区块链技术科普：什么是工作证明(PoW)？PoW如何运作？

人们通常通过比特币的中本聪共识来理解区块链。但为了进一步了解工作量证明，必须仔细研究可持续的 PoW 实现。

工作量证明（通常缩写为 PoW）是一种用于防止 51% 攻击或双重支付的共识算法。比特币等加密货币使用 PoW 共识来确认交易并生成添加到链中的新区块。使用 PoW，矿工们竞相在网络上完成交易，以换取对其速度和准确性的奖励。

矿工使用计算机解决复杂的数学问题，以验证交易并为区块链添加新区块。工作量证明（PoW） 是加密货币中最常见的共识算法。自2009 年成立以来，比特币一直被比特币使用。

什么是工作证明（PoW）？

工作证明是业界迄今为止最受欢迎的共识机制。它可帮助区块链同步区块并保持安全，同时确定区块链网络中哪个节点可以添加下一个区块。工作证明需要网络中的节点透过解决复杂的数学问题来“工作”，即展示其工作证明。第一个解决问题并验证交易的节点将获得加密货币奖励。

工作证明（PoW） 如何运作

正如Nathaniel Popper 在其著作Digital Gold 中所解释的那样，解决在网络中添加区块的数学问题的过程被称为挖矿。Popper 明确表示，所需的资源和能源与实际开采贵金属的过程具有数字等同性。

如上所述，工作证明网络中的节点- 或矿工- 正在争夺复杂的数学问题，第一个矿工将解决问题并验证交易是否获得加密货币奖励。工作证明还用于保护网络和处理交易。比特币是最受欢迎的加密货币，它使用PoW。

工作量证明如何应用于区块链？

区块链工作量证明共识算法是最古老的共识机制，也是最流行的算法。当然，有很多原因可能促成了它的流行。但它声誉的主要原因是它能够在去中心化的生态系统中促进诚实。虽然可能还有其他算法，但 PoW 仍然可以持续实现 拜占庭容错 (BFT) 目标。 

要完全理解 BFT 的含义，它是一种能够承受拜占庭将军问题相关故障的系统。这意味着网络可以避免某些节点（或矿工）试图违反·共识的情况。借助 BFT 特性，PoW 算法的工作方式是，节点可以通过解决复杂的数学问题来验证网络中的区块。

而第一个得到数学问题答案的人将获得共识许可，选择一个区块添加到区块链中。作为交换，成功的节点将获得代币作为奖励。例如，在比特币网络中，奖励以 BTC 为单位。

最终，PoW共识创造了一个相对健康、透明的封闭经济。主要是为了鼓励用户继续维持生态系统。

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。此外，这些问题需要大量的计算能力才能解决。

它涉及从拜占庭通用问题到复杂的哈希函数。例如：

• 哈希 函数 涉及通过输入生成具有特定长度的随机输出的过程。而哈希是一个数值（或目标），决定谁能准确地挖掘出区块。
• 解决 整数因式分解 ，包括将合数分解为更小的整数，并结合素数限制和乘法。
• 它充当 应急拼图协议， 以在需要定义顺序的 DoS 攻击中保护网络。它不是解决函数问题，而是寻找根本原因。

因此，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，可扩展性和安全性是主要挑战。哈希算力与谜题的复杂性同步增长。因此，引入了权益证明来抵消工作量证明的缺陷。

谁创立了工作量证明？

PoW共识在比特币网络发明之前就已经存在，PoW算法最早出现于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，主要讨论了该算法在防止欺诈方面的潜力以及其长期可持续性。

在 Satoshi Nakamoto 公开谈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）于 2004 年推出了另一个系统，称为 RPoW，即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。作为回报，创建了一个 RSA 签名的代币，然后可以在人与人之间转移。 

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。因此，接收者可以减少垃圾邮件。 

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块。生成下一个块的区块领导者以类似抽奖的形式选出，这与他们为该过程贡献的计算（即哈希）能力直接相关。PoW 共识模型有两个主要参与者： 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连续的问题。一旦一个节点创建了一个区块，PoW 就可以轻松地让其他节点验证导致解决方案的过程。

节点

节点需要花费时间进行繁琐的计算。因此，该过程会消耗大量电力，这对环境有害。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，因为它可以抵御 BFT。此外，它的运作方式使其更加安全。此外，每个块的哈希值都包含前一个块的哈希值；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。这需要重新生成所有后继区块并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

• 远离 DDoS 攻击。
• 公平透明。
• 矿工持有的加密货币比例低的影响。
• 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。
• 它们是非常复杂的谜题，在教育或日常任务中没有增加价值，仅对验证区块有用。
• 它使区块链更加集中化，而不是去中心化。
• 由于回报不再具有吸引力，挖矿将会逐渐消失。

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。然而，还有很多其他货币也使用这种算法。虽然在减半之前，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。

自然而然，每个人都开始问哪种 加密货币最适合 挖矿。以下是我们的发现： 

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闪电般的交易速度和更低的成本。

DASH： 它以加密领域更快、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（分红），允许他们运行主节点或将币放入投注和主码平台。从长远来看，它更公平，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。

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