PoW（Proof of Work，工作量證明）是區塊鏈技術中基本的、常見的一種共識機制。加密幣中的挖礦，其實就是運用工作量證明來進行的。

 

一、PoW的起源

 

工作量證明最早是一個經濟學名詞，指系統為達到某一目標而設置的衡量機制。通俗來說，就是當你完成一定量的工作后，確認這一工作量的證明。因為監測整個工作的過程是非常的耗時的，而只通過檢驗工作結果來確認工作量，顯然效率要更高。

 

工作量證明系統（或者說協議、函數），是一種應對拒絕服務攻擊和其他服務濫用的經濟對策。它要求發起者進行一定量的運算，也就意味著需要消耗計算機一定的時間。這個概念由Cynthia Dwork 和Moni Naor 1993年在學術論文中首次提出。

 

在1999年，Markus Jakobsson and Ari Juels兩人將pow概念引入計算機體系，工作量證明（PoW）這個名詞，在兩人的文章中被真正提出。起初，PoW被用于抵擋拒絕服務攻擊和網絡爬蟲，后來在反垃圾郵件中被廣泛使用。

 

反垃圾郵件系統哈希現金（Hash Cash），其設計理念是一個正常用戶寫一封郵件是需要一定的時間，而發送垃圾郵件者是無法接受這個等待的時間，PoW系統使垃圾郵件發送者需要更多的時間來發送郵件，增大他們的成本，起到抵擋攻擊的作用。

 

PoW共識機制是基于哈希函數本身復雜的運算，通過給定的初始值和簡單的值遞增規律，利用其碰撞原理，找到特定的碰值，可以通過對碰值的調節，實現對于工作量的調節。

 

二、哈希函數

 

哈希函數（Hash Function）即散列函數，輸入一個x，會得出相應的輸出H（x）。其中，這里的x可以是任意長度的字符串，而輸出的H（x）卻具有固定長度，哈希函數正是將任意長度的數據映射到有限長度的域上。在計算過程上，雖然復雜，但非常高效。

 

比特幣這種加密系統使用的哈希函數，還需要同時具備免碰撞、匿名性、防篡改等特點。

 

免碰撞指的是：如果輸入的x≠y，絕不會出現H（x）=H（y）的情況，即輸入兩個不同的數據塊，其哈希值一般來說也不會相同。理論上相同的可能性并非絕對沒有，但概率極小。所以，對于一個給定的數據塊，要找到與它哈希值相同的數據塊極難。

 

哈希函數的隱匿性是指，對于一個給定的輸出結果H(x)，想要逆推出輸入的x，在計算上是不可能的。

 

而對于數據塊的任何一處小小的改動，哈希值隨之產生的變動都會非常明顯，這一點構成了哈希函數的防篡改特點。

 

同時，在這一函數中，窮舉法是能夠使得哈希值H（x）落在特定范圍的最好方法。在比特幣的區塊鏈上，使用哈希窮舉實現工作量證明能夠擁有隨機和易驗證兩種特性，這兩種特性將于后文中提到。

 

三、工作量證明的原理

 

在工作量證明系統中，客戶端完成一定難度的工作，得出一個結果，驗證者只需通過驗證這個結果就能檢驗客戶端是否做了相應的工作。這種方案的一個核心特征是不對稱性：工作對于請求方是適中的，對于驗證方則是易于驗證的。其工作流程如下：

 

對于任意一串字符，給出了一定的工作量要求，對這串字符進行變更，使其得到具有特定規律的一個結果，若得到這個結果，則驗證通過。為了達到這個目標，需要不斷地對這串字符進行哈希計算，直到計算量達到一定次數時，才能得到要求的變更后的數列。

 

在計算之前，根據工作量要求可以得出預期的計算次數，這個預期的次數和實際不一定完全吻合，但會大體接近，如果重復多次，會發現這確實是一個符合統計學規律的概率事件。而

這里提到的預期計算次數，其實就是要求的工作量。

 

以上是工作量證明的基本原理，比特幣系統中的工作量證明機制與其類似，但更為復雜。

 

四、比特幣的工作量證明

 

在工作量證明的區塊鏈中，系統會根據算力大小來選取打包的節點，對于節點來說，單純的打包和數據上傳非常簡單，不過，系統需要選取一個特定的節點來處理某件事，為了避免眾多節點對同一件事打包而引起不必要的分叉，比特幣通過前文中提到的哈希窮舉，增加打包難度，以延長打包時間。

 

簡言之，就是每個節點都需要在10分鐘內找到一個隨機數，并保證這個隨機數加上上文所說的哈希運算，能夠滿足一定的規律。為了找到這個隨機數，只能通過不斷嘗試新的隨機數，不斷的運算。而隨著運算量的增大，目標范圍也會不斷縮小。

 

哈希窮舉的隨機性和易驗證性在這里體現了出來。首先，即使知道了這個隨機數的范圍，也只能通過大量計算去得到；然后，如果有人找到了隨機數，那么其他節點能夠很容易地檢驗這個結果的正確性。

 

如果算力增強，就需要修改難度以增加計算次數，比特幣中就有修改難度的規則。所以，想要找到這樣一個隨機數，計算量要遠遠大于預期的工作量。

 

為了鼓勵節點不斷地對數據和信息進行打包，比特幣的區塊鏈網絡設置了獎勵，即支付給打包（記賬）節點的獎勵和交易費。

 

打包獎勵是指創建區塊的節點會獲得一定數量的比特幣作為獎勵，獎勵的數量隨著比特幣區塊的生成而減少。

 

交易費即使用比特幣轉賬時支付給記賬節點的費用，這是支持節點工作、維護區塊鏈自動運轉的重要因素。

 

這兩種打包獎勵都是通過工作量證明來進行，在比特幣中也就是為人所熟知的挖礦行為。而衍生而來的礦機，在一開始其實是個人計算機這樣的運算設備，隨著算力的提高，難度的增大，專業礦機誕生。自始至終，算力的競爭從未結束，而難度和算力也在不斷進行博弈。

 

工作量證明的優點是足夠安全、公平和去中心化，其免碰撞、匿名性與不可篡改的特點奠定了比特幣區塊鏈技術的核心；但它的缺點也很明顯，耗時長效率低，算力提高的同時耗費了電力，除了挖礦，這些強大的算力難以轉化成其他資源。

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