BTC: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？

金色午报 | 7月14日午间重要动态一览:7:00-12:00关键词：以太坊、巴拉圭法案、核能矿场

1.巴西证监会批准拉丁美洲首个以太坊ETF；

2.巴拉圭法案将要求加密货币在税务部注册并监管加密挖矿及交易；

3.Visa批准第一张用于消费比特币的实体借记卡；

4.安徽省全面清理关停虚拟货币挖矿项目；

5.报告：中国2020年国区块链产业规模达到27.8亿元，增速为33.7%；

6.美国参议院预算委员会民主党人就3.5万亿美元支出和税收计划达成共识；

7.电力公司Talen Energy在美国建设300兆瓦核能加密矿场和数据中心；

8.以太坊信标链首个升级 Altair 已从 Alpha 版本转变为 Beta 版本。[2021/7/14 0:50:34]

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。

金色沙龙 | MXC集团副总裁：衍生品交易满足了一大批现用户和潜在用户交易需求:今日举行的金色沙龙圆桌讨论中，针对“目前越来越多的衍生品交易所出现，主要原因有哪些”的问题，MXC集团副总裁Henry表示，一方面数字资产交易市场越来越成熟了，第二衍生品交易其实满足了一大批现用户和潜在用户交易需求，有需求。第三，数字资产平台推陈出新，瞄准当前交易品种和用户需求痛点出手，也是适应了市场发展方向。[2020/2/26]

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。

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。

分析 | 金色盘面：BTC/USD 30分钟中轨遇阻:金色盘面综合分析：BTC/USD 30分钟在上升通道中轨遇到阻力，短线注意控制风险。[2018/8/16]

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：

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：

金色财经现场报道 Ray：全球化布局是保证在媒体竞争中脱颖而出的基础条件:Cointime US的CEO：Ray Zhang在2018 Global Token Galaxy会议现场表示：在同质化非常严重的媒体竞争环境中想要脱颖而出，需要真正在新闻现场有记者去报道新闻，而不是看别的媒体的新闻来改写自己的新闻，而这就涉及到了媒体的全球化布局。[2018/5/28]

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

金色财经现场报道 世纪资本CEO孙捷：区块链技术与智能化是大势所趋:金色财经现场报道，在2018全球区块链精英峰会上，进行以《区块链投资产业的风险与机遇》为题的圆桌谈论，世纪资本CEO孙捷指出：投资有两个风险，一个是币价涨跌的风险，如果说我囤积的币是在低位买入，那我们关注的就是涨跌，第二个就是项目投资本身面临的风险。有刚需、有应用的项目会更好一些。现在有利于从业者长期工作，现在数字货币的币值没有在高位，二级市场投资者有更大的机会，很多的空气币也失去了生存空间，之后再做的项目必须要有真刀真的东西，项目要么要有天然的流量，要么有刚性的需求，好项目将在这段时间里进一步凸显，行业洗牌之后，项目的生存空间变得更好。金融、游戏、溯源、医疗、食品等项目，将可以因为区块链技术获得更好的风控，国家也对此表示支持。从大趋势来看，产业资本基金会参与很多的项目，区块链风口一出现的时候，我们就进行了投资，因为它从理念到应用层面，都会对生产关系造成影响，我们要看看这项技术能不能提高效率、降低成本，如果能，就值得投资。不论现在有没有泡沫，或者如何波动，区块链都还处于1.0版本的阶段，新技术的与思路的发展会伴随人类社会的进步，如果我们想成为金字塔，就要尽早进入行业，区块链技术与智能化是大势所趋，我们可以在波动中学习，寻找自己的定位。[2018/4/28]

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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