金色硬核 | BTC出块时间出现差异：理论与实际对比

金色财经近期推出金色硬核（Hardcore）栏目，为读者提供热门项目介绍或者深度解读。本期金色硬核（Hardcore）探讨了BTC出块时间的问题，将理论和实际相结合，究竟出块时间有多符合预期？

BTC出块时间出现差异：理论与实际对比

BTC区块时间戳历史分布情况究竟有多符合预期？

本周，我收到了一些消息提醒，这些提醒都是关于一个时不时会出现的问题：

“BTC区块链两个小时都不能挖到一个块的情况多久会出现一次呢？昨晚，我偶然发现了在区块670637和638之间出现了这个状况。”

这让我陷入了思考，我不禁想到在过去12年中，BTC区块时间戳历史分布情况究竟有多符合预期？

我之前也对BTC时间戳机制进行过讨论，有充分理由认为BTC的安全性很高，其时间戳背后的博弈论机制也非常完美。

幸运的是，你如果有一个节点的话，就能很轻松地循环访问所有BTC区块头，查看它们的时间戳。为此，我写了个脚本，我的笔记本电脑只用了5分钟就查看了所有的时间戳。

请注意，为了方便测量数据，BTC区块链中第100个区块之前都被我排除了，因为BTC诞生之初，矿工数量很少，发生了一些很特殊的状况。

聚币Jubi Elite 已于12月10日18:00开启MW打新申购:据官方消息，聚币Jubi Elite 已于2020年12月10日18:00（UTC+8）上线MW打新申购，申购限时22小时，申购价1MW=0.0498USDT，所有用户均可参与。每个UID可申请500USDT等值的MW额度，每多持有10JT，可多申购1USDT；人人节点每存入10JT，可多申购1USDT。

MW将于2020年12月10日20:00上线聚币。 镜像网络（Mirror World Network）是一个结合区块链与分布式存储的文件系统，旨在提供高质量低价格的文件存储服务，构建易用、可用的分布式落地应用。[2020/12/9 14:43:25]

结果表明，有190个区块在前一个区块出块后106分钟才被挖出，占迄今挖出的67万个区块中的0.0028%，非常接近0.0025%的预期值！这个结果很容易通过计算得出，但只能代表某个特定时间段内出块时间的差值分布情况。

深层次分析

如果要对这个问题进行深入思考，Felix?Weiss已经解决了这个问题，他提供了一种方法，能够确定在前一个区块挖出后的特定时间段内应该挖出的区块数量。

这个数量能够通过计算指数分布的累积分布函数得出。

但就出块时间的差值而言，怎样才能其整个历史分布状况与预期分布进行对比呢？为了解决这个问题，我们需要利用指数分布的概率密度函数，这个函数可以通过f(x;λ) =?λe^-(λx)进行建模。针对出块时间问题，x等于上个区块出块后的某个时间点，λ作为率参数，等于1/600（即目标出块时间），概率密度函数用线性方式表示如下图：

BKEX Global Staking锁仓挖矿明日16:00开启DIP矿池:据BKEX Global公告，BKEX Global Staking锁仓挖矿将于2020年10月24日16:00（UTC+8）开启DIP矿池，解锁周期为7天。

Staking锁仓挖矿指在特定加密货币钱包中存入代币从而支持该区块链网络运营的一种行为，权益证明（PoS）机制下该质押行为会得到代币奖励。用户通过锁定一定期限数字资产，获得收益，锁仓期间不支持提现和交易（可随时解锁锁仓资产），适用于长期持币的用户，收益较高。[2020/10/23]

我在写这篇文章的同时也绘制出了670000区块之后所有区块的预期分布状况，与上图的形状很相似。

于是我收集了脚本的数据，并将其放入了以下这个表格中：

显而易见的是，下图的x轴用对数表示更加合理，否则数据会过于分散，而观察不到一些有趣的现象。

不同挖矿时期

出块时间的预期分布是基于哈希率恒定不变的假设。但根据BTC的发展历史，其哈希率不可能是恒定不变的。

所以我选取了三个时期进行分析。

1.?CPU时代：哈希率相对平稳。

2.?GPU时代：哈希率加速上升。

ASIC时代：哈希率增速相对较缓

CPU时代

在CPU时代，对于出块时间少于10分钟的区块，实际数量比预期少，为什么会出现这种情况呢？我将在下文进行解释。

GPU时代

请注意，在GPU时代，情况截然相反，实际数量比预期要多，最可能是因为哈希率加速上升。

ASIC时代

在早期ASIC时代，BTC哈希率有大幅上升，我特地选取了距离当今较近的时间段，这样数据不会受到很大影响。我们能从上图看出，BTC出块数量仍然多于预期，但是不能够与GPU时代相比。

整个挖矿时代

如果将670000个区块的数据全部绘制成一张图表会是怎么样的呢？根据下图，实际出块时间与预期是非常吻合的，除了图中左边的部分。

根据上图，我们能得知，父区块挖出后29秒内出块的数量远低于预期，对此有没有合理的解释呢？

深入研究

在这个时间戳范围内的预期出块数量为30497。

另一方面，实际出块数量是22441。

那么为什么出块数量会相差8056？

我们发现，14296个区块的增量是负数，其中有3549个属于-29到0的区间范围内，那么剩下还有大约6000个区块，下文将会对这6000个区块进行详细分析。

通过绘制负增量的时间戳分布情况，我们能得出，下图基本上是正增量分布情况的镜像。

这是因为BTC协议允许负时间戳增量的存在，但这不是根本原因，我们要考虑到实际挖矿的工作过程：

1.?矿池会为下一个区块生成区块元。

2.?矿工向矿池发出工作请求，开始对区块元进行哈希计算。

3.?矿工将完成的工作返回给矿池，形成工作量证明。

所以问题就变成了：区块元的产生频率是多少？时间戳多久更新一次？

但是，我认为背后的答案更加复杂，因为矿工也有可能更新时间戳，这就牵涉到了研究特定ASIC应用的硬件或者固件。

上文提到，还剩下大约6000个时间戳增量是负的区块，对这些区块有合理的解释吗？我认为理论上是能够解释的，原因可能是时钟漂移或挖矿软件没有得到很好的适配。如果你了解BTC挖矿历史的话，早期矿工没有组成矿池，都是单独挖矿。所以矿工配置不能达到企业级别，这些业余矿工无法保证矿机数据与权威渠道定期同步。早期矿池都是由业余挖矿爱好者而不是全职专业人士运营。我认为，如果我的理论合理，那么随着挖矿产业逐渐成熟，矿池软件得到改进，时钟漂移出现的频率也在下降。所以我运行了另外一个脚本，按照时间绘制了时间戳增量为负的区块分布情况图。

根据上图，我们能看出，不仅时间戳增量为负的区块数量在减少，时钟漂移问题也逐渐得到改善，值得特别注意的是，自2017年底后，只有少数区块的时间戳增量为负。

总结

BTC大部分运行机制都基于数学原理。通过分析实际出块时间的分布情况，我们能发现，在过去12年中，10分钟出块时间这个机制运行非常良好，只出现过很少的极端情况，背后的原因也很容易找到。挖矿也形成了产业化，挖矿软件得到逐步改善，出块时间分布状况越来越符合预期。

这就是数学的力量！

本文内容来自于：Cypherpunk Cogitations

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