挖矿实际就是在暴力猜谜，而要猜多少次，全凭全网共识的一个难度值。只有猜出一个数字能使得区块的哈希符合难度，才算答对谜题。
那么这个猜谜游戏由于越来越多人的加入，势必会更快猜出。所以为了维持一个恒定的游戏时间(两周)，每次游戏难度均会根据上次游戏的用时而重新计算。
游戏越来越难，如何抢在别人前面猜出呢？所以开启了抱团团战模式（矿池）加入游戏，使得解谜速度更快也更难。速度与难度总是此消彼长。 这也是为何在2014，2015年后难度值呈几何级数式增长。当然也因解谜的设备（矿机）更新换代越来越快。
比特币难度值Difficulty
难度值在区块中并不记录，仅仅是为了人类直观感受解题难度而演变出的一个浮点数。公式如下：
此处的 difficulty_1_target 为一个常数，非常大的一个数字。表示矿池挖矿最大难度。目标值越小，区块生成难度越大。
难度值如何存储在区块中的
在区块中存储的是Target，但是将Target经类似于浮点数的一种压缩表示法，字段为bits。例如，如果区块bits记录为0x1b0404cb，那么他表示的十六进制的Target值为：
0x0404cb * 2**(8*(0x1b - 3)) = 0x00000000000404CB000000000000000000000000000000000000000000000000
在计算时，后面3个字节0x0404cb作为底，前面1字节0x1b表示次方数。具体压缩过程如下：
- 将数字转换为256进制数
- 如果第一位数字大于127(0x7f),则前面添加0
- 压缩结果中的第一位存放该256进制数的位数
- 后面三个数存放该256进制数的前三位，如果不足三位，则后面补零
例如，将数字1000压缩，先转换为256进制数
1000 = 0x03 * 256 + 0xe8 * 1
那么是由两个数字构成：
03 e8
第一个数未超过0x7f,则不需填0，但长度两位低于三位，在后面补零，最终表示为：
0x0203e800
有比如数字 2^(256-32)-1,转换为256进制为：
ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff
第一位已经超过0x7f,前面添加零：
00 ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff
现在长度为28+1=29 (0x1d),则最终压缩结果为：0x1d00ffffff。此时就用精度缺失，后面的26个ff 被丢弃了，因为总共才4字节，前两字节已经被长度和添加的0所占用，只剩下2个字节来存储数字。如果我们将压缩结果0x1d00ffffff解压，会是原值吗? 实际结果为：
0x00ffff *256** (0x1d - 3) = ff ff 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
而此数为比特币的最大Target值，此时难度最小为1。将其结果前面添加4位0，其结果为：
0x00000000FFFFFF0000000000000000000000000000000000000000000000000000
此最小难度值1，在矿机上一般使用保留尾部的FF，则为：
0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
称上面数字为pool difficulty1 矿池难度1，矿池难度简称pdiff。而比特币客户端表示如此精度，也许是困难的，所以不保留尾部的FF,则结果为：
0x00000000FFFFFF0000000000000000000000000000000000000000000000000000
此值，在客户端上称之为bdiff。
如何查看当前难度值
当前难度值，可以在许多提供服务的网站上查看图表数据：
最大难度值是多少
按公式来看，当current_target=0时diffculty无穷大，标志着难以计算。而实际上current_target不会为0，最小current_traget=1时，难度值最大，接近2^(256-32)。
最小难度值是多少
当current_target=difficulty_1_target 为最大值时，难度值为最小值1
根据难度值如何计算网络算力network hash rate
网络算力，表示根据难度值，要计算多少次才能找到一个随机数使得区块哈希值低于目标值。
由当前目标值Target决定当前难度值 。如果当前难度为D，则根据公式：
因此，为找到一个难度为D区块，我们需计算哈希值的次数为：
目前难度计算速度要求是在10分钟内找到，即在600秒内完全计算，意味着网络算力最低必须是：
依上计算，当难度值D=1时，需要每秒计算7158278次哈希，即： 7.15 Mhahs/s。挖矿的每秒算力计算单位：
- 1 KHash/s = 1000 Hash/s
- 1 MHash/s = 1000 KHash/s
- 1 GHash/s = 1000 MHash/s
- 1 THash/s = 1000 GHash/s
- 1 PHash/s = 1000 THash/s
比特币区块目标值
