区块链技术与应用——BTC挖矿难度

什么是调整挖矿难度？

挖矿就是不断尝试nonce，使整个block header中的哈希值小于等于给定的目标阈值 target。H（block header） <= target。

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。比特币中的hash算法是SHA-256，整个输出空间是2^256个可能取值。通俗的说，调整目标空间占整个输出空间的比例，就是哈希值前面要多少个0，但不是完全准确。

挖矿难度 difficulty与目标阈值 target成反比。difficulty = difficulty_1_target（挖矿难度位1时所对应的阈值） / target（当前的目标阈值）。difficulty最小就是1，此时的target是非常大的数。

为什么调整挖矿难度？

系统总算力越来越强，如果难度不变，出块时间将会越来越短。一个区块传播给大多数节点所需要的时间大约是几十秒，如果出块时间缩短，如几秒钟一个，那么会很容易出现分叉。分叉过多，系统不易达成共识，威胁系统安全性。

假设大部分算力掌握在诚实的人手里。系统中总算力越强，安全性越好，因为要发动51%攻击所需要的算力也就越大。但是如果出现过多分叉，系统中的总算力就会被分散，恶意节点集中算力扩展自己的分叉，很快就可以成为最长链，此时可能不再需要51%算力才能发动攻击，攻击成本大大降低。

如何调整挖矿难度？

每2016个区块调一下阈值 target。（2016*10min）/（60min*24h）= 14天。也就是每14天调整一下阈值 target。

    target = target *（actual time / expected time）
    difficulty = difficulty *（expected time / actual time）

其中actual time就是指的系统中产生的最近的2016个区块实际花费的时间 time spent mining the last 2016 blocks。expected time就是指的2016*10min，也就是14天。

如果最近2016个区块产生的时间超过14天，说明平均每一个区块的出块时间超过10min，这时候挖矿难度应该降低。如果实际时间小于14天，说明出块太快，这时候应该提高挖矿难度。实际代码中，上调或下调都有4倍的限制。比如实际时间非常长，超过8周，那么算的时候也按照8周来算，最多增大4倍。相反如果实际时间很短，不到半周，那么算的时候按照半周来算，最小也是1/4。
如何让所有矿工同时调整目标阈值？

计算target的方法是写在比特币系统的代码中，每挖到2016个区块，会自动进行调整，代码开源。如果有的恶意节点故意不调，那么发布的区块，诚实矿工不会认同。block header中不直接存储target，因为它是256位的，nBits域在header中只有4位，可以认为是target的压缩编码。如果有恶意矿工不调难度，那么在检查区块合法性（nBits域）就不会通过。
系统实际情况举例：（截止到18年，图片来源于视频）

 

 
这张图显示的是09-18年比特币系统中总算力的情况。没有流行之前很长一段时间没有明显增长，后面几年增长较快，呈现指数级的增长。但是即使在这段期间，算力也不是单调递增，中间有波动，但是总体是增长很快的。

这个是09-18年挖矿难度的变化情况。与算力增长几乎同步，通过调整挖矿难度，使得出块时间保持稳定。

这个图显示的是10-18年每天的出块时间。总的来说出块时间稳定在10分钟上下震动，说明难度调整达到了预期目的。

挖矿难度计算公式