区块链技术科普:什么是工作证明(PoW)？PoW如何运作？

人们通常是通过比特币背后的“中本聪共识”来认识区块链的。不过，如果想真正理解工作量证明（Proof of Work），还是得仔细看看可持续的 PoW 方案到底是怎样实现的。

简单说，矿工用计算机去解复杂的数学题，以此验证交易并为区块链添加新区块。工作量证明是加密货币世界里最主流的共识算法，比特币从 2009 年诞生起就一直用它。

什么是工作量证明（PoW）？

工作量证明可以说是目前业界最流行的共识机制。它帮助区块链同步区块、维持安全，同时决定网络里哪个节点有资格添加下一个区块。工作证明要求网络中的节点通过解决复杂的数学问题来“展示”自己的工作成果——也就是证明自己确实付出了计算劳动。第一个解出题目、验证完交易的节点，就会拿到加密货币奖励。

工作量证明（PoW）是怎么运作的

正如 Nathaniel Popper 在《数字黄金》一书里解释的那样，这种在网络中添加区块的数学求解过程被称为“挖矿”。Popper 明确指出，这个过程消耗的资源与能源，在数字世界里完全可以和开采贵金属相提并论。

上面提到过，在工作量证明网络中，节点（也就是矿工）都在争着解一道复杂的数学题。第一个解出题目并验证交易的矿工获得加密货币奖励。工作量证明同时还负责保护网络安全、处理交易。比特币是最受欢迎的加密货币，它用的就是 PoW。

工作量证明在区块链中是怎么应用的？

区块链上的工作量证明共识算法是最早出现的共识机制，也是最流行的一种。它之所以能火起来，原因当然不少，但最核心的一点是：它能在去中心化的系统里有效促使大家诚实干活。虽然现在也有别的共识算法，但 PoW 仍然能稳定实现拜占庭容错（BFT）的目标。

要完全理解 BFT 是什么意思，可以这样看：它指的是一种能容忍“拜占庭将军问题”相关故障的系统。也就是说，即使网络里有某些节点（或矿工）试图破坏共识，系统也能扛得住。借助 BFT 特性，PoW 算法的工作方式是：节点通过解数学难题来验证区块。

谁第一个解出答案，谁就获得共识许可，有权选择一个区块加到链上。作为回报，成功的节点会得到代币奖励。比如在比特币网络里，奖励就是 BTC。

说到底，PoW 共识创造了一个相对健康、透明的封闭经济系统，主要目的就是鼓励用户持续维护这个生态系统。

PoW 涉及哪些数学问题？

这些复杂的数学问题包含各种不太常见的算术难题，而且都需要大量的计算能力才能解出来。

问题范围从拜占庭通用问题到复杂的哈希函数都有，比如：

• 哈希函数
  ：通过输入数据生成一个固定长度的随机输出。哈希值其实就是一个数值（或者说目标），它决定了谁能准确挖出下一个区块。

• 整数因式分解
  ：把一个合数拆成更小的整数，同时结合素数限制和乘法运算。

• 应急拼图协议
  ：用于在需要定义顺序的 DoS 攻击中保护网络。它不以求解函数为目标，而是找问题的根本原因。

因此，每成功验证一个区块，就会发放奖励来补偿矿工付出的努力。不过，随着网络规模扩大，可扩展性和安全性成了主要挑战。哈希算力会跟着谜题难度一起涨，所以后来出现了权益证明（Proof of Stake），试图弥补工作量证明的不足。

是谁创立了工作量证明？

PoW 共识在比特币网络出现之前就已经存在了。PoW 算法最早出现在 1993 年，当时 Moni Naor 和 Cynthia Dwork 发表了一篇文章，讨论如何阻止 DoS 攻击，并初步分析了该算法在防止欺诈方面的潜力以及长期可持续性。

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活动家 Hal Finney（Harold Thomas Finney II）在 2004 年推出了一套名为 RPoW（可重复使用的工作量证明）的系统。这套系统接收基于 Hashcash 的、不可交换或不可替代的工作量证明代币，然后生成一个 RSA 签名的代币，这样就能在人与人之间转移了。

工作量证明算法还有一个早期例子，就是 Adam Back 的 HashCash。它要求发件人在发送邮件之前先做一点计算，这样一来，收件人就能有效减少垃圾邮件。

PoW 与比特币的中本聪共识有什么关系？

PoW 采用的模式是：节点解数学难题，胜出者生成下一个区块并加到网络上。谁成为下一个区块的领导者，是通过类似抽奖的方式选出来的——奖励与节点贡献的计算能力（即算力）直接相关。PoW 共识模型里主要有两类参与者：