目标值是一个全网统一的一个256字节的数字，非常大。 最大目标值为0x1d00ffff。
比特币区块被设计为平均每10分钟生成一个新区块。那如何才能维持区块生成速度呢？ 需要动态调整区块难度，而定期自动更新目标值，则可调整难度。所以比特币设计为每隔2016个区块时全网均会自动统计过去2016个区块生成耗时，重新计算出下一个2016个区块的目标值。
按10分钟一个区块生成速度，2016个区块生成时间为2016*10分钟=14天。
目标值计算细节
目标值计算公式如下，但在实际计算时有些特别处理，将目标值控制在一定范围内。
新目标值= 当前目标值 * 实际2016个区块出块时间 / 理论2016个区块出块时间(2周)。
- 判断是否需要更新目标值( 2016的整数倍)，如果不是则继续使用最后一个区块的目标值
- 计算前2016个区块出块用时
- 如果用时低于半周，则按半周计算。防止难度增加4倍以上。
- 如果用时高于8周，则按8周计算。防止难度降低到4倍以下。
- 用时乘以当前难度
- 再除以2周
- 如果超过最大难度限制，则按最大难度处理
计算过程，Go代码如下。点击查看bticoin C++源码
var (
bigOne = big.NewInt(1)
// 最大难度：00000000ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff，2^224，0x1d00ffff
mainPowLimit = new(big.Int).Sub(new(big.Int).Lsh(bigOne, 224), bigOne)
powTargetTimespan = time.Hour * 24 * 14 // 两周
)
func CalculateNextWorkTarget(prev2016block, lastBlock Block) *big.Int {
// 如果新区块(+1)不是2016的整数倍，则不需要更新，仍然是最后一个区块的 bits
if (lastBlock.Head.Height+1)%2016 != 0 {
return CompactToBig(lastBlock.Head.Bits)
}
// 计算 2016个区块出块时间
actualTimespan := lastBlock.Head.Timestamp.Sub(prev2016block.Head.Timestamp)
if actualTimespan < powTargetTimespan/4 {
actualTimespan = powTargetTimespan / 4
} else if actualTimespan > powTargetTimespan*4 {
// 如果超过8周，则按8周计算
actualTimespan = powTargetTimespan * 4
}
lastTarget := CompactToBig(lastBlock.Head.Bits)
// 计算公式： target = lastTarget * actualTime / expectTime
newTarget := new(big.Int).Mul(lastTarget, big.NewInt(int64(actualTimespan.Seconds())))
newTarget.Div(newTarget, big.NewInt(int64(powTargetTimespan.Seconds())))
//超过最多难度，则重置
if newTarget.Cmp(mainPowLimit) > 0 {
newTarget.Set(mainPowLimit)
}
return newTarget
}
测试代码如下，计算的是对高度为497951+1出块时计算的新目标值。
func TestGetTarget(t *testing.T) {
firstTime, _ := time.Parse("2006-01-02 15:04:05", "2017-11-25 03:53:16")
lastTime, _ := time.Parse("2006-01-02 15:04:05", "2017-12-07 00:22:42")
prevB := Block{Head: BlockHeader{Height: 497951, Bits: 0x1800d0f6, Timestamp: lastTime}}
prev2016B := Block{Head: BlockHeader{Height: 495936, Bits: 0x1800d0f6, Timestamp: firstTime}}
result := CalculateNextWorkTarget(prev2016B, prevB)
bits := BigToCompact(result)
if bits != 0x1800b0ed {
t.Fatalf("expect 0x1800b0ed,unexpected %x", bits)
}
}
转载自:https://yushuangqi.com/blog/2017/understand-bitcoin-difficulty.html