficulty_1_target：是指挖矿难度等于1的时候所对应的目标域值

挖矿难度最小就是1，对应的目标域值是个非常大的数，对于H(block header)<=target就是target越大，挖矿是越容易的，因为目标空间占的比例非常大。用这个很大的数除以当前的目标域值得到的就是当前的挖矿难度。

调整挖矿难度的原因

如果不调整挖矿难度，会有什么问题

系统里的总算力越来越强，挖矿难度保持不变的话，出块时间是越来越短的，一开始没有多少人参与比特币游戏，可能按照设计是十分钟出一个区块，后来参与的人多了，变成一分钟就能出一个区块，再到后来挖矿的人越来越多，用的设备越来越先进，可能只要十秒钟就出一个区块，甚至到最后不到一秒就出一个区块，出块时间会越来越短。

出块时间越来越短会有什么问题吗？

比如说，不到一秒钟就出一个区块，在网络上传播的时间可能需要几十秒，才能被其他节点收到，那么别的节点在没有收到这个区块之前呢，还是继续沿着已有的区块链往下扩展。如果有两个节点，差不多同时都发布了一个区块，这个时候会出现分叉。

就是两个节点同时挖到矿，这两个区块被同时发布出来，就出现了一个二分叉

那么如果出块时间越来越短的话，这种分叉会成为常态，而且就不仅仅是二分叉，可能出现很多的分叉，比如说，如果有十个区块差不多同时都被挖出来了，那么这个系统中会出现一个十分叉

分叉如果过多的话，对于系统达成共识，是没有好处的，而且也危害了系统的安全性，比特币协议是假设大部分算力掌握在诚实的节点手里，系统中的总算力越强，安全性就越好，因为要发动51%的攻击所需要的算力就越大，这个叫做51% attack,意思就是有恶意的节点掌握系统当中51%以上的算力，这时候就可以干各种坏事，包括分叉攻击，比如说在第三个区块中有一笔交易A->B一大笔比特币，转了很多钱，假设后面跟着六个确认区块，就经过六个确认之后，B就认为这个转账交易已经成功了，这个时候，A从接着第二个区块开始分叉，回滚这个交易，把钱转给他自己，正常情况下，这个攻击的难度是比较大的，如果大部分算力是掌握在诚实的矿工手里，想要回滚的这个链比上一个链长，是有一定难度的，但是如果出现了很多个分叉，那么这个时候，系统当中的总算力就被分散了，假设出现了十个分叉，那么节点根据在网络中位置的不同，可能会选择沿着其中某个分叉继续扩展

而这个有恶意的节点，可以集中算力就扩展他这个分叉，这样很快就会使这个分叉变成最长合法链，因为好人的算力被分散了，所以这个时候可能就不需要51%的算力才能发动攻击，可能百分之十几的算力就够了

所以出块时间不是越短越好，当然了，出块时间不是越短越好，是不是说，比特币协议中设计的十分钟的出块间隔就是最优的呢，这个不一定，比如，如果把他改成八分钟，五分钟行不行，应该都是可以的，这个只是说出块时间要有一个常熟的波动范围，不能无限的减小下去，有的人觉得比特币中的十分钟出块间隔有点太长了，对于一个支付系统来说，做一个支付，要等那么长的时间才能得到确认，这个时间间隔太长了，后面会讲到以太坊，以太坊里的出块时间就降低到了十五秒，所以以太坊的出快速度是比特币的40倍，这个出块时间大幅度下降之后，以太坊就要设计一个新的共识协议叫ghost,在这个协议当中，这些分叉产生的叫orphan block，这些orphan block不能简单的丢弃掉，而是你要给它一些奖励，这个叫做uncle reward。

以太坊中同样也需要调整挖矿难度，保持出块稳定，他降到十五秒后，这个十五秒也要保持不变，这个出块时间到底设置成多长，这个没有一定之规，但是不论设置成多长，都要保持稳定，不能无限制的减小下去。

怎么调整挖矿难度

比特币协议中规定的是，每隔2016个区块，要重新调一下目标域值

，大概是每两个星期调整一下

具体是怎么调整呢

是有一个公式的

这里的expected time 就是2016 x 10(就是两个星期)，理想情况下，每十分钟产生一个区块，产生2016个区块就要这么多的时间，这是他预期的时间。

actual time 是最近系统中产生2016个区块实际花费的时间。

这个公式的意思是，如果实际时间超过了两星期，说明平均下来出块间隔超过了十分钟，这个时候应该把挖矿难度调低一点，让出块更容易，这个时候，actual time /expected time 是大于1的，乘完之后，target会变大，挖矿难度就降下来了。如果实际时间是小于两星期的，说明出块速度太快了，这个时候应该提高挖矿难度，actual time /expected time 就会小于1的，和target相乘之后，target就变小了，挖矿难度就变大了。

实际代码当中，上调和下调都是有4倍的限制的，比如这个实际时间非常长超过了八个星期，算的时候也只按照八个星期来算，这个时候，目标域值最大也是增大4倍，不会一次性超过4倍，这个是避免系统中产生意外情况，导致这个目标域值特别大的作用，相反这个实际时间非常短，不到半个星期，这个时候，也按照半个星期来算，最多也是减小4倍。

怎么让所有的矿工同时调整目标域值呢，因为是去中心化的系统，怎么才能让大家听话，都调呢，如果你不调的话，你发布的区块，诚实的矿工是不会认的，nBits是target的编码的版本，就是在block header里，没有直接存储target，因为这个target是256位的，直接存的话要32个字节，而nBits只有四个字节，可以认为是他的压缩编码，如果遇到有恶意的矿工，该调的时候，他不调，那么这个时候检查这个区块的合法性就通不过，因为每个节点要发布区块的合法性，检查的就包括这个nBits目标域值设的对不对，如果投机取巧，设一个过大的目标域值，使得你自己挖矿很容易，但是别人算出来，你这个设的不对，这个区块是不会被接收的。

这张图显示了比特币系统中总算力的系统情况，在比特币没有流行起来之前，有很长一段时间，算力没有得到增长，前面这几年，看上去都是贴着x轴，其中也有增长，只不过是后面这几年算力增长太快了，所以前面这部分看上去像是一条直线

后面这几年几乎成指数级的增长，可以看出，算力也不是单调递增的，中间也有很多波动，但总的来说是增长得非常快的

这是挖矿难度的变化情况，跟算力增长基本上是同步，这也符合难度调整的设立目标，通过调整挖矿难度使得出块时间保持稳定

这是最近的难度调整曲线，可以看出很明显是一段一段的，每隔两个星期，难度上一个台阶，说明挖矿的人越来越多，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，如果出现相反的情况，比如加密货币的挖矿难度越调越小，说明挖矿变得越来越容易，说明大家对币的热情是逐渐减少的，如果持续出现这种情况，这个币就慢慢不行了

这个图显示的每天的出块时间，2011~2018,可以看到总的出块时间在十分钟上下振动，说明难度调整达到了预期目的

这是2018上半年的出块时间，也是按天做的平均，也是维持在十分钟左右