比特币 六、挖矿

挖矿就是不断地尝试block header里的nonce，使block header里的hash值小于等于给定的目标阈值，target就是目标阈值，target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所占的比例，比特币用的哈希算法是SHA-256，产生的哈希值是256位的，所以整个输出空间是2的256次方可能个取值，调整的目标空间占输出空间的比例，通俗的说就是哈希值前面要多少个0，比如256位的哈希值，合法的区块要求算出来的哈希前面至少有70个0，当然这是一种通俗的说法，不是特别的准确，因为目标阈值，并不是说前面都是0，从某一个位置开始后面都变成1。所以严格来说还是要按照定义来看，我们听到的另外一种概念就是挖矿难度，挖矿难度和目标阈值是成反比的（difficulty），挖矿难度最小就是1，这个时候对应的目标阈值是一个非常大的数，target越大，挖矿越容易，因为目标空间占的比例非常大

 

那么为什么要调整挖矿难度呢？如果不调整的话会有什么问题？系统中的总算力越来越强，挖矿难度如果保持不变的话，出块时间越来越短。一开始的时候，没用多少人参与比特币游戏的时候，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，可能十秒钟就出一个区块，甚至到最后不到一秒就出一个区块。当然可能有的人觉得这是一个好事，出块时间越来越短，说明发布一个新的交易的话很快就会被写到区块链里，提高了系统的响应时间，如果要是好事的话那实际上没必要把出块时间设置为十分钟了，因为这十分钟本来也是人为设置的参与，出块时间如果过短，这个区块在网络上传播的时间可能需要几十秒，在底层的比特币网络可能需要几十秒才能让其他结点都收到，别的结点在没收到区块之前还是继续沿着已有的区块链往下扩展，如果有两个结点差不多同时都收到区块，这个时候会出现分叉

出块时间如果越来越短的话，这种分叉会成为常态，而已就不仅仅是二分叉，可能会出现很多的分叉，比如说有十个区块差不多同时被挖出来，那么系统中就会出现十分叉。分叉如果过多，对于系统达成共识，是没有好处的，而且也危害到了系统的安全，比特币协议是假设大部分算力掌握在诚实的矿工手里，系统当中总算力越强，安全性就越好，因为你要发动51%攻击所需要的算力就越大，意思就是说有恶意的结点掌握了系统当中51%的算力，这时候他就可以干各种各样的坏事，包括我们前面说的分叉攻击，大部分算力是掌握在诚实的矿工手里的时候，如果想从某一个位置分叉，想让分叉的链比最长合法链要长，这个难度是比较大的，但是如果出现了很多个分叉，这个时候系统里的总算力就被分散了，结点根据在网络中位置的不同，可能会选择沿着很多分叉中的某一个继续往下扩展，而有恶意的结点可以集中算力就扩展他这一部分分叉，这样很快就可以使这一个分叉变成最长合法链，因为好人的算力被分散了，这时候就不需要51%的算力发动攻击了，可能百分之十几就够了，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，那么是不是说，比特币协议中设计的十分钟的出块间隔就是最优的？这个不一定，比如说把他改成八分钟、五分钟，也都是可以的，这个只是说出块时间要有一个常数的波动范围，不能无限的减少下去，有些人觉得比特币中十分钟的出块间隔有点太长了，对于一个支付系统来说，做一个支付，要等那么长时间才能得到确认，这个时间太长了。以太坊里的出块时间就降低到了15秒，所以以太坊的出块速度是比特币的40倍，出块时间大幅度下降之后，以太坊就需要设计一个新的共识机制，叫做GHOST。在这个协议当中，这些分叉产生的orphan block，就不能简单的丢弃掉，而是也要给他们一些奖励（uncle reward），以太坊中同样需要调整挖矿难度使得出块时间保持稳定，所以平均出块时间到底设计成多长，这个没有一定的规定，但是不论设定成多长，都要保持稳定，而不能无限的减少下去。

 

