PoW挖矿原理：一文读懂工作量证明

理解区块链：深入探讨工作量证明（PoW）

提到区块链，很多人会立刻想到比特币和它的中本聪共识。但要真正理解工作量证明（PoW）的精髓，我们需要更深入地研究这种共识机制的可持续实现方式。

简单来说，工作量证明（PoW）是一种共识算法，主要用于防止 51% 攻击和双重支付。像比特币这样的加密货币，正是利用 PoW 共识来确认交易，并将新的区块添加到区块链中。在 PoW 机制下，矿工们需要竞赛般地完成网络上的交易验证，以此来换取奖励。

什么是工作量证明（PoW）？

工作量证明是目前为止加密货币领域最受欢迎的共识机制之一。它不仅能帮助区块链同步区块、维护安全，还能决定区块链网络中哪个节点有权添加下一个区块。PoW 的核心在于，网络中的节点需要通过解决复杂的数学难题来“工作”，以此证明自己的付出。而第一个解决问题并验证交易的节点，将会获得加密货币奖励。

工作量证明（PoW）如何运作？

正如 Nathaniel Popper 在他的著作《数字黄金》中描述的那样，解决数学难题，从而在网络中添加区块的过程，被称为“挖矿”。Popper 认为，这种“挖矿”所需的资源和能源，与传统采矿行业在本质上是等同的。

简单来说，在 PoW 网络中，节点（也就是矿工）会争相解决复杂的数学问题。第一个解决问题并验证交易的矿工，将获得加密货币奖励。同时，PoW 机制也用于保护网络和处理交易。比特币就是使用 PoW 的最著名例子。

工作量证明如何应用于区块链？

区块链的工作量证明共识算法，是最早也是最流行的共识机制之一。它之所以如此受欢迎，很大程度上是因为它能够在去中心化的生态系统中促进诚实行为。尽管可能存在其他算法，但 PoW 仍然是实现拜占庭容错 (BFT) 目标的一种有效方式。

BFT 指的是系统能够承受与拜占庭将军问题相关的故障。这意味着即使部分节点（或矿工）试图破坏共识，网络也能正常运行。PoW 算法正是通过让节点解决复杂的数学问题来验证网络中的区块，从而实现 BFT。

第一个找到问题答案的节点，将获得共识许可，并可以选择一个区块添加到区块链中。作为回报，该节点将获得代币奖励。例如，在比特币网络中，奖励以 BTC 形式发放。

总的来说，PoW 共识创造了一个相对健康、透明的封闭经济，激励用户持续维护生态系统。

PoW 涉及哪些数学问题？

这些复杂的数学问题涉及各种不常见的算术难题，需要大量的计算能力才能解决。

例如，它们可能包括：

• 哈希函数： 通过输入生成具有特定长度的随机输出。哈希值（或目标值）决定了谁能成功“挖出”区块。
• 整数因式分解： 将合数分解为更小的整数，并结合素数限制和乘法。
• 应急拼图协议： 在需要定义顺序的 DoS 攻击中保护网络。这种方法不是解决函数问题，而是寻找根本原因。

每次成功验证一个区块，都会给予奖励以补偿付出的努力。然而，随着网络的发展，可扩展性和安全性成为主要挑战。哈希算力与谜题的复杂性同步增长。因此，人们开始研究权益证明（PoS）等机制，以弥补工作量证明的不足。

谁创立了工作量证明？

PoW 共识早在比特币网络出现之前就已存在。最早的 PoW 算法可以追溯到 1993 年，当时 Moni Naor 和 Cynthia Dwork 发表了一篇关于如何阻止 DoS 攻击的文章，探讨了该算法在防止欺诈方面的潜力及其长期可持续性。

在 Satoshi Nakamoto 公开讨论比特币区块链中的 PoW 算法之前，计算机科学家和密码学活动家 Hal Finney（Harold Thomas Finney II）于 2004 年推出了另一个系统，称为 RPoW（可重复使用的工作量证明）。该系统通过接收不可交换或不可替代的基于 Hashcash 的工作量证明代币来工作，并创建一个 RSA 签名的代币，然后可以在用户之间转移。

工作量证明算法的另一个早期例子是 Adam Back 的 HashCash，它要求发件人在发送电子邮件之前执行少量计算，从而减少垃圾邮件。

PoW 与比特币的中本聪共识有何关系？

PoW 采用一种模型，其中节点解决数学难题以生成添加到网络的下一个区块。区块领导者的选择方式类似于抽奖，与他们为该过程贡献的计算能力（即哈希能力）直接相关。PoW 共识模型主要有两个参与者：矿工和全节点运营商。

