[北大肖臻-区块链技术与应用笔记]第五/六节课——BTC网络的工作原理与难度的调整

一、BTC网络层工作原理概述

BTC区块链运行在应用层，其网络层是一个P2P网络。

BTC网络中的P2P网络是很简单的，所有结点之间都是对等的，没有超级结点（super node或master node）。要加入这个网络，至少要有一个种子结点（seed node），和种子结点联系，它会告知它所知道的网络中的其它结点。结点之间通过TCP来通信，有利于穿透防火墙。要离开网络也不必通知其它结点，只需要直接退出应用程序，其它结点一直没有听到你的消息，过一段时间就会将你删除掉。

BTC网络的设计原则是简单、鲁棒，而不是高效。每个结点维护一个邻居结点的集合，消息在网络中采用flooding方式传播，结点第一次听到某个消息，会将它传播给所有邻居结点，同时记录一下自己已经收到过这个消息了，下一次再收到这个消息时就不用再转发给邻居节点了。邻居结点的选取是随机的，没有考虑底层的拓扑结构。比如越南的一个结点可能和美国的一个结点是邻居结点。这样设计的好处是增强鲁棒性，牺牲了效率。

二、传播

新交易的传播

BTC网络中，每个结点要维护一个等待上链的交易的集合，这个集合中的交易都是要写入区块链的合法的交易，结点第一次收到这个交易的时候就会把它写入这个集合，并转发给所有邻居。

如果有两个有冲突的交易，几乎同时发布到网络上，每个结点根据其位置的不同，可能先收到的交易是不同的，那么另一个交易对于这个结点而言就是非法的了，不会被收纳到集合中。

如上图，结点先听到A->B的消息，将其加入到自己的交易集合中，不加入A->C，如果接下来收到一个新发布的区块。其中包含A->B，说明这个交易已经上链了，所以要将其删除掉。如果这个结点收到的新发布的区块中的交易是A->C，这时也要将集合中的A->B删除掉，因为检查可以发现此时集合中的A->B这个交易是非法交易，因为它和新发布的区块中的A->C这个交易冲突了。

也就是说要看接收A->B交易的结点先获得记账权，还是接收A->C交易的结点先获得记账权。

best effort：一个交易发布到BTC网络上，未必所有结点都能收到（有的结点不一定按照BTC协议的要求来转发，可能合法的不转发，不合法的又转发了），而且不同结点收到交易的顺序也很可能是不一样的（网络传输中的延迟可能很大）。这是一个去中心化的系统中要面临的实际问题，只能尽力而为。

新区块的传播

和新发布的交易的传播方式是类似的，不过每个结点除了要检查区块的内容是不是合法的，还要检查区块是不是在最长合法链上。

越大的区块在网络上传播越慢，BTC协议要求区块大小不能超过1M，因为BTC网络的效率比较低，一个1M大小的区块可能要几十秒才能传播给BTC网络上的大多数结点。

三、BTC的mining难度

mining难度介绍

BTC中的mining就是不断尝试区块块头中的nonce和extra nonce的值，使得：
$H(\text{block\ header})\le \text{target}$
目标阈值target越小，则mining的难度就越大。所以调整mining难度就是在调整target，以调整目标空间在整个输出空间中所占的比例。

BTC中使用的哈希函数是SHA-256，产生的哈希值是256位的，所以整个输出空间是 $2^{256}$ ，调整目标空间所占的比例，在这个问题里直观的来看就是最后得到的哈希值前面有多少位0（这只是通俗直观来看的），这个0越多显然值就越小，也就是mining难度越大了。

所以mining难度跟目标阈值成反比
$difficulty=\frac{difficulty\_1\_target}{target}$
difficulty_1_target是指mining难度difficulty定义为1时所对应的目标阈值target的值。mining难度最小就是1，所以这个常量也就是target允许的最大值。

为什么要调整

系统中的总算力越来越强，如果mining难度保持不变，那么平均出块时间会越来越短，这会造成一些问题。假设平均出块时间减小到了1秒钟，也就是每隔1秒左右就有一个新的区块携带一些列交易被发布到BTC网络上，而在BTC网络上这个区块传播给大多数结点可能就要几十秒。如果有两个结点几乎同时发布了区块，那么就会出现分叉：
在这里插入图片描述

如果出块时间很短，就会导致这种分叉成为常态。而且不仅仅是二分叉，可能会出现很多分叉：10分叉都有可能。

分叉过多对BTC系统达成共识没有好处，并且会危害BTC系统的安全性，BTC假设大部分算力存放在诚实的结点中。如果出块时间很短，就会导致分叉过多（因为相比于出块时间，可以认为网络上传输的时间变长了），这样诚实结点的算力就被分散了，这时恶意结点要进行51% attack很可能就不需要50%以上的算力了，可能百分之十几就足够了，这样大大降低了BTC系统的安全性。

在这里插入图片描述

实际上，BTC中的平均出块时间未必是最优的，后面要学的以太坊的出块时间就降低到了15秒。大幅降低了出块时间，所以以太坊就要设计一个新的共识协议——GHOST。在这个协议中，分叉产生的orphan block不能简单丢弃掉，而是也要给予一些奖励——uncle reward。

所以，在不同的区块链帐本系统中，不管出块时间设计成多长，都要使其保持稳定，而不能允许它无限减少下去。

如何调整mining难度

BTC协议中规定，每隔2016个区块（大约每2个星期）要重新调整一下目标阈值target，具体的迭代更新公式是：
$target=target\times \frac{actual\ time}{expectual\ time}$
expected time就是预期的两次调整的间隔时间，即2016乘以10分钟；而actual time是系统中产生最近的2016个区块实际花费的时间。

实际的时间越大，就越需要降低难度，即提高target；实际的时间越小，就越需要提高难度，即降低target

为了避免系统中出现某些意外情况，导致系统出现非常大的波动，每次对目标阈值target的调整最大不能超过4倍，最小不能小于1/4

恶意结点不调整target

target是写在BTC系统的代码里的，代码也都是开源的，如果有结点到了该调整的时候不调整target怎么办。这也是一个大部分结点诚实的问题，**如果不调整target，那么发布的区块块头里的4字节nBits域（32字节的target压缩编码后的版本）**就不是正确的，诚实的结点不会接收这样的区块。