和。

矿工

参与计算的节点就是矿工，解题的过程叫挖矿。矿工们需要付出大量计算工作来解决每一个连续的问题。一旦某个节点创建了一个区块，PoW 能让其他节点轻松验证出解题过程是否成立。

节点

节点需要花时间做繁重的计算，因此这个过程会消耗大量电力，对环境有一定影响。网络中的去中心化节点必须借助单个矿工的工作量证明机制，来验证“挖”出来的区块链加密货币并获取奖励。

验证者

全节点运营商（也称验证者）基于加密证明和比特币的共识规则，充当网络状态的最终确认者。全节点客户端也可以自己当矿工，并且有权拒绝网络上的无效区块和交易。在工作量证明共识机制下，验证者审批一笔交易平均需要 40 到 60 分钟。

PoW 有多安全？

工作量证明算法因为能抵御拜占庭错误，所以安全性很高。另外，它本身的运作方式也让安全性更强——每个区块的哈希值都包含前一个区块的哈希值，这种链式结构防止了链上任何区块被篡改。

如果想改动一个区块，矿工需要创建一个与前一个区块相同的新区块，然后重新生成所有后续区块，并且重做它们所包含的工作。这样一来，区块链就能有效避免安全方面的篡改行为。

PoW 的优点与缺点

优点

• 对 DDoS 攻击有很强的抵抗力。
• 公平且透明。
• 矿工手里持有的加密货币比例较低时影响不大。
• 能激发公众维护健康网络的兴趣。

缺点

• 购买专业计算机设备、外围设备和电源的成本很高。
• 这些数学谜题非常复杂，但在教育或日常任务中没什么实际用途，只对验证区块有用。
• 反而可能让区块链变得更集中，而不是更去中心化。
• 随着回报下降，挖矿动力会逐渐减弱甚至消失。

哪些加密货币使用工作量证明？

比特币仍然是使用 PoW 共识的最受欢迎的加密货币。不过，还有不少其他加密货币也用这种算法。虽然比特币在减半之前挖矿还算有利可图，但现在很多矿工正在寻找替代方案，因为开采区块的成本越来越高、难度也越来越大。

自然而然地，大家都开始问：到底哪种加密货币最适合挖矿？以下是一些例子（具体数据和盈利情况请以官方公告、交易所页面或实时行情平台为准）：

和比特币类似，莱特币也采用了隔离见证（SegWit），通过从网络中移除部分数据来增加区块大小限制。莱特币和比特币的主要区别在于交易速度更快、成本更低。

以更快的交易速度和更高的隐私性为特点。即时交易是矿工选择在 DASH 上投入时间的一大优势。

另一种使用 PoW 共识的流行山寨币。作为开源加密货币，Monero 主要通过公开账本实现可互换性、隐私性、透明度和去中心化。

是比特币网络硬分叉产生的一种衍生币。虽然比特币现金采用了看似安全的 PoW 共识，但它却是 51% 攻击中受害最严重的币种之一。

与其他加密货币不同，ZCash 旨在通过匿名性提供隐私保护。ZCash 网络使用和比特币相同的工作量证明 SHA-256 哈希函数。

尽管以太坊 2.0 已经转向 PoS，但以太坊经典仍然坚持使用 PoW 共识来保护网络。不过，因为它只是一条算力较小的链，所以更容易受 51% 攻击，存在双花风险。

权益证明比工作量证明更好吗？

近年来，加密货币领域关于权益证明（PoS）的讨论越来越多。在比较 PoS 和 PoW 时，不少专家认为 PoS 确实优于 PoW。反对 PoW 的主要理由之一是它需要极大的计算能力，非常耗能，对环境有负面影响。以比特币为例：维护比特币网络所需的平均能源量，甚至比整个瑞士国家消耗的能源还多。

此外，PoW 共识还存在比较高的中心化风险，而且在链上交易执行的性能容量和可扩展性方面也受到质疑。

总体来说，PoS 算法为用户提供了更好的经济激励（比如分红），允许他们运行主节点，或者把币投入质押和主码平台。从长期来看，PoS 被认为更公平、更可持续。

权益证明与工作量证明有什么区别？

权益证明（PoS）是工作量证明（PoW）的另一种选择。PoS 不需要矿工去解复杂的数学题，而是根据节点质押的加密货币数量（或持有量）来选择谁有资格向区块链添加新区块。权益证明比工作量证明更节能，因为它不需要消耗那么多计算能力。

本文内容仅供科普参考，不构成任何投资建议或买卖推荐。加密货币市场波动较大，挖矿收益、网络难度及币价均可能发生较大变化。文中提及的所有项目、数据及信息，请以各项目官方公告、交易所页面及实时行情平台的最新信息为准。参与挖矿或投资加密货币前，请充分评估自身风险承受能力，并遵守当地法律法规。