减半的另一种视角：代码设计与算法优化

摘要：矿业纪事 | 减半的另一种视角：代码设计与算法优化

前言

2020年初btc挖矿算法，减半来临，1月份比特币挖矿难度也大幅提升。 矿工用投入的算力来证明自己对减半的预期依然乐观。 但受疫情影响，矿机厂商推迟生产交付后，矿工和矿场不得不暂停升级矿机，一直上涨的难度值也受到抑制。 这是由于比特币网络本身的难度调整算法。 本文将通过优秀的开源特性，简要分析难度调整算法的内部设置及其在算法中的不断演进。

第六期比特币难度调整算法分析与开发优化

文数：2351篇，阅读时间约3分钟

文本：Chain Kayser 的操作 | 小柴编辑

出品：算力网络挖矿纪事

01 挖矿难度动态平衡

区块认证：区块头，区块头的内部结构包含了很多重要的字段。

如图所示，我们可以看到一个区块头包含了软件版本号（nVersion）、上一个区块的哈希值（hashPrevBlock）、整个区块中交易集的哈希值（hashMerkleRoot）、生成时间（nTime），难度目标（nBits），计数器证明工作量（nNonce）。

在区块头中，没有直接存储全网难度的字段，而是通过nBits字段来标识当前区块头经过哈希运算后小于等于的目标值。 为了方便理解，我们将尝试使区块头的SHA256结果小于某个目标值的平均计算次数定义为难度（difficulty），1难度≈2^32次=4294967296次≈4.2*10 ^9 次 ≈ 4G 操作。

难度是怎么调整的？

图为比特币源代码中设置的一些常量。 比特币挖矿难度值的变化是一个动态调整的过程。 在比特币网络中，每10分钟出一个区块，基本时间设定为2周，每2016个区块调整一次难度。 如果网络发现出块速度快于 10 分钟，则增加难度，反之亦然。

每个挖出的区块都会判断是否需要进入下一个难度循环。 期间挖矿难度为固定值。 如果没有达到，则难度为上一个区块的难度。 图中的return pindexLast -> nBits 代表了这个过程。 并且在到达新的难度周期后，会使用循环for(int i = 0; pindexFirst && i< nInterval-1; i++)期待第2016个区块的时间戳来记录本次生成的2016个区块总数time 在 nActualTimespan 中花费的时间。

同时，为了限制变化速度过快btc挖矿算法，每个调整范围必须小于一个因子（设置为4）。 如果要调整的范围大于该系数，则按该系数进行调整。 由于在下一个2016个区块的周期会继续不平衡，所以下一个周期会做进一步的难度调整。 因此，平衡散列能力和难度的巨大差异可能需要几个 2,016 个块周期才能完成。

挖矿也有小概率事件。 如果大家关注比特币的出块记录，有时候会出现明显小于10分钟或者大于10分钟的出块。 去年 10 月，甚至出现了需要 2 小时才能生成的区块（如红框内）。 挖区块是概率事件，所以有短期连续出块或者长期出块。 通常，区块生成的理论时间为 10 分钟。 观察短期挖矿时间是长了还是短了，意义不大。 通常，观察到平均块生成时间。 造成这种现象的原因可能是部分算力在比特币和BCH挖矿之间来回切换。

这里结合难度调整算法中规定的一些代码，可能更容易理解难度调整整个过程的原理，对比特币的内部规则有一个了解。 同时我也想说，比特币也是人开发出来的系统。 其共识机制、区块设置、激励机制等也都按照规则运行。 这意味着比特币并不完美。 在矿工通过挖矿维护网络安全的同时，比特币也需要改进和优化。

02 困难中比特币难度调整算法优化

比特币继承了开源软件的优良特性，允许社区通过分叉对其进行优化改造，丰富挖矿生态。 这期间出现了大量的分叉币。 比较著名的比特币分叉包括比特币现金（BCH）和BSV（比特币现金分叉）。 BCH和比特币共享相同的挖矿机制，所以难度是一样的。 但是，如果比特币链上的算力远高于BCH，那么BCH想要挖出新的区块就非常困难。 为了防止这种情况发生，设计了 EDA 机制，即：每当矿工需要 12 小时才能找到 6 个或更少的区块时，挖矿难度将降低 20%。 导出的难度算法节省了比特币现金，因为当哈希率较低时，难度也会降低。 同时，通过开源代码和允许分叉，比特币可以实现快速进化，同时尽可能探索可能的发展方向。

面对威胁，分叉网络被迫演化出更完善的难度调整算法来保证安全。 BCH与比特币具有相同的加密算法（SHA256），这就导致了机枪池的出现。 枪池存在的主要原因是BTC和BCH的难度调整跟不上相对价格的变化，所以转挖矿会有一定的利润空间，但是算力的切换和转移会造成网络安全问题。 为了解决智能矿池的问题，BCH早在2017年11月就修改了难度算法，将难度调整算法EDA改进为DAA，让难度调整更快跟上算力波动, 这确保了它的生存。

03 疫情过后，矿业减半前景

近期，矿业受到疫情影响。 在矿机厂商推迟生产和交付后，矿工和矿场不得不暂停升级矿机。 本来，在这个阶段，很多矿工都在逐步淘汰旧矿机，购买新矿机。 但疫情的爆发延缓了矿机的升级，减缓了挖矿难度的增长。

数据显示，2月11日挖矿难度调整为较14天前提升0.52%。 这与 1 月 28 日和 1 月 14 日分别记录的 4.67% 和 7.08% 的增长率相比有显着下降，并且调整后的难度将略高于 15T，这是比特币去年 12 月三次触及该数字大约一年后的数字3,100 美元的低点，难度继续上升，这仍然表明更多的算力正在涌入比特币网络。 这个趋势直到难度值达到15.55T才回落。 也可以猜测，这个难度值是仍在挖矿的老机器提供的算力上限。 疫情结束后，在新的高算力机器进入市场之前，难度将迎来另一波。 上升。

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