北京大学肖震老师《区块链技术与应用》ETH笔记-8.0 ETH挖矿难度调整

8.0 ETH挖矿难度调整

比特币每 2016 个区块调整一次挖矿难度。 目标是保持大约 10 分钟的平均块生成时间。 在以太坊中，可以调整每个区块的挖矿难度，调整的方式也比较复杂。 此外，还更改了几个版本，包括以太坊的黄皮书和实际代码。 有一些差异。 这部分以我们的代码为准。

8.1 出块难度公式

H：指的是当前块。 Hi：当前区块序号。 D(H)：当前区块的难度。

最大括号中的第一部分称为基本部分。 为了保持出块时间在15s左右，后面的espilon是第二部分，也叫难度炸弹，目的是为了以后过度证明权益。

我们先看第一部分，就是根据父块的难度进行调整。 第一部分的D0是线下难度，无论怎么调整，最低难度都不会低于这个难度。

这里的x是调整的强度，是父块的难度除以2048。无论是向上调整还是向下调整，都是按照这个x整数来调整的。

下面的公式与两个因素有关，一个是出块时间，一个是是否有叔块（即当前开采的前一个父块，是否有叔块）。 因为如果当前挖出的区块的前一个区块包含叔块，货币的流通量会增加，所以当前挖出的区块的难度会增加一个等级。 最大括号中的第一部分可以是正数或负数。 如果为负数，则降低难度，一次最多99个单位。 每个单元是父块难度的 1/2048。 因此，一次性减少的难度最多为99/2048。

y：如果有叔块则y=2，如果没有叔块则y=1。 所以 y 必须是常数。 如果后面的部分大于y，则减法为负，降低难度。 反之，如果后一项小于前一项，则减法为正，增加难度。

Hs是当前块的时间戳，P(H)Hs是父块的时间戳。 这两个区块相减就是区块时间的时间间隔。

假设出块时间在1到8秒之间，除以9向下取整，等于0。假设y=1，最后的答案等于1。表示难度要增加一个单位。

假设出块时间在9到17秒之间，除以9向下取整，等于1。假设y=1，最终答案等于0。说明难度不变。

假设出块时间在18到26秒之间，除以9向下取整，等于2。假设y=1比特币难度下调时间，最后的答案等于-1。 表示难度应该降低一个单位。

如果出块时间非常非常长，那么最终一次性降低难度不会大于99个单位。

8.2 难度炸弹

设计之初，以太坊计划逐步从POW（Proof of Work）转向POS（Proof of Equity），而Proof of Equity不需要挖矿，这就带来了一个问题——那些已经投入大量资金的人在挖矿设备中，矿工们会联合起来抵制这种转换吗？ 从 POW 到 POS 的过渡需要通过硬分叉来实现，这可能会导致社区分裂，以太坊可能会分裂成两条平行链。 早期的以太坊，区块数量少，难度炸弹计算出来的值也小。 难度调整等级基本由难度调整中的自适应难度调整部分决定。 随着挖出的区块越来越多，难度炸弹的威力开始显现，使得挖矿难度越来越大，从而迫使矿工愿意转投POS。

8.3 难度炸弹调整

因为开发者低估了POS设计的难度，所以很久没有设计出来，但难度炸弹的威力已经开始显现，系统的出块时间也逐渐变长。 原本出块需要15秒，后来变成了30秒，但是矿工还是要继续挖。 最后在EIP中决定回滚难度炸弹中的区块号，所以我们可以看到上图中第二项中的假区块号（fake block number）是当前区块号减去三万，相当于回滚区块数三百万。 这降低了生产区块的难度。 当然，为了保持公平，区块奖励也从 5 ETH 减少到 3 ETH。 下图显示了影响难度炸弹难度的难度调整结果：

8.4 以太坊发展的四个阶段

降低难度炸弹也会降低ETH的奖励，因为回调是突然的，不调整奖励对调整前的矿工是不公平的。 本来我很努力，只拿到了5个ETH，突然间难度降低了，别人轻易挖到5个不公平。 与此同时，货币总供应量保持不变。

8.5 具体代码实现

难度计算公式

bigTime：当前区块的时间戳。 bigParentTime：父块的时间戳。

基础部分的计算

难度炸弹计算

为什么要减去 2999999？ 如果当前块号正好是300万，那么父块的序号就是2999999，这里判断父块的序号。 如果满足条件比特币难度下调时间，让父块序号减去2999999，则父块序号为0（块号实际从1开始，逻辑上父块序号变为0），则当前区块序号变为1。

8.6 以太坊实际统计数据（截至2018年）

挖矿难度变化曲线的断崖式下降是难度炸弹的调整，下降前的难度增加呈曲线状。

阻塞时间

前期稳定在15秒左右。 2017年中旬5、6月左右，出块时间开始明显增加，最高达到30秒左右。 最终，虽然挖矿难度回到了之前的水平，但出块时间仍然在15秒左右，可见难度增加的同时，算力也增加了。

实际块示例

最长的合法链也被称为以太坊最难的合法链。 总难度最高的合法链。 每个区块的难度反映了挖出这个区块所需的工作量。 总难度最高意味着挖出这条链的总工作量最大。 挖出区块的工作量比较大。