下面讲一下具体怎么调整挖矿难度。比特币协议中规定的是每隔2016个区块要重新调整一下目标阈值，一个区块的出块时间是十分钟，因此这2016个区块大概是两个星期。具体是如何调整的？

target= target * (actual time/expected time)

 

expected time=2016* 10min=2个星期

 

注意：目标阈值和挖矿难度成反比

 

如果实际时间超过2个星期，说明平均下来出块的间隔超过了十分钟，这时候挖矿的难度就应该调的低一点，让出块更容易，(actual time/expected time)大于1 ，target变大，挖矿难度低；反之同理。

 

实际代码中，上调和下调都是有四倍的限制，比如实际时间非常长，超过了八个星期，那么我们算的时候也只按照八个星期来算，这主要是为了避免系统中出现意外情况目标阈值而产生的巨大波动，反之最小减少四倍

 

怎么才能让所有的矿工同时调整目标阈值呢？计算target的方法是写在比特币系统的代码里的，每挖到2016个区块会自动进行调整。这个代码是开源的，所以某个有恶意的结点，到这个时候故意不调整挖矿难度，会产生什么后果？

 

如果不调整，诚实的矿工是不会认可的，block header里的nBits域是target值编码后的结果，检查区块的合法性就无法通过，每一个结点要独立验证发布区块的合法性，检查的内容之一就是检查nBits目标阈值是否合法，如果你投机取巧设一个过大的目标阈值，使得你自己挖矿容易了，但是别人算出来你的nBits设置的不对，这个区块是不会被接受的

 

有些人觉得没有买比特币特别可惜，比特币当初那么便宜的时候怎么没有买，现在回过头你可以说比特币是一个多么伟大的发明，当时多么具有革命性。其实如果你了解历史的话，在比特币之前有很多加密货币都是失败的，比特币出现之前大概有20多年对加密货币的研究历史，这期间的一些研究都没有成功，比特币的成功其实并不是因为它更实用，从某种意义上说是因为它更不实用，以前那些失败的加密货币都是怎么设计的？是设计成它是现实货币的电子支付渠道（网上支付的方法），有一些真的货币，然后这些货币线下流通可以，线上不方便，设计了一个线上的版本。比特币是没有任何真正法币背书的，完全是凭空造出来的货币，中本聪设计这个加密货币的时候，里面有很多参数，出块时间设置成十分钟是不是最好的？每个块最多1M字节是不是合适的？为什么是2016个区块调一次挖矿难度？这些参数是经验参数还是怎么来的？这些参数是合理的，但不一定是最优的，整个比特币系统设置的还是比较保守的，从出块时间、区块大小、支持的脚本语言来说，都是很保守的，比特币社区获得的支持者也是比较保守的，他可能是因为自己有了很多比特币，不愿意危机到他自己的财富

 

下面看一下比特币系统中的一些实际情况

 

下面这张图显示了比特币系统中总算力的变化情况

 

在比特币还没有流行起来之前，有很长一段时间，算力没有什么增长，前面这些年的hash rate看上去几乎是0，贴着x轴，其实这些年算力也是在增长的，只不过是后面这几年算力增长的太快了，所以前面这部分看上去像是一条直线。这几年是加密货币涨的非常猛的一年，这也体现在了hash rate的增长，这几年算力呈现指数级的增长。注意即使是在这段黄金时期，算力也不是单调递增的，中间也是有很多波动，但总的来说是增长的非常快的

 

下面这张图是挖矿难度的变化情况

跟算力的增长基本是同步的，这也符合难度调整的设计目标，通过调整挖矿难度，使得出块时间保持稳定，注意这个图显示的是挖矿难度，不是目标阈值

 

这是最近半年的难度调整曲线，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，比如某个加密货币的难度越调越小，说明挖矿变得越来越容易了，但这不是好事，说明大家对这个币的热情是逐渐减少的，如果持续出现这种情况，一般来说这个币就慢慢不行了

 

 

下图显示的是2010-2018年比特币系统的出块时间

从图中可以看到，总的来说出块时间稳定在十分钟上下震动，说明难度调整达到了预期目的