说说比特币的 “全网难度”
最近被好多朋友问到，怎么理解比特币的“全网难度”，大家都在纠结这个东西是什么、有什么意义，以及它是如何调整的。这篇文章会试着把这几个问题讲明白。
0. 预备知识
请先对区块链、比特币，以及比特币挖矿有一些了解。
1. 区块头结构和挖矿
比特币区块头一共80字节
struct header_structure { // BYTES NAME
uint32_t nVersion; // 4 version
uint8_t hashPrevBlock[32]; // 32 previous block header hash
uint8_t hashMerkleRoot[32]; // 32 merkle root hash
uint32_t nTime; // 4 time
uint32_t nBits; // 4 target
uint32_t nNonce; // 4 nonce
};
简单来说
- 挖矿是矿工互相竞争比特币交易的记账权，谁能最快打出下一个有效区块，谁就能获得新块的coinbase奖励以及区块中所有交易包含的手续费
- “有效区块”的意思是，区块头的SHA256结果要小于等于一个目标值（target）
- 矿工从内存池中按优先级取出一定量的待确认交易，构建Merkle树，树根的Hash值，填充到区块头的
Merkle Root字段 - 矿工不断调整区块头字段的值，目的是构造出一个有效的新区块
- 对区块头做
SHA256运算，如果结果小于等于一个目标值（target），则新块构建成功，广播到全网，随后开始下一次算力竞赛 - 否则，调整区块头部分字段的值（修改
Nonce或者通过调整交易来修改Merkle Root），重新做计算
2. 目标值（target）
区块头中的Bits字段，标识了当前区块头Hash之后要小于等于的目标值（target）。注意，区块头SHA256的结果，有256位，而Bits，只有32位（4字节）。Bits通过如下运算，得到target。以区块277316为例
Bits值为0x1903a30c（十进制为419668748），这个值被存为系数/指数格式，前2位十六进制数字为幂，接下来得6位为系数。在这个区块里，0x19为幂（exponent ），而0x03a30c为系数（coefficient），计算公式为
target = coefficient * 256^(exponent – 3)所以这个区块的target值为
target = 0x03a30c * 256^(0x19 - 3)
= 238,348 * 256^22
= 22,829,202,948,393,929,850,749,706,076,701,368,331,072,452,018,388,575,715,328十六进制为0x0000000000000003a30c00000000000000000000000000000000000000000000
也就是说高度为277316的有效区块的头信息哈希值，要小于等于这个目标值。高度277136区块的Hash值实际为0x0000000000000001b6b9a13b095e96db41c4a928b97ef2d944a9b31b2cc7bdc4
3. 难度（difficulty）
从中本聪的创世区块中可以看到，Bits为0x1d00ffff（十进制为486604799）时，难度（difficulty）为1（注意，区块头中并没有存储difficulty的字段）
根据Bits，算出target为0x00ffff * 256^26，即0x00000000ffff0000000000000000000000000000000000000000000000000000。也就是说，为了构建下一个合法区块，需要不断对块头做SHA256运算，直到找到一个区块头的Hash结果，前32位的值均为0（小于target）
SHA256运算的结果被认为是一致的随机序列，可以说，SHA256的结果中的某一位的值，为0或为1的概率相同。所以做一次计算，满足上述条件（前32位的值均为0）的概率为1 / (2^32)，也就是平均要做2^32次运算，才能找到这个值
为了方便理解，我们把为了使区块头的SHA256结果小于某个目标值（target），平均要尝试的计算次数，定义为难度（difficulty），1 difficulty ≈ 2^32次 = 4294967296次 ≈ 4.2 * 10^9次 ≈ 4G次运算
以前几天的区块501509为例，Bits值为0x18009645（十进制为402691653），target为0x009645 * 256 ^ 21。创世区块的target为0x00ffff * 256 ^ 26，难度为1，所以得到区块501509的难度为
(0x00ffff * 256 ^ 26）/ (0x009645 * 256 ^ 21)
= 65535/38469 * (256^5)
= 1.703579505575918 * 2^40
= 1873105475221.611
