北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》公开课笔记(七)：BTC挖矿难度调整

之前有提到过，在比特币系统中，区块链的出块时间保持在平均10min左右。毫无疑问的是，伴随着参与挖矿的人增多，系统总算力不断增强，挖矿的难度绝对不能一成不变。实际上，在比特币系统开发过程中，中本聪便考虑到了这个问题，并设计了一个相应的难度调整算法。这一篇，便了解一下比特币系统中的挖矿难度调整算法。

为什么要调整挖矿难度

之前已经提过，挖矿本质上就是不断调整block header中的nonce值，使整个block header的哈希值小于等于给定的目标阈值。即：H(block header)<=target.（target便是目标阈值，target越小，目标难度就越大）对于挖矿难度的调整，可以视为调整目标空间在整个输出空间中所占比例大小。

比特币系统采用的哈希算法为SHA-256，所以整个输出空间大小为2^256，调整目标空间所占比例，简单的说需要目标值前需要多少个0。如下图，挖矿难度和target是成反比的，挖矿难度最小等于1

如果不调整挖矿难度会怎么样？

系统总算力越来越强，若挖矿难度保持不变，则出块时间会越来越短。

出块时间越来越短是好事吗？

出块时间缩短，那么交易可以很快便被写入区块链，并且提高了系统响应时间，增加了区块链系统效率。但是，出块时间并不是越短越好。出块时间太短，也会造成一定的问题。首先，区块在网络上传播具有时延，假如出块时间为1秒，但网络传播需要10秒，则会使得系统中节点经常性处于不一致的状态，增加了系统不稳定性，且系统经常性位于分叉状态（不仅二分叉，乃至多分叉）。分叉过多，则不利于系统达成共识，且会造成算力分散，使得黑客攻击成本大大降低(不再需要整个系统51%的算力)。比如下图，恶意节点想要回滚A->B的交易，由于系统中分叉较多，导致算力分散，恶意节点可以集中算力挖下面那一条链的矿，导致其实不需要51%的算力即可成为最长合法链，使得分叉攻击门槛变得越来越低。

10min的出块间隔是最优吗？

当然不是，但可以确定的是，系统出块时间需要维持在一个定值附近。后续文章中会介绍以太坊，以太坊中平均出块时间仅为15秒左右，但同样在以太坊中也有相应难度调整算法维持其平均出块时间，当然15s的时间明显会产生经常性的分叉，所以以太坊设计了新的共识协议Ghost。
当然，对于一个交易系统来说，10min这样一个交易时间是比较长的。但对于跨国交易来说，这个时间反而大大缩短了交易时间，减少了相应成本。

BTC系统如何调整挖矿难度

在BTC协议中规定，每隔2016个区块需要调整一次难度，根据10min产生一个新区块可以得到，大概需要14天的时间。具体调整公式如下：

所以会根据actual time 动态的调整tartget，而且有一个约束：单次调整幅度不超过四倍：也就是单次最多将target扩大四倍或者缩小四倍

如何让所有矿工都愿意调整这个挖矿难度呢？

这一调整算法在代码中已经写入，如果有恶意节点故意不调，其所产生的区块不会被大多数诚实的节点承认。
在block header中有一个nbits的域，它是对target的编码存储（target为256位，nbits为32位，也就是说block header并未直接存储target），其他节点在进行合法性验证时候会验证nbits域是否合法，不合法则对该区块不予以承认。

在比特币之前大概有20年的加密货币研究，但基本都是失败的，比特币成功并不是因为他更实用，从某种意义上来说是他更不实用。以前加密货币设计都是想着作为现实货币的电子版本，所以有所局限。

你可能会有疑问，为什么一个区块最大1M，为什么出块时间也设置成10min，为什么每隔2016个区块就要调整一次target，这些数字是怎么来的，这个只能我们自己猜测，不过从现实来看，比特币的这些参数设置是比较合理的，同时比特币的设计总的来说是比较保守的，所以会出现以太坊等新的加密货币