区块链技术与应用-07-BTC-挖矿难度

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

之前已经提到过，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。
之前有提及，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。当然挖矿的难度和目标阈值成反比，如下图所示，其中difficulty_1_target为是挖矿难度为1时候的target，即最小挖矿难度。

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。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）。
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。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，这个时间反而打打缩短了交易时间，减少了响应成本。

BTC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产生一个新区快可以得到，大概需要14天的时间。具体调整公式如下：

可见，如果实际时间比较长，target会比较大，相应的挖矿难度会降低；如果实际时间比较短，target会比较小，相应的挖矿难度会增大。
当然，上调和下调都是有4倍的限制。例如：实际最近2016个区块出块时间超过8个星期（正常2个星期），计算也只按照8个星期计算；实际最近2016个区块出块时间小于0.5个星期（正常2个星期），计算也只按照0.5个星期计算。这样是为了防止网络中出现黑天鹅事件。
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写入，如果有恶意节点故意不调，其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），其他节点在惊醒合法性验证的时候会验证nbits域是否合法，不合法则对该区块不予承认。