矿工

参与计算的节点称为矿工，解决问题的过程称为挖矿。矿工社区需要完成大量工作来解决每个难题。一旦一个节点创建了一个区块，PoW 机制就能让其他节点轻松验证导致解决方案的过程。

节点

节点需要花费大量时间进行繁琐的计算，这会消耗大量电力，对环境造成不利影响。网络中的去中心化节点必须使用单个矿工的工作量证明机制来验证“挖掘”以获得奖励的区块链加密货币。

验证者

基于加密证明和比特币的共识规则，全节点运营商充当网络状态的最终验证者。全节点客户端也可以是矿工，并拒绝网络上的无效区块和交易。在工作量证明共识机制下，验证者在区块链网络中批准交易平均需要 40 到 60 分钟。

PoW 有多安全？

工作量证明算法非常安全，因为它能有效抵御 BFT 攻击。每个区块的哈希值都包含前一个区块的哈希值，这增加了安全性，并防止了工作量证明区块链上的任何区块违规行为。

要更改一个区块，矿工需要创建一个与前一个区块相同的新区块，并重新生成所有后续区块，重做它们所持有的工作。因此，区块链可以避免安全篡改。

PoW 的优缺点

优点

• 能有效防御 DDoS 攻击
• 公平透明
• 矿工持有的加密货币比例低的影响
• 能激发公众对维护健康网络的兴趣

缺点

• 购买计算机专业设备、外围设备和电源的成本很高
• 谜题非常复杂，在教育或日常任务中没有实际价值，仅对验证区块有用
• 可能导致区块链更加中心化，而非去中心化
• 随着回报不再具有吸引力，挖矿可能会逐渐消失

哪些货币使用工作量证明？

比特币仍然是使用 PoW 共识的最受欢迎的货币。此外，还有许多其他货币也使用这种算法。在减半之前，比特币仍然有利可图，但许多矿工现在正在寻找替代方案，因为开采区块的成本越来越高，难度也越来越大。

那么，哪些加密货币最适合挖矿呢？以下是一些例子：

• 莱特币： 与比特币类似，莱特币也采用隔离见证，通过从网络中删除数据来增加区块大小限制。莱特币与比特币的不同之处在于其更快的交易速度和更低的成本。
• DASH： 以加密领域更快、更私密的交易而自豪。即时交易是矿工在 DASH 上投入时间的一大优势。
• Monero： 这是另一种使用 PoW 共识的流行山寨币。作为一种开源加密货币，Monero 专注于通过公共账本实现可互换性、隐私性、透明度和去中心化。
• 比特币现金： 是比特币网络硬分叉产生的一种衍生山寨币。尽管比特币现金采用看似安全的共识机制 PoW，但它却是 51% 攻击中受害最严重的受害者之一。
• ZCash： 与其他加密货币不同，它旨在通过匿名性提供隐私。Zcash 网络使用与比特币相同的工作量证明 SHA-256 哈希函数。
• 以太坊经典： 尽管以太坊 2.0 已转向 PoS，但以太坊经典仍在使用 PoW 共识来保护其网络。然而，由于它只是一条少数链，因此以太坊经典更容易受到 51% 攻击并导致代币双重支付。

权益证明比工作量证明更好吗？

近年来，在加密领域，关于权益证明 (PoS) 的争论愈演愈烈。在比较 PoS 与 PoW 时，许多专家认为 PoS 无疑优于 PoW。反对 PoW 的主要论点之一是它需要大量的计算能力，这非常耗能，会对环境产生负面影响。以比特币为例，维护比特币网络所需的平均能源量比整个瑞士国家使用的能源量还要多。

此外，PoW 共识存在较高的中心化风险，该共识在链上交易执行的性能容量和可扩展性方面都受到了质疑。

总体来说，PoS 算法也为用户提供了更好的经济利益，允许他们运行主节点或参与。从长远来看，它可能更公平，更可持续。

质押证明与工作证明有何区别？

质押证明（PoS）是工作证明（PoW）的替代选择。 PoS 不需要矿工来解决复杂的数学问题。相反，根据节点的质押或持有的加密货币数量，选择节点来向区块链添加新区块。质押证明比工作证明更节能，因为它不需要那么多的计算能力。