≈ 1.87 * 10^12也就是1.87T（1T = 10^12）
综上，可以得出公式
difficulty_当前 = target_创世区块 / target_当前其中，target_创世区块为定值0x00000000ffff0000000000000000000000000000000000000000000000000000，target_当前根据当前区块头中的Bits字段算出
同时，还能得出另一个结论
出块时间(单位：秒) ≈ difficulty_当前 * 2^32 / 全网算力当前比特币全网难度 1.93 T，全网算力 15.32 EH/s（1秒计算15.32E 次Hash），算出来的出块时间约为
1.93T * 2^32 / 15.32EH/s
= 1.93 * 10^12 * 4.295 * 10^9 / 15.32 * 10^18
= 8289.35 * 10^18 / 15.32 * 10^18
≈ 541 秒总结一下
- 难度（difficulty）反映了矿工找到下一个有效区块的难易程度，难度随 区块头目标Hash值（target）的变动而变动，target值越小，难度越大
- 在难度（difficulty）不变的情况下，全网算力越大，出块时间理论上越快
4. 难度（difficulty）的调整
如前所述，区块头目标Hash值（target）决定了难度（difficulty），进而影响比特币的出块时间。根据设计，比特币要保证平均每10分钟的区块生成速度，这是比特币新币发行和交易完成的基础，需要在长期内保持相对稳定。
挖矿设备不断更新、淘汰，矿工不断加入、流失，导致全网算力保持实时变化，但整体来看在不断提高。为了保证比特币的平均出块时间稳定在十分钟，需要定期调整难度。
难度调整逻辑被写在代码中，在每个全节点中独立自动发生。每产生2016个区块，网络中的所有全节点都会调整难度。难度的调整公式是由产生最新2016个区块的花费时长与20160分钟（两周，即这些区块以10分钟一个的速率产生所期望花费的时长）比较得出的。难度是根据实际时长与期望时长的比值进行相应调整的（或变难或变易），简单来说，如果网络发现区块产生速率比10分钟要快时会增加难度。如果发现比10分钟慢时则降低难度。
这个逻辑可以简单表示为
Difficulty_新 = Difficulty_原 * ( 20160分钟 / 产生2016个区块的实际花费时长 )从代码能看到，为了防止难度变的太快，每个周期在调整的时候，如果需要调整的幅度超过4倍，也只会按4倍（难度调成原来的4倍或1/4）调整
unsigned int CalculateNextWorkRequired(const CBlockIndex* pindexLast, int64_t nFirstBlockTime, const Consensus::Params& params)
{
if (params.fPowNoRetargeting)
return pindexLast->nBits;
// Limit adjustment step
int64_t nActualTimespan = pindexLast->GetBlockTime() - nFirstBlockTime;
if (nActualTimespan < params.nPowTargetTimespan/4) // <==== 看这里
nActualTimespan = params.nPowTargetTimespan/4;
if (nActualTimespan > params.nPowTargetTimespan*4) // <==== 看这里
nActualTimespan = params.nPowTargetTimespan*4;
// Retarget
const arith_uint256 bnPowLimit = UintToArith256(params.powLimit);
arith_uint256 bnNew;
bnNew.SetCompact(pindexLast->nBits);
bnNew *= nActualTimespan;
bnNew /= params.nPowTargetTimespan;
if (bnNew > bnPowLimit)
bnNew = bnPowLimit;
return bnNew.GetCompact();
}请再次注意，难度的调整，是通过调整区块头中的Bits字段来实现的，区块头中并没有直接存储全网难度（difficulty）的字段
5. 总结
到这里，相信你已经知道文章开头问题的答案。简单的说，比特币的全网难度（difficulty）
- 反映了矿工找到下一个有效区块的难易程度，难度随 区块头目标Hash值（target）的变化而变化，target值越小，难度越大
- 区块头目标Hash值（target）由
Bits字段的值计算得出 - 定义
Bits值为0x1d00ffff时的难度（difficulty）为1 - 从创世区块起，每产生2016个区块，网络中的所有全节点都会自动调整难度，以保证比特币约十分钟的出块速度
6. 参考
