【区块链学习笔记】6：比特币挖矿难度调整

挖矿难度

挖矿就是不断尝试区块头中nonce和extra nonce的值，这样：

H(blockheader)≤targetH(block\header)\leq targetH(blockheader)≤target

显然，目标阈值越小，越难挖掘。因此，调整挖掘难度就是调整目标，调整目标空间在整个输出空间中的比例。

比特币使用的哈希函数是SHA-256，生成的哈希值是256位，所以整个输出空间是22562^{256}2256。在这个问题中调整目标空间的比例是直观的。看看最终的hash值前面有多少个0（这只是一个通俗直观的观点，可能第一个非0位小于4），0越多，值越小，也就是采矿变得更加困难。

挖掘难度与目标阈值的大小成反比：

难度=difficulty_1_targettargetdifficulty = \frac{difficulty\_1\_target}{target}difficulty=targetdifficulty_1_target​

上式中的常数difficult_1_target是指当挖矿难度定义为1时，目标阈值target的值。最小挖矿难度为1，所以这个常数是目标允许的最大值。

为什么要调整挖矿难度？

系统中的总计算能力越来越强。如果挖矿难度保持不变，平均出块时间会越来越短，会造成一些问题。

假设平均出块时间减少到 1 秒，即每隔 1 秒左右，在比特币网络上发布一个包含一系列交易的新区块，而在比特币网络上，这个区块传播到大大多数节点可能需要几十秒。如果两个节点几乎同时发布块，就会发生分叉：

这是一种二叉分叉的情况，如果出块时间很短，就会导致这种分叉成为常态。而且不只是两个叉子，可能有很多叉子。

分叉过多不利于比特币系统达成共识，会危及比特币系统的安全。比如上面提到的分叉攻击，在正常情况下，由于大部分节点都是诚实的，恶意节点想要利用这段时间中心化算力计算出来的新链，在6次确认后覆盖最长的合法链。上链很困难，因为诚实的节点也将他们的计算能力集中在扩展最长的合法链上。如果出块时间很短，会导致分叉太多（因为相比出块时间，可以认为网络上的传输时间变长了），这样诚实节点的算力就会是分散的，并且是恶意的 对于一个节点执行 51% 攻击，

比特币10分钟的平均出块时间可能不是最优的，以太坊的出块时间（后面会学到）减少到15秒。出块时间大大减少，因此以太坊不得不设计一个新的共识协议——GHOST。在这个协议中，分叉产生的孤块不能简单地丢弃，还必须给予一定的奖励——叔叔奖励。

总之比特币难度调整，在不同的区块链账本系统中，无论出块时间设计多长比特币难度调整，都尽量保持稳定，而不是让它随着系统总算力的增加而无限减少。

如何调整挖矿难度？

比特币协议规定，目标阈值目标应每 2016 个区块（大约每 2 周）重新调整一次。具体的迭代更新公式为：

target=target×actualtimeexpectedtimetarget = target \times \frac{actual\ time}{expected\ time}target=target×expectedtimeactualtime​

这里，预期时间是两次调整之间的预期间隔，即2016乘以10分钟；而实际时间是在系统中生成最新的2016块所需的实际时间。

为避免系统出现一些意外情况，导致系统波动非常大，每次对目标阈值target的最大调整不能超过4次，最小不能小于14\frac{1}{4 }41​. 即上式中的actualtimeexpectedtime\frac{actual\ time}{expected\ time}expectedtimeactualtime​即使超过4也被4使用，小于14也仅被14\frac{使用\frac{ 1}{4}41​ 1}{4}41​使用。

恶意节点不调整目标怎么办

目标是用比特币系统的代码编写的，代码也是开源的。如果有一个节点在该调整的时候没有调整目标怎么办。对于大多数节点来说，这也是一个诚实的问题。如果不调整目标，则已发布的块头（目标的 32 字节压缩版本）中的 4 字节 nBits 字段是不正确的，诚实节点。此类区块将不被接受。