比特币工作量证明，“法外之地”的法

PoW（Proof of Work，工作量证明）是区块链技术中基本的、常见的一种共识机制。加密币中的挖矿，其实就是运用工作量证明来进行的。

一、PoW的起源

工作量证明最早是一个经济学名词，指系统为达到某一目标而设置的衡量机制。通俗来说，就是当你完成一定量的工作后，确认这一工作量的证明。因为监测整个工作的过程是非常的耗时的，而只通过检验工作结果来确认工作量，显然效率要更高。

工作量证明系统（或者说协议、函数），是一种应对拒绝服务攻击和其他服务滥用的经济对策。它要求发起者进行一定量的运算，也就意味着需要消耗计算机一定的时间。这个概念由Cynthia Dwork 和Moni Naor 1993年在学术论文中首次提出。

在1999年，Markus Jakobsson and Ari Juels两人将pow概念引入计算机体系，工作量证明（PoW）这个名词，在两人的文章中被真正提出。起初，PoW被用于抵挡拒绝服务攻击和网络爬虫，后来在反垃圾邮件中被广泛使用。

反垃圾邮件系统哈希现金（Hash Cash），其设计理念是一个正常用户写一封邮件是需要一定的时间，而发送垃圾邮件者是无法接受这个等待的时间，PoW系统使垃圾邮件发送者需要更多的时间来发送邮件，增大他们的成本，起到抵挡攻击的作用。

PoW共识机制是基于哈希函数本身复杂的运算，通过给定的初始值和简单的值递增规律，利用其碰撞原理，找到特定的碰值，可以通过对碰值的调节，实现对于工作量的调节。

工作量证明

二、哈希函数

哈希函数（Hash Function）即散列函数，输入一个x，会得出相应的输出H（x）。其中，这里的x可以是任意长度的字符串，而输出的H（x）却具有固定长度，哈希函数正是将任意长度的数据映射到有限长度的域上。在计算过程上，虽然复杂，但非常高效。

比特币这种加密系统使用的哈希函数，还需要同时具备免碰撞、匿名性、防篡改等特点。

免碰撞指的是：如果输入的x≠y，绝不会出现H（x）=H（y）的情况，即输入两个不同的数据块，其哈希值一般来说也不会相同。理论上相同的可能性并非绝对没有，但概率极小。所以，对于一个给定的数据块，要找到与它哈希值相同的数据块极难。

哈希函数的隐匿性是指，对于一个给定的输出结果H(x)，想要逆推出输入的x，在计算上是不可能的。

而对于数据块的任何一处小小的改动，哈希值随之产生的变动都会非常明显，这一点构成了哈希函数的防篡改特点。

同时，在这一函数中，穷举法是能够使得哈希值H（x）落在特定范围的最好方法。在比特币的区块链上，使用哈希穷举实现工作量证明能够拥有随机和易验证两种特性，这两种特性将于后文中提到。

三、工作量证明的原理

在工作量证明系统中，客户端完成一定难度的工作，得出一个结果，验证者只需通过验证这个结果就能检验客户端是否做了相应的工作。这种方案的一个核心特征是不对称性：工作对于请求方是适中的，对于验证方则是易于验证的。其工作流程如下：

工作量证明的原理

对于任意一串字符，给出了一定的工作量要求，对这串字符进行变更，使其得到具有特定规律的一个结果，若得到这个结果，则验证通过。为了达到这个目标，需要不断地对这串字符进行哈希计算，直到计算量达到一定次数时，才能得到要求的变更后的数列。

在计算之前，根据工作量要求可以得出预期的计算次数，这个预期的次数和实际不一定完全吻合，但会大体接近，如果重复多次，会发现这确实是一个符合统计学规律的概率事件。而

这里提到的预期计算次数，其实就是要求的工作量。

以上是工作量证明的基本原理，比特币系统中的工作量证明机制与其类似，但更为复杂。

四、比特币的工作量证明

在工作量证明的区块链中，系统会根据算力大小来选取打包的节点，对于节点来说，单纯的打包和数据上传非常简单，不过，系统需要选取一个特定的节点来处理某件事，为了避免众多节点对同一件事打包而引起不必要的分叉，比特币通过前文中提到的哈希穷举，增加打包难度，以延长打包时间。

简言之，就是每个节点都需要在10分钟内找到一个随机数，并保证这个随机数加上上文所说的哈希运算，能够满足一定的规律。为了找到这个随机数，只能通过不断尝试新的随机数，不断的运算。而随着运算量的增大，目标范围也会不断缩小。

比特币的工作量证明

哈希穷举的随机性和易验证性在这里体现了出来。首先，即使知道了这个随机数的范围，也只能通过大量计算去得到；然后，如果有人找到了随机数，那么其他节点能够很容易地检验这个结果的正确性。

如果算力增强，就需要修改难度以增加计算次数，比特币中就有修改难度的规则。所以，想要找到这样一个随机数，计算量要远远大于预期的工作量。

为了鼓励节点不断地对数据和信息进行打包，比特币的区块链网络设置了奖励，即支付给打包（记账）节点的奖励和交易费。

打包奖励是指创建区块的节点会获得一定数量的比特币作为奖励，奖励的数量随着比特币区块的生成而减少。

交易费即使用比特币转账时支付给记账节点的费用，这是支持节点工作、维护区块链自动运转的重要因素。

这两种打包奖励都是通过工作量证明来进行，在比特币中也就是为人所熟知的挖矿行为。而衍生而来的矿机，在一开始其实是个人计算机这样的运算设备，随着算力的提高，难度的增大，专业矿机诞生。自始至终，算力的竞争从未结束，而难度和算力也在不断进行博弈。

工作量证明的优点是足够安全、公平和去中心化，其免碰撞、匿名性与不可篡改的特点奠定了比特币区块链技术的核心；但它的缺点也很明显，耗时长效率低，算力提高的同时耗费了电力，除了挖矿，这些强大的算力难以转化成其他资源。

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