什么是工作量证明

10月 18, 2019
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工作量证明
要点总结
— 工作量证明(简称 PoW)是在区块链网络上达成一致,从而确认交易并为区块链生成新区块的一种共识机制。
— 通过工作量证明,矿工会为验证交易并获得奖励而相互竞争。
— 被选中建立下一个区块的几率与计算能力相关。

总是听说这个词组,但仍然不知道它的意思吗 – 别担心,不止您一个人这样! 那么,什么是工作量证明呢? 我们在这里用简单的语言讲一讲。


工作量证明 (PoW) 是区块链网络的共识算法,是比特币的底层共识模型。 比特币是率先使用 PoW 的加密货币

概括而言,PoW 依赖于将电能转化为数字区块链的“权重”,这构成了比特币等 PoW 区块链不可伪造的成本,并在此过程中推动激励结构,产生了拜占庭容错 (BFT) 分布式网络。

比特币的中本聪共识

要了解 PoW 的机制,最好的方式就是通过观察比特币的中本聪共识,它是成功且可持续的 PoW 实现不可动摇的主要例子。

PoW 机制通过解决数学难题得到一个低于特定阈值(随机数)的值,用于产生下一个向网络播送的区块。 产生下一个区块的区块领导者直接根据各自在解决过程中贡献的计算能力(即哈希)通过类似抽奖的方式选取。 正如中本聪在比特币白皮书中的解释:


“工作量证明还解决了在多数决策中如何确定代表的问题。如果基于一个 IP 地址一票的方式选出多数,那么任何能够分配多个 IP 的人都可以破坏投票。工作量证明本质上是一个 CPU 一票。为工作量证明投入最多的将成为最长的链,也将成为多数决策的代表。如果大部分 CPU 算力由诚实节点控制,那么诚实链的增长也会最快,远超任何与之竞争的链。”

中本聪的白皮书

最长的链工作量最多,也就意味着它贡献了最多的算力(即哈希),因此可以轻松确定身份。

PoW 共识模型有两类主要参与者:矿工和全节点运营商。

矿工

矿工是参与者市场,参与者为了解决难题并生成下一个向网络播送的区块相互竞争,新区块每 10 分钟生成一个。 在每个 10 分钟回合内获胜的矿工将获得区块奖励(目前为 12.5 BTC)和区块内的交易费用。 这种设计能够促进矿工激励系统运转,让矿工在播送区块时保持诚实,原因主要有二。

首先,矿工们花费大量资金购买昂贵的硬件设备,消耗电能进行连续计算,通过暴力破解答案解决比特币的挖矿算法。

如果矿工试图采取恶意行动破坏挖矿,并在此过程中损害了比特币的信誉,那他们就需要花费更多资金采购硬件设备,因为区块奖励比特币的投资回报 (ROI) 价值也会降低,这就引出了第二个原因。

矿工直接以比特币而非现金形式赚取奖励。 这样一来,他们就会将现实世界的资源(电力)用于生产比特币,从而造就了比特币整个安全模型的重点所在,即不可伪造的成本类型。 此外,由于矿工不仅愿意投入法定货币(购买硬件设备),而且愿意将实际资源投入到比特币的生产中去,区块链也就被赋予了现实世界价值。

比特币的发行与货币政策也随之被挖矿过程绑定,随着网络的哈希算力增长到目前的比例,这些政策已经几乎不可能改变了。 由于需要出售部分持币赚取利润以及支付账单,矿工们会按照现货价格向市场巧妙地分发比特币。

全节点运营商

PoW 中的第二类实体是全节点运营商或者运行全节点的普通用户。 全节点是运行比特币软件的软件客户端,可以自动验证网络中的交易和区块并进行播送。

全节点运营商运用加密证明和比特币共识规则,是网络的心脏所在,也是网络状态的最终验证者。 挖矿客户端也可以成为全节点客户端,并且客户端会拒绝网络中的无效区块和交易。

由于高能耗设计,链上交易的执行能力也较弱,PoW 一直遭受批评,但有几点需要提醒一下。 例如,绝大多数比特币挖矿活动使用的是可再生能源,而在能源开销与比特币整体价值和财富创造之间取得平衡则是一项复杂的任务。 无论如何,PoW 是计算和博弈论设计的一项重大创新。

比特币的 PoW 模型是融合了博弈论激励、分布式计算、社会共识、市场经济学和加密证明的安全手段。 正是这项创新使得区块链能够在安全可持续的分布式共识下发挥作用,而比特币十余年的存在本身就是对此最好的证明。

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