一文读懂比特币挖矿难度调整

自 2009 年 1 月比特币诞生到 2020 年 11 月，已经有 250 次难度增加，只有 53 次难度降低。

作者：Samantha Ouyang
翻译 / 编辑：Sherrie

当我第一次了解比特币挖矿的时候，我认为它很简单，就像坐在家里，做着我想做的事情，而我的电脑会投入工作，在我睡觉的时候赚钱。

但不完全是。事实证明，还有很多原因使得上述情况完全不可能发生。

但为了理解其中的原因，我们首先必须理解挖矿的整个概念，以及它在加密货币方面的意义。

挖矿是什么？

从本质上讲，挖矿就是创建新的区块，用交易记录填充它们，并将它们添加到区块链中，让每个人都能看到，并就特定的货币是如何使用的这件事达成一致。

然而，为了添加一个区块，矿工必须解决一个「加密谜题」，或者用更专业的术语来说，他们必须得到一个有效的块 Hash。

我不会讲太多的 Hash 函数相关的知识，但简单地说，Hash 是拿到区块的所有信息，然后把它处理，直到它返回一个与此前内容没有任何关系的随机的字母和数字 64 位十六进制数。

如果你改变了区块上的任何数据，随机数将会有很大的不同，但如果什么都没有改变，它将总是返回相同的内容。

但是如何知道 Hash 值是否有效呢？这就是难度目标的由来。目标描述一个阈值，并且要使 Hash 有效，该值必须小于目标。

你可能会问，如果不能更改交易信息，如何获得不同的 Hash 值呢？在创建 Hash 时，区块中还有另一个因素要考虑进去——你可以修改它，它被称为 nonce。

资料来源：Khaled Salah

矿工们一直在为了这个数字努力，直到输出的 Hash 值小于目标值。因为 Hash 值是随机的，所以目标越低，就越难找到一个有效的 Hash 值。就像掷骰子一样，掷一个小于 3 的数字比掷一个小于 4 的数字更难。

那么你如何确定目标的价值呢？这个问题的答案就是我们今天要讨论的话题：挖矿难度。

什么是挖矿难度？

这是不言自明的，但是挖矿的难度仅仅是指为区块找到一个有效的 Hash 值有多么困难和耗时。一个更好的问题应该是，为什么挖矿一开始就需要有难度 ？

区块链的全部意义在于在网络中的多个个体之间建立共识，也就是说在一个真理上达成一致。它们是如何做到这一点的呢？它们取网络中最长的有效链，这取决于向它投入了多少工作（计算 Hash 值所花费的时间），并接受它作为构建的主链。

有了这个难度 ，就可以确保网络的安全性，因为它可以防止欺诈。如果添加区块很容易，那么有人可能会发送欺诈**易，然后向网络发送垃圾邮件，以创建他们自己的最长链。然而，由于挖矿困难，为了防止垃圾信息，添加块的过程变慢，平均需要 10 分钟来挖矿一个块。

这里的棘手之处在于，攻击者可以通过寻找增加算力的方法轻松绕过这一困难。幸运的是，我们提前想好了，想出了一种方法让系统控制困难。

挖矿难度如何确定？

定期调整难度，以确保总是平均需要 10 分钟来挖矿一个区块。在每添加 2016 个区块后，系统会查看创建这些 2016 个区块所花的时间。正常情况下，需要 2 周左右，或 20160 分钟。如果超过两周，难度就会降低，如果不到两周，难度就会增加。难度可以如下确定。

推导出新难度的公式

正如你可以从反比函数中看到的，如果花费的时间超过 2 周，分数将小于 1，新难度将会减少。如果花的时间超过 2 周，分数就会大于 1，新的难度就会增加。

如果难度降低，目标值就会增加，从而更容易找到有效的散列，反之亦然。**目标值为 1，由此可见难度也与目标值成反比。

难度与目标的关系

为了防止突然的变化，难度的增加或减少不能在一次调整中超过 4 倍。

但回到我们如何想出目标的问题上，我们需要探索影响挖矿区块所需时间的不同因素。

有两件事可能会影响这段时间：算力和网络中个体的数量。

算力

在比特币的早期，你可能已经能够成功地进行挖矿，就像我过去认为的人们所做的那样——用他们的个人电脑。然而，矿工很快被迫升级。

由于挖矿本质上是一场竞赛，人们竞相首先找到 Hash 值并获得奖励，那些拥有更强大计算机的人将能够在同一时间内做出更多计算结果，因此获胜的机会也会更高。

升级一开始只是简单的从 CPU 到显卡的转换，但近年来，升级的幅度要大得多，现在所谓的 ASIC(特定应用集成电路)–一种专门为挖矿而设计的器件–已经是能够参与竞争所需的**限度。

但即便如此，你也不太可能赚到任何东西。目前，你可能需要 40 年才可以挖矿一个区块。如果你想赚钱，你可能必须加入一个矿池——矿工们联合起来增加他们获胜的可能性。

考虑到所有这些进步和计算机不断变得越来越快的事实，为了跟上它们并保持 10 分钟的平均速度，挖矿难度必须补偿这一点。

网络的规模

等等，但我们并不是每两周就有更快的电脑，对吧？虽然计算机的不断改进是需要调整机制的主要原因，但该系统也对网络中的个体数量进行了补偿。

矿工越多，找到一个有效 Hash 值所花的时间就越少，因为在相同的时间内会进行更多的计算结果。因此，当有更多矿工在场时，困难增加，当矿工更少时，困难减少。

总结

所以回到我们一开始的地方–在今天这个时代，用你的 PC 挖比特币几乎是不可能的，原因是由于设备升级和网络规模增大所做的补偿，导致挖矿难度不断增加。你的 PC 根本没有算力再跟上其他人的脚步，所以你能够成功挖出一个区块的几率非常非常低。

即使系统的设计是为了降低难度，但很少会这样做。更快、更强大的设备不断被开发出来，同时越来越多的人加入了比特币网络。事实上，自 2009 年 1 月比特币诞生到 2020 年 11 月，已经有 250 次难度增加，只有 53 次难度降低。