什么是工作量证明(PoW)？

导语

工作量证明属于最早问世的共识算法，时至今日仍处于主流之列。中本聪于2008年发布的比特币白皮书中引入这个概念，但其实该技术本身在更早之前就已经构想成型。

在加密货币尚未问世之前，亚当·贝克(Adam Back)的HashCash就是工作量证明算法的早期示例。HashCash要求发件方在电子邮件发送前执行少量计算，以此缓解困扰收件方的垃圾邮件问题。这样的计算对正规发件方而言，几乎不费吹灰之力，但如果是发送大量电子邮件的人，负担会迅速加大。

什么是双花问题？

同一笔资金多次使用就会发生双花问题。该术语基本上专属于数字货币领域，毕竟同一笔现金在现实生活中无法支付两次。例如，咖啡钱支付给收银员后，就锁进了收银机。客户不可能再用同一笔钱到街对面的咖啡厅再买一杯咖啡。

如果执行数字现金方案，就有可能会出现这种情况。我们此前都复制过计算机文件，只需要复制并粘贴，就可以将相同的文件通过电子邮件发送给十人、二十人、甚至五十人。

由于数字货币只是数据形式，我们需要提防他人进行复制并在其他地方支付同一笔货币。否则，我们的货币体系将很快崩溃。

工作量证明为何具有必要性？

这样我们就有办法去追踪这些货币。假如Bob试图使用之前支付给Carol的同笔单位货币进行另一笔交易，很快大家就都知道了。共享组员不会允许该交易计入记事本。

对于小团体而言，上述方式可能非常奏效。大家彼此认识，能达成一致，决定由哪位好友往记事本里记录交易。如果是个1万名参与者的团体，情况会是怎样呢？此时，记事本无法有效扩展，毕竟没人会信任陌生人掌管账本。

这正是工作量证明的用武之地。工作量证明确保用户不得支付其无权动用的资金。工作量证明算法结合博弈论和密码学，根据系统规则，让所有人都能更新区块链。

工作量证明如何运作？

区块链就是我们上面提到的记事本。但是我们现在不一一添加交易，而是打包计入区块。我们在网络中发布交易，创建区块的用户随后会把交易计入候选区块。只有候选区块成为确认区块，交易才生效。也就是说，交易已添加至区块链。

要想通过逆转区块哈希值来获取输入数据，几乎是不可能的。然而掌握输入数据，就可以轻松确认哈希值是否正确。只要把输入提交到函数中，就能查看输出是否相同。

提供到工作量证明中的数据，哈希值须符合特定条件。但是用户不知道如何做到。他们唯一能做的就是把数据带入哈希函数，以此验证是否符合条件。如果不符合，就对数据稍作修改，再得到不同的哈希值。即使只更改数据中一个字符都会产生截然不同的结果，因此根本无法预测输出结果。

总而言之，挖矿就是收集区块链数据并借助随机数进行哈希运算，直至找到特定哈希值的过程。如果得出的哈希值符合协议设置条件，即可在网络中发布新区块。与此同时，其他网络参与者可更新自己的区块链，纳入新区块。

对于当今的主流加密货币，要满足条件颇具挑战。网络的哈希率越高，就越难找到有效的哈希值。这样是为了减缓出块速度。

通过个人计算机猜算海量哈希值的高昂成本可想而知。这会耗费大量计算时间和电量。但只要找到有效哈希值，即可获得协议奖励的加密货币。

让我们回顾一下目前已了解的内容：

• 挖矿成本高昂。
• 生成有效区块可获得奖励。
• 知道输入数据，用户可轻松验证哈希值。不挖矿的用户，无需耗费大量算力，也能验证区块是否有效。

至此，一切还算正常。但是，如果有人试图作弊，会发生什么呢？如何才能制止在区块中输入大量欺诈性交易以生成有效哈希值的行径？

网络会自动拒绝含有无效交易的区块。试图作弊的代价非常高昂。不仅浪费资源，还得不到任何奖励。

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工作量证明与权益证明对比

即便如此，权益证明与工作量证明的普及程度还是相去甚远。尽管被认为是浪费，但挖矿目前已自证是唯一获得大规模使用的共识算法。在过去十多年里，工作量证明为价值数万亿美元的交易安全保驾护航。要明确权益证明能否在安全性上与工作量证明相媲美，质押就仍需在实际操作中获得充分测试。

总结

工作量证明是双花问题的初始解决方案，且可靠性和安全性也得到了验证。比特币证明了我们并不需要依赖中心化实体来预防重复花费同一笔资金。去中心化环境中的参与者通过巧妙运用密码学、哈希函数以及博弈论就能步调一致地追踪金融数据库的状态。