通过源码学习比特币原理--难度目标与难度调整

随着比特币网络算力指数级的增长，挖矿的难度也随之增大，以保证每十分钟生成一个区块。

难度目标：
hashTarget = CBigNum().SetCompact(pblock->nBits).getuint256();
nBits每2016个区块根据出块速度调整一次，其计算函数如下：

unsigned int GetNextWorkRequired(const CBlockIndex* pindexLast)
{
    const unsigned int nTargetTimespan = 14 * 24 * 60 * 60; // two weeks 单位秒
    const unsigned int nTargetSpacing = 10 * 60;  //理想状态 每10分钟生成一个区块
    const unsigned int nInterval = nTargetTimespan / nTargetSpacing;  //每2016个区块调整一次难度 

    // Genesis block
    if (pindexLast == NULL)  //创世区块采用系统定义的最小难度值
        return bnProofOfWorkLimit.GetCompact();

    // Only change once per interval                                                           
    if ((pindexLast->nHeight+1) % nInterval != 0)
        return pindexLast->nBits;

    // Go back by what we want to be 14 days worth of blocks
    const CBlockIndex* pindexFirst = pindexLast; //pindexFirst 指向2016个区块之前的区块
    for (int i = 0; pindexFirst && i < nInterval-1; i++)
        pindexFirst = pindexFirst->pprev;
    assert(pindexFirst);

    // Limit adjustment step
    unsigned int nActualTimespan = pindexLast->nTime - pindexFirst->nTime;  // nActualTimespan 生成最近2016个区块所用的时间
    printf("  nActualTimespan = %d  before bounds\n", nActualTimespan);
    if (nActualTimespan < nTargetTimespan/4)    //限定nActualTimespan 最小最大值
        nActualTimespan = nTargetTimespan/4;
    if (nActualTimespan > nTargetTimespan*4)
        nActualTimespan = nTargetTimespan*4;

    // Retarget
    CBigNum bnNew;
    bnNew.SetCompact(pindexLast->nBits); //新的难度值 = 旧难度值 * （nActualTimespan/nTargetTimespan）
    bnNew *= nActualTimespan;  // bnNew 数值与难度成反比
    bnNew /= nTargetTimespan;

    if (bnNew > bnProofOfWorkLimit)  //bnProofOfWorkLimit 最小难度值
        bnNew = bnProofOfWorkLimit;

    /// debug print
    printf("\n\n\nGetNextWorkRequired RETARGET *****\n");
    printf("nTargetTimespan = %d    nActualTimespan = %d\n", nTargetTimespan, nActualTimespan);
    printf("Before: %08x  %s\n", pindexLast->nBits, CBigNum().SetCompact(pindexLast->nBits).getuint256().ToString().c_str());
    printf("After:  %08x  %s\n", bnNew.GetCompact(), bnNew.getuint256().ToString().c_str());

    return bnNew.GetCompact();     //返回新的难度对应的 nBits 值
}

矿工节点每次构造新区块时都会调用上面的函数算出当前的难度值，然后在对新区快头进行hash运算 以得出符合条件的nNonce值

nBits：存放在区块头 占4字节，第一个字节为幂，后三个字节为底数
target = CBigNum.setCompact(nBits)
nBits = target.getCompact()
难度值target 是一个CBigNum对象

• CBigNum

CBigNum是openssl库中定义的BIGNUM的包装类。公钥密码学需要能够处理非常大的整数。标准的数据类型无法满足要求。BIGNUM可以存放任意长度的整型。
CBigNum类的结构并不复杂。它是由一堆不同类型构造BIGNUM的构造器组成，包括char，short，int，long，int64，int256，它们unsigned版本和vector<unsigned char>等。它同样重构操作符，例如加、减、乘、除、位操作等。所有的实际工作代理给了BIGNUM类行。大部分CBigNum的代码仅仅是为BIGNUM的函数准备输入数据。

    CBigNum& SetCompact(unsigned int nCompact)
    {
        unsigned int nSize = nCompact >> 24;
        std::vector<unsigned char> vch(4 + nSize);
        vch[3] = nSize;
        if (nSize >= 1) vch[4] = (nCompact >> 16) & 0xff;
        if (nSize >= 2) vch[5] = (nCompact >> 8) & 0xff;
        if (nSize >= 3) vch[6] = (nCompact >> 0) & 0xff;
        BN_mpi2bn(&vch[0], vch.size(), this); //调用openssl库函数
        return *this;
    }
    unsigned int GetCompact() const
    {
        unsigned int nSize = BN_bn2mpi(this, NULL);
        std::vector<unsigned char> vch(nSize);
        nSize -= 4;
        BN_bn2mpi(this, &vch[0]);
        unsigned int nCompact = nSize << 24;
        if (nSize >= 1) nCompact |= (vch[4] << 16);
        if (nSize >= 2) nCompact |= (vch[5] << 8);
        if (nSize >= 3) nCompact |= (vch[6] << 0);
        return nCompact;
    }